UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL MECÁNICA DE FLUIDOS 2012
Experiencia N°8
Compresores
Segundo Semestre 2012 Profesor:
Adrián Rojo
Ay. Laboratorio:
Luis Magnata
Bloque:
Miércoles 16:20-17:00
Integrantes:
Nathalia Arismendi Diego Arteaga Ignacio Droguett
Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Laboratorio de Mecánica de Fluidos 2S-2012
1. Resumen Ejecutivo En el presente informe se dará a conocer los resultados y análisis de la experiencia de laboratorio, en esta se utilizan compresores los cuales entregan energía a los fluidos compresibles, generando su desplazamiento y variaciones en la presión del estanque pulmón. En el laboratorio se midió el tiempo de llenado del estanque pulmón, también el tiempo de descarga y caudal de salida. Utilizando estos valores y la información entregada por el fabricante del compresor, se puede obtener el tiempo de llenado teórico, el trabajo real de compresión, el máximo trabajo que soporta el fluido considerando un caso isoentrópico, el trabajo en condición isotérmica y la eficiencia mecánica. También se obtuvieron graficas de presión versus tiempo, para la situación de llenado y vaciado, comparando los resultados experimentales con los análisis teóricos.
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2. Introducción y Teoría En la mayoría de los procesos que se desarrollan en la industria es de vital importancia el transporte de fluidos de un equipo a otro y para transportarlos es necesario someterlos a diferencias de presión que incentiven su movimiento, en el caso de los gases se utilizan los compresores, es por esto que es de suma importancia conocer como funcionan, operan y la misión que tienen en la industria. Un compresor es una maquina que eleva la presión de un gas, vapor o una mezcla de gases o vapores reduciendo el volumen del mismo durante el proceso, a diferencia de los compresores los ventiladores y sopladores se utilizan para bajas presiones. En cualquier proceso de compresión la relación entre la presión y el volumen es
Y el trabajo se define mediante
∫
donde este valor aumentara a medida que
aumenta el valor de n, para el caso en que n=1 se tiene el mínimo trabajo que corresponde a la compresión ideal isotérmica (ver figura 1).
Figura 1. Curvas de compresión politrópica.
En la realidad los procesos de compresión se asemejan mas al proceso adiabático, pero mediante compresores multietapas y refrigeración la potencia necesaria y por ende la energía total consumida va disminuyendo sustancialmente debido a que la descarga de una etapa sirve de succión en la siguiente haciendo que la compresión se asemeje a la del caso isotérmico.
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3. Objetivos
Comprender tanto los fundamentos teóricos, como el funcionamiento de un compresor. Ser capaza de seleccionar el equipo adecuado para las especificaciones requeridas.
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4. Datos experimentales Tabla I. Datos registrados en el laboratorio, llenado de estanque pulmón. Presión[bar] 0
Tiempo 0
1 2 3 4 5 6 7 7,5
10,24[s] 19,08[s] 28,50[s] 38,19[s] 50,30[s] 1,02[min] 1,14[min] 1,25[min]
Tabla II. Datos registrados en el laboratorio, descarga de estanque pulmón. Presión [bar] 7
Tiempo 0[s]
Caudal [lpm] 110
6 5 4 3 2 1 0
9,17[s] 22,39[s] 39,17[s] 1,01[min] 1,32[min] 2,14[min] 3,08[min]
100 90 80 65 50 30 0
Información Compresor -Potencia: 1,1 [kW] -RPM: 2800 [rpm] -Volumen: 24 [L] -Presión de corte: 8 [bar] -Voltaje 230 [V]
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5. Materiales y métodos - Materiales Tabla III. Materiales e implementos utilizados en la experiencia.
Estanque de Pulmón (parte Verde) Compresor (Parte Negra)
Rotámetro
Manómetro de Bourdon
Cronometro
- Método Una vez verificado que la válvula de salida de aire esta cerrada, se enciende el compresor y se mide el tiempo con un cronometro digital, para presiones entre 0 y 7,5 [bar] hasta el llenado del estanque de pulmón, una vez finalizado se comprueba que el pistón este apagado y se abre la válvula de salida, determinando el tiempo y caudales, mediante rotámetro, para presiones entre 7,5 y 0 [bar] durante la descarga del estanque de pulmón.
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Preguntas Conceptuales 1) Realice una descripción para los siguientes equipos:
Sopladores
Ventiladores
Compresores
En esta pregunta se busca una descripción global del equipo, criterios de utilización, rangos de eficiencia junto con correlaciones que permitan calcular la potencia desarrollada especificando cada término utilizado. Además se debe incluir al menos dos ejemplos industriales para cada una.
Soplador
Descripción general: Son maquinas de desplazamiento positivo que funcionan a volumen constante (solo cambia con modificación de la velocidad) con presiones de descarga variable. Ejemplos industriales: Soplador rotatorio positivo ( industria de la harina), soplador rotatorio de las raíces ( industria del automóvil para aumentar caballos de fuerza, soplador rotatorio de lóbulo (plantas de tratamiento de agua)
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Rangos de eficiencia: Es función de su diseño y del punto de - ΔP aproximadamente 35 psi operación de la curva (Presión vs - tipo centrifugo de flujo radial Caudal). Si aumenta la velocidad la curva de ventilación cambia Potencia desarrollada: [-] aumentando o disminuyendo el punto de operación Criterios de utilización:
Ventilador
Descripción general: Se clasifican como tipo centrífugo o axial. Se utilizan para hacer circular aire en un espacio, para traer o liberar aire a este o para movilizar aire por un ducto en sistemas de calefacción, ventilación o aire acondicionado. Ejemplos industriales: Suministro de aire a hornos y calderas (industria del petróleo), suministro de aire para desecación (alimentación), transporte de material suspendido en corrientes de gas.
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Criterios de utilización:
-Bajas pr esiones ( ΔP aproximadamente 0,5 psi) -Altos caudales Potencia desarrollada:
Rangos de eficiencia: Es función de su diseño y del punto de operación de la curva (Presión vs Caudal). Si aumenta la velocidad la curva de ventilación cambia aumentando o disminuyendo el punto de operación
Donde:
3
Q: volumen de fluido[m /h] P: presión de operación (suma presión estática y la carga de velocidad que sale del ventilador )[cm de agua] En general la eficiencia varia entre 40% a 70%.
Compresor
Descripción general: Aparato mecánico que incrementa la presión de un gas por medio de la reducción de su volumen, su acción es presurizar y transportar fluidos (compresibles).
Los compresores pueden ser de desplazamiento positivo (recíprocos o rotativos) y dinámicos (centrífugos o axiales). Las unidades motrices de un compresor son turbinas de vapor, turbinas de gas o motores eléctricos. Un compresor puede ser utilizado en etapa simple o múltiple con refrigeración intermedia o sin ella dependiendo el uso que se le quiera dar. Ejemplos industriales: impulsor de línea (industria gas natural), abastecimiento de aire u oxigeno en hornos (industria de acero y hierro), compresor de gas en proceso (industria química) etc.
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Criterios de utilización:
Rangos de eficiencia:
-Altas presiones (desde 3,447 La eficiencia se define como la KPa hasta varios centenares de razón entre el trabajo entregado KPa. ( ) al fluido y el trabajo de eje o mecánico ( ).También puede -Bajos caudales relacionar la potencia indicada (IHP) y la potencia de freno (BHP) Potencia desarrollada:
Donde :
IHP: potencia indicada BHP: potencia de freno FHP: potencia consumida por fricción
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2) Refiérase al ciclo de compresión. Esquematice y mencione las etapas del proceso. ¿Qué representa el área encerrada?
El ciclo de compresión se puede representar a través del siguiente grafico de Presión v/s Volumen, el cual contiene las diferentes etapas de un proceso de compresión y el trabajo que realiza el compresor sobre un fluido por ciclo al que es expuesto. Este número de ciclos por unidad de tiempo es expresado mediante el RPM, RPS, etc. que indique el compresor.
(a)
(b)
Figura N°2 Ciclo de compresión ideal (a) Con volumen muerto (b) Sin volumen muerto
De esta manera para un ciclo ideal, se describen las siguientes etapas, considerando el caso (a): Admisión del gas al cilindro, a presión P1 Compresión del gas, a presión P2 Descarga del gas, a presión P2 Expansión del Volumen muerto (V4)
Para el caso (b) cuando no se considera el volumen muerto, la descarga es total, por lo que en la última etapa se produce una disminución de la presión del sistema. Como en la realidad la admision y descarga en cada ciclo esta regulado por valvulas, existen pequeñas variaciones de presion en el ciclo de compresión real, dado las perdidas por friccion que estas provocan. El area encerrada representa el trabajo que el fluido requiere sobre él para el proceso de compresion, en el cual mediante la relacion de la presion absoluta P y el volumen V se expresa la cantidad de trabajo requerido atraves de la siguiente formula:
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3) En base a la teoría de compresión. ¿bajo qué condiciones resulta conveniente realizar la compresión? ¿Cuál es la condición que se acerca más a la realidad? Adjunte correlaciones que le permitan calcular el trabajo realizado y la eficiencia en los distintos procesos.
Considerando la teoría de compresión la cual señala que para cualquier proceso continuo de compresión la relación existente entre la presión absoluta ”P” y el volumen “V” se expresa según:
Además del gráfico de presión versus volumen, cada valor que adopta n se conoce como la curva poli trópica, para obtener el trabajo realizado en la compresión desde hasta se utiliza la siguiente expresión:
Por lo tanto cuando n adopta el valor 1, correspondiente al caso isotérmico, se considera el menor consumo de energía y resulta más conveniente realizar la compresión. Sin embargo el caso que más se asemeja a la realidad corresponde a un proceso isoentrópico. Para un proceso isotérmico la expresión del trabajo se expresa según:
()
Para un proceso isoentrópico la expresión del trabajo se expresa según:
Además se puede obtener ecuaciones para la eficiencia isotérmica e isotrópica, respectivamente:
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Donde representa el trabajo efectivamente entregado al fluido (trabajo indicado), corresponde al trabajo en el proceso isotérmico y señala el trabajo en proceso isoentropico. 4) Defina los siguientes términos:
Desplazamiento volumétrico
Corresponde a la cantidad de fluido que el compresor es capaz de comprimir en cada etapa de revolución o ciclo, normalmente se expresa en unidades de volumen por revolución. A partir de la figura se obtiene como:
Figura 3. Ciclo de compresión ideal con volumen muerto.
Volumen Muerto
Corresponde al volumen residual entre el pistón y el fondo del cilindro del compresor (en el cual están las válvulas), este volumen se debe a que el pistón no puede llegar hasta el final del cilindro ya que se generarían daños por el contacto con las lumbreras de las válvulas. Esquemáticamente se representa según:
Figura 4. Característica de compresión con volumen muerto.
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Claridad
Corresponde la razón entre el volumen muerto y el desplazamiento volumétrico:
Según los parámetros de la figura 3, se obtiene la expresión:
Capacidad
Corresponde a lo que realmente se desplaza en las condiciones de succión, según los parámetros de la figura 3, se obtiene la expresión:
Eficiencia Volumétrica
Se define como la razón entre la capacidad y el desplazamiento volumétrico:
⁄ () ⁄
Según los parámetros de la figura 3, se obtiene la expresión:
Razón de Compresión
Corresponde a la relación entre la presión de descarga ( ) y la presión de admisión ( ), se expresa según:
Eficiencia Mecánica
Corresponde a la razón entre el trabajo que es entregado de manera efectiva al fluido, se le denomina “trabajo indicado” y el trabajo de eje o mecánico. Se expresa según:
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En algunos casos se emplea la relación entre la potencia indicada (IHP) y la potencia al freno (BHP), según:
Eficiencia Global Se entiende como el rendimiento total o global del compresor, se distinguen dos casos: Condición Isotérmica:
Condición Isoentrópica, reversible:
5) Mencione los criterios más importantes a considerar para la elección de un compresor.
Los criterios de elección de un compresor se realizan sobre la base del caudal a suministrar y la presión de trabajo, normalmente se clasifican por tamaños en diferentes categorías. Los criterios más distinguidos son:
El rango de tamaños y su capacidad, ya sean pequeños con caudal de hasta 40 litros por segundo y una potencia de alrededor de 15kW, de clasificación mediano con caudales entre 40 y 300 litros por segundo con potencia de entrada entre 15 y 100kW, o de clasificación grandes con rangos más altos de los ya mencionados.
Requerimientos para la carga parcial, para poder implementarlo en periodos extensos.
Condiciones de refrigeración y enfriamiento.
Eficiencia mecánica y volumétrica.
Otros factores importantes son es el rendimiento energético, el ruido de la instalación, los requisitos de mantenimiento y reposición.
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6)
Refiérase a la compresión multietapas. ¿Cuando se utilizan? ¿Cuál es su finalidad? ¿Qué ocurre cuando se realizan refrigeraciones intermedias entre cada etapa? ¿Qué es la presión intermedia óptima? ¿Cómo se calcula? Adjunte una correlación que le permita obtener la potencia adiabática de un compresor multietapas especificando lo que significa cada término.
Un compresor reciproco de una sola etapa se utiliza cuando la razón descompresión es inferior a 5 por lo tanto la compresión multietapas se utiliza para razones de compresión mayor debido a que la descarga de una etapa le sirve de succión a la siguiente disminuyendo considerablemente la energía necesaria para tales magnitudes de compresión y ayudando a su eventual ahorro (se aproxima al caso ideal isotérmico). La utilización de refrigeración en etapas intermedias del proceso ayuda a enfriar parcialmente el gas comprimido hasta la temperatura deseada reduciendo la potencia necesaria en la compresión. La presión optima es aquella en que el trabajo total es mínimo, se utiliza debido a que si en un proceso la temperatura y presión de succión están predeterminadas y además la presión de descarga es un requerimiento de servicio entonces la única variable modificable será la presión intermedia la cual se obtiene derivando e igualando a cero la expresión del trabajo total dada por:
() () Con la cual se obtiene el valor para presión intermedia optima P1:
√ La potencia de un compresor se define mediante la multiplicación de la carga adiabática por el trabajo adiabático donde:
⁄ ⁄ ()
Carga adiabática:
Así la potencia adiabática en unidades SI queda definida mediante:
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Donde -potencia [W] -W: flujo de masa [kg/s] -R: constante de los gases Al ser compresión adiabática multietapas la formula de potencia pu ede simplificarse aun mas suponiendo que el modelo se acerca a uno isotérmico.
7)
En una planta de ácido nítrico se desean comprimir 250 [m3/min] de aire desde 103,42 [Kpa] abs. Hasta 1176,8 [KPa]. Evalúe cuales son los posibles tipos de compresores que podría utilizar. Obtenga la potencia isentrópica requerida en el caso de solo una etapa de compresión. Suponga ahora que utiliza un compresor de dos etapas, el cual incluye un inter-enfriador que lleva el aire a la temperatura inicial. Calcule la potencia ideal mínima. En base a un criterio de costo operacional, y considerando que el gasto que genera intercambiador del calor es despreciable con relación al consumo de los compresores ¿qué alternativa resulta más rentable? ¿Cuánto calor retira el intercambiador de calor? Para una eficiencia del 78% ¿Qué potencia de salida es necesaria en el motor utilizado? Datos: Cp (aire) = 1,0062 [KJ/Kg K] K = 1,4 R = 8,313 [kJ/Kgmol K] Para resolver este problema es necesario darse una base de calculo, que para este caso se considerara de 1 minuto, por lo que tenemos lo siguiente datos 3 Caudal de aire= V1=250[m /min] P1=103,42[KPa] P2=1176,8[KPa]
Considerando una etapa
() ()
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() [] () () () []
Dos etapas caso isentrópico ideal:
Si consideremos que los compresores en las plantas correspondientes se utilizaran durante un periodo de tiempo largo, se considerara que la opción más viable para el ciclo de compresión es en dos etapas porque: 1) Este consume un 17,2% de menos de energía, lo que implica un menor costo operacional y si consideramos que la instalación se usará por un largo periodo, el ahorro de energía compensa el mayor gasto en equipo debido al calefactor y el segundo compresor. 2) Aun cuando el equipo de compresión, ocupe mas espacio y tenga mayores costos de inversión, se vera compensado en la prolongación y reducción en los costos de mantención, ya que al utilizar el ciclo con una sola etapa, la razón de compresión será de 11,37, y no se diseñan ni venden compresores de un precio conveniente que resistan tales condiciones, además se desgastara mas rápido, en cambio en un ciclo de dos etapas la razón de compresión será de 3,37, lo que se considera un rango viable de trabajo, permitiendo mayor disponibilidad de escoger equipos.
Calor retirado por el intercambiador de calor
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Con T1 = T3 porque el intercambiador, devuelve el aire a su temperatura inicial.
√
Como el compresor utiliza el aire del entorno, la T0 del aire es la del ambiente, por lo que T1 = 25ºC =298,15K, T2 se obtiene de una compresión isoentropica, mediante:
() () [ ] [ ] [] [][ ] []
Remplazando en la ecuación anterior tenemos:
Para una eficiencia del 78%, en el proceso de dos etapas, la potencia de salida del motor a utilizar es de:
En caso de inconvenientes es recomendable tener como mínimo un motor con un 20% más de potencia.
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Desarrollo del Informe 1) Determine el tiempo de llenado teórico del estanque suponiendo una claridad del 7,5 %. Contraste con el valor teórico y comente. Datos
Presión de admisión: 1 [atm],
Temperatura 20ºC
Adiabático K=1,4
P1 = 0 [bar] (Manométrica) = 1,0 [bar] (Absoluta)
P2 = 7,5 [bar] (Manométrica) = 8,5 [bar] (Absoluta)
Presión de corte: 8 [bar]
Volumen estanque pulmón 24 [L]
RPM: 2800
pistón φ = 4,0 [cm], L = 7 [cm]
Balance de materia dentro del estanque pulmón
Mout = 0 Min = ρ·Vadmitido·RPM
(1/k)
Ƞv = Vadmitido/Vdesplazado = 1+C-C·r r= P2/P1
Así Min queda expresado en términos conocidos según la siguiente ecuación
()
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( )
Igualando ambas expresiones e integrando se ob tiene:
Calculando el % Error:
| | Este error se puede deber a que la claridad ocupada es supuesta y no representa necesariamente a la experimental, también se supuso que se estaba trabajando con un gas ideal y a temperatura siempre constante, además de los errores cometidos por el observador al medir el tiempo experimental de llenado.
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2) Calcule el trabajo real de compresión.
Para calcular el trabajo real se requiere de la siguiente relación:
Como se trata de un trabajo de compresión, el signo del trabajo debe ser negativo, por lo tanto finalmente se obtiene:
3) Determine el máximo trabajo que puede recibir el fluido. Utilice el diagrama temperatura entalpía para el aire, caso isotrópico.
Para nuestro caso, la temperatura del sistema es de 20[°C], lo que equivale a 68[°F] ó 529,67 [R] Para un sistema isentrópico, se tiene que
[][][]
Por lo tanto el trabajo es equivalente a:
Mediante el Diagrama adjunto se obtuvo:
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Diagrama temperatura - entalpía para el aire
Se conocen las siguientes equivalencias:
Para luego:
[][ ][] []
De esta manera para calcular el trabajo en [KJ] es necesario obtener la masa del sistema , mediante la ya conocida, Ley de los gases ideales
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[] || | || |
Obteniendo de esta manera como resultado final que el trabajo isoentrópico corresponde a:
Comparando con el valor real se obtiene el siguiente % Error:
4) Considere el caso isotérmico, en condiciones ideales. Calcule el trabajo asociado a esta condición. ¿Cuál se asemeja más a la realidad? Comente.
Para el caso Isotérmico se tiene que:
() ( ) Experiencia N°8, Compresores
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[ ] || | | ||
Calculando del % Error:
El porcentaje de error nos indica que el valor del trabajo obtenido para el sistema Isotérmico, se aleja mas de la realidad en comparación con el trabajo en un sistema Isontrópico, ya que con el caso de trabajo Isotérmico, se trabaja con las condiciones ideales, siendo de esta manera un factor determinante al realizar comparaciones con respecto al valor real.
5) Determine la eficiencia mecánica del compresor.
Utilizando la expresión obtenida en la pregunta N°2, donde se calcula el trabajo real de compresión:
Se puede deducir la eficiencia mecánica del compresor, para cada situación según:
Eficiencia Isotérmica:
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Eficiencia Isoentrópico:
6)
Grafique la curva presión vs tiempo tanto para el llenado como para la descarga del estanque pulmón. ¿Cómo esperaría que fuesen estas curvas? Comente.
Con los datos obtenidos experimentalmente para el llenado del estanque pulmón se puede obtener el siguiente gráfico:
LLenado del estanque pulmón 8 7 6 ] r a 5 b [ n 4 ó i s e 3 r P 2 1 0 0
20
40
60
80
100
Tiempo [S]
Figura 5. Gráfico de presión versus tiempo, para el llenado del estanque.
Considerando que el fluido utilizado “aire” se comporta según la ley de los gases ideales:
En el llenado del estanque pulmón, aumenta el número de moles de aire que se incorporan al recipiente, debido a esto existe un incremento en la presión dentro de este. Manteniendo el volumen del estanque (ya que es un material rígido), R corresponde a la constante de los gases y la temperatura no varía considerablemente en el laboratorio, entonces se cumple:
Donde
corresponde a la variación de moles con respecto al tiempo, siendo constante
ya que es la entregada por el compresor, entonces se obtiene:
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Por lo tanto existe una relación lineal entre la presión y el tiempo de llenado, por lo que la curva cumple según lo estipulado. Para el vaciado se obtiene:
Vaciado del estanque pulmón 8 7 6 ] r a b [ n ó i s e r P
5 4 3 2 1 0 0
50
100
150
200
Tiempo[s]
Figura 6. Gráfico de presión versus tiempo, para el vaciado del estanque.
En esta situación se considera que la salida de aire desde el estanque no es constante, ya que existe una diferencia de presión entre el estanque y la atmosfera, por lo tanto a medida que se van igualando estas presiones, la salida es cada vez más pausada. Entonces se tiene:
Pero la variación de moles ya no es constante:
Por lo tanto la curva está de acuerdo a lo estipulado teóricamente y varía en forma exponencial.
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6. Conclusiones y recomendaciones De manera general se puede concluir que para comprender el funcionamiento de un compresor, es necesario tener presente las características de cada etapa en el ciclo de compresión, de esta manera para establecer una comparación entre los trabajos experimentales, tanto Isontrópico e Isotérmico, siendo necesario medir para determinadas presiones el tiempo de llenado del estanque pulmón, factor relevante para obtención de los resultados. De esta manera para el cálculo del trabajo real del compresor fue necesario calcular el tiempo teórico, el que se obtuvo utilizando una claridad del 7,5 %, dicho valor no representa necesariamente el experimental, y se supone además leyes de idealidad de los gases, presentando un error de 64,7%. Es por esto que como resultado obtuvimos que el trabajo realizado isotrópicamente se acerca mas al trabajo real, con un porcentaje de error del 57,39%, en cambio para el trabajo Isotérmico un 44,19%. Lo cual es acorde con la teoría puesto que en un sistema Isotérmico es el caso con mayor ahorro de energía, por lo tanto el mas eficiente, atribuyéndose a la eficiencia de los compresores multietapas. Considerando los gráficos obtenidos de presión versus tiempo, se concluye que para el llenado del estanque de pulmón existe una relación lineal entre estos, en cambio para el vaciado del estanque la relación existente es de forma exponencial, esto se debe a que la salida del aire no es constante. Se deduce entonces que los errores obtenidos son atribuidos mayoritariamente por las malas mediciones efectuadas por el observador del tiempo tanto de llenado, como vaciado del estanque de pulmón. Como recomendación se sugiere la incorporación de un sistema sofisticado para la toma de tiempos, además de un sensor de temperatura para obtener resultados más exactos y finalmente la incorporación del grafico a utilizar para el calculo de entropías y entalpias para la posterior obtención del trabajo del equipo a estudiar.
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7. Referencias Apuntes del Ramo - http://www.ramos.utfsm.cl/ Criterios de selección - Instalaciones neumáticas, Salvador de las Heras Jiménez, editorial UOC, primera edición. Diagrama Temperatura – Entropía para el aire - Landsbaum, dadds, Stevens .Inst Chem.Eng.J
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