Lab Mec2250 1 Goku1vfd A

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS TÉRMICAS TERMODINAMICA TECNICA II LABORATORIO Nº 1

MEC 2250 COMPRESORES

1. Introducción El uso de la energía neumática en la actualidad ha tenido un significativo crecimiento, hoy en día observamos que, desde hogares hasta grandes industrias, hacen uso de los gases comprimidos, tal y como lo indica el autor Virgil Moring Faires, en su libro, Termodinámica, del cual extraemos el siguiente texto:“El aire comprimido, a una cierta presión por encima de la atmosférica, tiene muchos usos prácticos, como la operación de pequeños motores de aire, herramientas neumáticas, accionamiento de montacargas especiales, limpieza por chorro de aire, inflado de neumáticos de auto, rociado de pintura, elevación de líquidos por medios neumáticos y muchas otras aplicaciones industriales especializadas”

Pero todo esto no sería posible sin la intervención de los compresores, máquinas dedicadas a elevar la presión de fluidos, en el caso gases, siendo las bombas, encargadas de elevar la presión en los líquidos, mismas que no son el objeto de nuestra práctica experimental. Los compresores operan bajo una solicitud de energía eléctrica, que luego es transformada en energía mecánica, para finalmente comprimir al fluido, generando así energía neumática que puede o no ser almacenada. 1.1. Antecedentes La elevación de presión de un gas en los compresores, es consecuencia de una secuencia cíclica de procesos termodinámicos asistidos por el sistema mecánico del compresor. 1.2. Objetivos Reconocimiento y descripción de los parámetros constructivos y funcionales de los compresores. Explicitar el íntimo vínculo entre la termodinámica de compresión y las características constructivas y dimensionales de los compresores. Reconocer y evaluar las prestaciones características de los compresores. 1.3. Fundamento Teórico 1.3.1. Compresor Máquina que tiene la finalidad de elevar la presión de un fluido compresible. 1.3.2. Tipos de compresores Los compresores se dividen en dos grupos g rupos claramente distinguibles: Compresores de desplazamiento positivo y Compresores dinámicos. 1.3.3. Compresores de pistón 

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Los compresores alternativos usan pistones impulsados por un mecanismo biela manivela; los mismos pueden ser sub-clasificados en: móviles (portátiles) o estacionarios, de simple o doble efecto e igual que el resto de los compresores, compresores, de simple o múltiple etapa.

1 Jefe de Lab: Msc. Ing. Edgar S. Peñaranda Muñoz

Fecha de entrega: 30 de agosto de 2013



El ciclo teórico de trabajo de un compresor ideal se entiende fácilmente mediante el estudio de un compresor monofásico de pistón fu En todas las máquinas de desplazamiento positivo, una cierta cantidad de volumen de gas de admisión se confina en un espacio dado y después se comprime al reducir este espacio o volumen confinado. En esta etapa de presión elevada, el gas se expulsa en seguida hacia la tubería de descarga o al sistema contenedor.

Fig. 1.1 Vista en corte de un compresor de pistón de dos etapas con interenfriador.

Marca: Modelo: Industria: Caudal de elevación: Presión: Número de revoluciones del compresor: Número de cilindros: Motor: Medidas A x P x H:

BOGE SR 270

1 1,5 [kW] 910x410x620

Peso:

120 [kg]

270[l/min] 10 [bar abs] 650 [rpm]

Tabla 1.1 Modelo de ficha técnica para un compresor de pistón.





1.3.4. Compresores de pistón laberíntico Los compresores de pistón laberíntico representan un subconjunto muy importante de las máquinas reciprocantes no lubricadas; por lo general, estos compresores se oriental en forma vertical. Los compresores de pistón laberíntico no utilizan anillos o bandas de soporte para el pistón. En estos compresores no se presenta la fricción en el cilindro, a diferencia de los compresores reciprocante sin aceite, de diseño tradicional, con anillos de pistón.

Fig. 1.2 Compresor de pistón laberíntico (BurckhardtCompression)

Marca: Modelo: Industria: Caudal de elevación: Presión de succión: Número de revoluciones del compresor: Número de cilindros: Motor: Medidas A x P x H: Peso:

Burckhardt 3K160 12083 [l/min] 6,8 [bar abs] 494 [rpm] 3 228 [kW] 2340 x 2140 x 9000 120 [kg]

Tabla 1.2 Modelo de ficha técnica para un compresor de pistón laberíntico.





1.3.5. Hipercompresores Íntimamente ligada a la industria química y con base en una larga evolución, cuyas principales etapas fueron la licuefacción del aire y la síntesis de amoniaco, la técnica de emplear muy altas presiones llegó a perfeccionarse a partir de los avances en la fabricación del polietileno de baja densidad. En la actualidad, ésta es la única industria que necesita de grandes compresores reciprocantes para muy altas presiones, debido a que las presiones necesarias para otros procesos químicos importantes se han reducido de manera progresiva desde 1945.

Fig. 1.3 Hipercompresor (BurckhardtCompressions)


Burckhardt 3K160 12083 [l/min] 6,8 [bar abs] 494 [rpm] 3 228 [kW] 2340 x 2140 x 9000 120 [kg]

Tabla 1.3 Modelo de ficha técnica para un hipercompresor.





1.3.6. Compresores de Diafragma metálico Los compresores de diafragma metálico son máquinas de desplazamiento positivo en las cuales, el elemento de compresión es un diafragma metálico o un grupo de diafragmas. El elemento deslizante es un pistón que tiene un movimiento reciprocante dentro de un cilindro. El diafragma metálico reduce (comprime) el volumen del gas y provoca un incremento en la presión del gas. Desde el punto de vista termodinámico, este tipo de compresión se considera como trabajo tipo-flujo, y es un proceso adiabático o politrópico de un gas no ideal. Los gases se aíslan de las piezas reciprocantes e hidráulicas del compresor mediante tres discos metálicos delgados y flexibles llamados diafragmas. El movimiento del pistón reciprocante se transmite a los diafragmas por medio de un fluido hidráulico. Este movimiento provoca que los diafragmas entren a la cavidad de proceso, con la consecuente reducción del volumen e incremento de la presión del gas.

Gardner Denver Inc.) Fig. 1.4 Compresor de diafragmametálico (Pressure Products Industries, Marca: Modelo: Industria: Caudal de elevación: Presión de succión: Número de revoluciones del compresor: Número de cilindros: Motor: Medidas A x P x H: Peso:

Thomas 810VD/25/ANV/AC

28 [l/min] 3 [bar abs] 1500 [rpm] 3 125 W 129 x 169 x 122 2,5 [kg]

Tabla 1.4 Modelo de ficha técnica para un compresor de diafragma metálico.





1.3.7. Compresores de Anillo líquido Los compresores de anillo líquido, representan un subgrupo dentro de las dos categorías más importantes de compresores, los dinámicos y los de desplazamiento. Debido a que estas máquinas emplean un líquido para desplazar los gases, es común que se les clasifique como compresores volumétricos con desplazantes líquidos. Aun cuando se producen máquinas más grandes, una abrumadora mayoría encaja en el rango de tamaño donde se necesitan impulsores de 15 a 150 kW para comprimir los gases hasta alrededor de 100 psig, o alrededor de 7 bar de presión de descarga.

Por lo general, los compresores de anillo líquido son el equivalente funcional de las bombas de anillo líquido. La principal diferencia es en la construcción de doble lóbulo del compresor, lo cual balancea las fuerzas radiales que debe soportar el rotor. Los compresores de anillo líquido sellados con agua en realidad depuran con gran eficiencia partículas tan pequeñas como las bacterias aéreas. Esa porción del sello líquido que atraviesa la bomba se elimina de la corriente de descarga por medio de un separador que el fabricante del compresor proporciona como parte del sistema. La alimentación continua de sello líquido complementario mantiene el anillo rotatorio. Para abastecer esta alimentación de relleno es común enfriar y recircular el líquido proveniente del separador. El calor de compresión aumenta la temperatura del sello líquido sólo entre 10 y 15 °F durante su paso desde el relleno hasta la descarga y las temperaturas dentro del compresor de anillo líquido permanecen muy por debajo de los picos que la compresión adiabática produciría. Si la mezcla de gas es explosiva, el compresor de anillo líquido puede funcionar como un inhibidor de flama cuando está sellado con un líquido no inflamable como el agua. Si la mezcla de gases de admisión contiene vapores que se condensen a la temperatura del sello líquido, se obtiene una ganancia de capacidad. La condensación del vapor disminuye el volumen que la bomba o el compresor debe manejar. Los condensados fluyen hacia afuera junto con el sello líquido de descarga y el líquido acumulado en exceso se elimina entonces del sistema separador.





Fig. 1.5 Compresor de anillolíquido (Nash Engineering Company)


Dekker DC0020B-KA USA 15 [cfm] 18 [psig] 3500 [rpm] 3 [hp] 244 x 384 x 235 22 [kg]

Tabla 1.5 Modelo de ficha técnica para un compresor de anillo líquido.

1.3.8. Compresores de tipo Lóbulo (Roots) Los sopladores tipo lóbulo o rotatorios positivos también llamados máquinas de pistón rotatorio o bombas de gas, se emplean para manejar vapor y gases no corrosivos. Los modelos básicos, suelen diseñarse con impulsores de hierro dúctil de eje integral que tienen un perfil en involuta. Los engranes de sincronización de aleación de acero están montados en forma cónica sobre los ejes, y por lo general, se utilizan rodamientos cilíndricos. Ambos extremos de la unidad están lubricados con aceite esparcido. La camisa, las placas de cabezal, la cubierta del engranaje y la cubierta de los extremos, suelen fabricarse con acero fundido gris. Los sellos de anillo de pistón forman un laberinto entre la cámara de compresión y los respiraderos perforados. Los respiraderos tienen válvulas de purga o drenaje.





En muchas máquinas modernas tipo lóbulo se instalan sellos mecánicos de alto rendimiento en cada cojinete con el fin de controlar las fugas de gas y aceite y son convenientes para servicios al vacío o a presión. Algunos modelos de sopladores tipo lóbulo o bombas de gas, incorporan un diseño patentado que reduce el ruido y la pérdida de potencia al emplear una brida y un chorro envolvente exclusivo para controlar la igualación de presión, y eliminar el contraflujo rápido de gas hacia la bomba proveniente del área de descarga.

Fig. 1.6.a Rotores e impulsores de hierro dúctil y de eje integral para compresores de tipo lóbulo (Aerzen USA Company)

Fig. 1.6.b Compresor de tipo lóbulo de gran tamaño


Aerzen D12H Alemana 670 [m3/h] 1500 [mbar] 37 [kW] 1250 x 1350 x 1500 590 [kg]

Tabla 1.6 Modelo de ficha técnica de compresor tipo lóbulo.





1.3.9. Compresores de Tronillo rotatorio Los compresores de tornillo rotatorio tienen una configuración característica como las mostradas en las figura 1.4 a la 1.8. En la carcasa del compresor se encuentran acomodados dos tornillos helicoidales con rotación contraria; las boquillas de admisión y descarga del gas se encuentran localizadas en los extremos opuestos. Se producen rotores de dos, tres y cinco lóbulos. El compresor de tornillo es una máquina de desplazamiento positivo y como tal, tiene fases de trabajo distintas: succión, compresión y descarga.

Fig. 1.7.b Paquete mediano de compresor de tornillo rotatorio (Aerzen USA Company)

Fig. 1.7.a Compresor de tornillo rotatorio (máquina de doble tornillo helicoidal)


Compair D110H RS USA 18,55 [m3/min] 10 [bar] 110 [kW] 2158 x 1412 x 1971 2200[kg]

Tabla 1.7 Modelo de ficha técnica de compresor de tornillo rotatorio.





1.3.10. Compresores centrífugos Los compresores centrífugos se basan en el principio de impartir velocidad a una corriente de gas y luego convertir ésta energía de velocidad en energía de presión. Con frecuencia, a estos compresores se les llama turbocompresores y las máquinas centrífugas comprenden, tal vez, el 80% o más de los compresores dinámicos. El restante 20%, o menos, son máquinas de flujo axial dedicadas para flujos elevados o aplicaciones de baja presión. Los compresores centrífugos tienen relativamente pocos problemas y son confiables para mover gas. Casi cualquier gas puede comprimirse mediante éstas máquinas y su extensa variedad de tamaños y rangos de presión hace posible, en la mayoría de los casos, que funcionen las plantas de proceso modernas. Miles de compresores centrífugos son máquinas de una sola etapa, tanto de impulsión directa o con reducción de engranes (figura 1.8.a) y miles se fabrican en configuración de etapas múltiples, tal como aparece en la figura 1.8.b.

Fig. 1.8.a Compresor centrífugo de una sola etapa con engranaje integrado (Dresser Rand Company)





Fig. 1.8.b Compresor centrífugo de etapas múltiples en una planta petroquímica. (ElliottCompany)


Ingersoll Rand C400 USA 45 – 67 [m3/min] 3,4 – 8,6 [bar] 260 – 400 [kW] 2830 x 1800 x 2080 9550[kg]

Tabla 1.8 Modelo de ficha técnica de compresor Centrifugo

1.3.11. Compresores de paletas deslizantes Los compresores de paletas deslizantes suelen encontrarse en aplicaciones tales como perforación de pozos mediante chorro de aire, transportación neumática, recuperación de vapores químicos y petrolíferos, transmisión de gas y sistemas de aire de plantas pequeñas. Cada unidad tiene un rotor montado en forma excéntrica dentro de un cilindro con chaquetas de agua. El rotor está equipado con paletas que tienen libertad de movimiento radial hacia adentro y hacia afuera de las ranuras longitudinales. La fuerza centrífuga impulsa las paletas hacia la pared del cilindro. La figura 1.9.b. ejemplifica la manera en que las paletas forman células individuales y el aire o el gas dentro de éstas células se comprime a medida que el rotor gira. 11 Jefe de Lab: Msc. Ing. Edgar S. Peñaranda Muñoz




Fig. 1.9.a Compresor de paletas deslizantes (A-C C ompressorsCorporation)

Fig. 1.9.b Principio de operación de un compresor de paletas deslizantes.


Thomas G12/09-6 B USA 11,0 [l/min] 0,4 [bar] -

Tabla 1.9 Modelo de ficha técnica para un compresor de paletas deslizantes.





1.3.12. Compresores axiales El compresor axial fue utilizado en alguna de las primeras turbinas, pero debido a los pocos conocimientos de aerodinámica de la época, dio como resultado compresores con rendimientos muy bajos. Hoy en día, gracias a su alto rendimiento y facilidad de acoplamiento es el más utilizado en aviación. Los compresores axiales están formados por varios discos llamados rotores y estatores que llevan acoplados una serie de álabes. Entre rotor y rotor se coloca un espaciador, el cual permite que se introduzca un estator entre ambos. Estos espaciadores pueden ser independientes o pertenecer al rotor. Cada disco de rotor y estator forman un escalón de compresor. En el rotor se acelera la corriente fluida para que en el estator se vuelva a frenar, convirtiendo la energía cinética en presión. Este proceso se repite en cada escalón. En algunos compresores se colocan en el cárter de entrada unos álabes guía, los cuales no forman parte del compresor, pues solo orientan la corriente para que entre con el ángulo adecuado.

Fig. 1.10 Rotor de un compresor axial


Atlas Copco ZH+ USA 967 – 7547 [l/s] 2 – 12,5 [bar] 315 – 2750 [kW] -

Tabla 1.10 Modelo de ficha técnica para un compresor axial.





2. Metodología Fecha de realización: lunes 12 de agosto de 2013 Lugar: Laboratorio de Neumáticas Hora: 14:30 – 16:00 Temperatura ambiente: 18°C aprox. Presión atmosférica local: 65,8 [kPa] 2.1. Equipo, material e instrumentos (descritos por sus respectiva fichas técnicas) Sistema Tipo Marca Modelo Industria Color Potencia

Accesorios : Nombre

Nombre

Nombre

Cabezal Tipo Marca Modelo Industria Color

Equipo Compresor Reciprocante, de fuente motriz eléctrica y portátil con tanque de almacenamiento propio Müller

Alemana Rojo - Azul - Plateado 4 HP ( Compresor de Aire) Alternativo de simpe efecto y de una etapa

Plateado Observaciones.- No tenía datos técnicos (no tenia placa de características) Motor Eléctrico Tipo ca Marca Trop Insul Industria USA Color Azul Potencia 3 Kw ; 4hp Tensión 230 / 380 [V] (Δ / Y) Frecuencia 50 Hz Factor de Pot. 0,86 Vel. Angular 2860 rpm Observaciones.Manomettro TIPO bourdon Marca Cewal Modelo COLOR NEGRO metalico Unidades Bar 0-12 bar Alcance 0.5 bar Sensibilidad Incertidumbre ±0.25 bar

Observaciones.- es parte del conjunto dispositivo de mando del compresor OBSERVASIONES.-




Nombre: Marca: Modelo: Industria: Color: Unidad de Medición: Rango:


Medidor de rpm sin contacto Testo Testo 465 Alemana Plateado rpm +1…. +99999 rpm

Incertidumbre:

0.01 rpm (+1 ... +99.99 rpm) 0.1 rpm (+100 ... +999.9 rpm) 1 rpm (+1000 ... +99999 rpm) ± 1 rpm

Nombre: Marca: Modelo: Industria: Color: Unidad de Medición: Rango: Sensibilidad:

Termómetro infrarrojo Raytek Raynger ST-60 USA Negro - Amarillo °C 0 – 120 °C 0,1 °C

Incertidumbre:

± 0,1 °C

Nombre: Marca: Modelo: Industria: Color: Unidad de Medición:

Pinza Amperimétrica Data Hold USA Verde Oscuro A, V, Ω 20 – 100 A en AC 2 – 750 V en AC 0.2 – 1000 V en DC 200 – 2000 Ω 0.1 A; 0.1 V; 0.1 Ω ± 0.1 A; ± 0.1 V; ± 0.1 Ω

Sensibilidad:

Rango: Sensibilidad: Incertidumbre:




Nombre: Marca: Modelo: Industria: Color: Unidad de Medición: Rango: Sensibilidad: Incertidumbre:


Calibrador Vernier Uyustools China Plateado mm; inch 0 – 150 mm 0 – 6 in 0.02 mm 1/128 in ± 0.02 mm ± 1/128 in

Nombre

Celular

TIPO

DIGITAL

MARCA

Motorola

INDUSTRIA

México

COLOR

Plomo- negro

UNIDADES

[min];[seg];[cseg]

ALCANCE

0-59min; 0-59seg; 099cseg

SENSIBILIDAD

0,01 seg ; 01 min

INSERTIDUMBRE

±0,01seg; 0,1 min

Observaciones.- se utilizo durante el proceso de medición como cronometro





2.2. Montaje del equipo

Fig. 2.1 Montaje del equipo

2.3. Descripción del experimento El desarrollo del experimento fue en el Laboratorio de Neumáticas, lugar donde se halla el compresor puesto en estudio. Es necesario verificar si el depósito del compresor contiene aire en su interior, en caso de ser cierto, es imprescindible vaciar su contenido; posterior a ello, se realiza la medición de la temperatura del depósito de aire, en dos puntos extremos, siendo el promedio de ellas nuestra temperatura inicial. Se inicia el cronómetro, y al mismo tiempo se energiza el motor del compresor, para proceder a llenar el depósito con aire. En intervalos de 1 minuto, se procede a la lectura de los valores de corriente, presión y velocidad de giro de la polea conducida. Las mediciones se realizarán mientras la presión al interior del depósito de aire sea inferior a los 4 bar, propuestos por el docente de laboratorio. Una vez llegado a los 4 bar de presión, se corta la corriente que energiza al motor del compresor, e inmediatamente se procede a tomar lecturas de temperatura en los puntos indicados por el docente, y también en las aletas de refrigeración del compresor propiamente dicho, siendo éstas la temperaturas finales para el depósito y compresor.





2.4. Registro de Datos Los datos registrados se detallan a continuación:

Punto 1 de Medición

Punto 2 de Medición

promedio

Temperatura inicial: Ti [°C] ± 0,1 °C 13,3

13.7

14.1 Temperatura final: Tf [°C] ± 0,1 °C

16,6

17.25

17.9

Temperatura en el Compresor propiamente dicho: T comp [°C] ± 0,1 °C

68.5 Tabla 2.4. a Registro de Temperaturas Realizada

Nº

Velocidad angular : ω[rpm]± 1 [rpm]

Presión: p [bar]± 0,25 [bar]

Intensidad de corriente: I[A] ± 0.1 [A]

Tiempo: t[min] ± 0,1 [min]

1

1237

1.60

3.4

1,0

2

1235

2.00

3.6

2,0

3

1231

3.20

3.8

3,0

4

1228

4.00

3.9

4,8

Tabla 2.4.b Registro de Mediciones correspondientes a Velocidad angular, presión, Corriente y tiempo





2.5. Cálculos El software empleado para la resolución del problema es el EES, cuyo proceso de resolución se detalla a continuación: Equations Windows













CALCULO DE LA INCERTIDUMBRE









RESULTADOS





Plot Window

Fig. 2.2 Diagrama T-s del compresor

Fig. 2.3 Diagrama P-V del compresor





2.6. Resultados Nº 1 2 3 4

V[m3] 0,0003341±0,00003575 0,00004742±0,00003575 0,00001891±0,000001426 0,0001333±0,00001004

Vd[m3] 0,0003152±0,00002376

3. Discusión e interpretación de resultados De la prueba realizada podemos llegar a interpretar que si mantenemos la presión de descarga, y se mantendría el flujo másico, el trabajo del compresor tendería a subir a medida que el compresor se acerca al nivel del mar Del mismo modo ocurre con la potencia, que sube a medida que nos acercamos al nivel del mar, y por lo tanto el mismo comportamiento sufren el rendimiento volumétrico y el rendimiento efectivo. Se pudo observar también que el caudal a la salida del compresor es muy elevado, esto se debe a que la temperatura es muy elevada y provoca la variación de la densidad por lo que el aire adquiere otras características que influyen en el resultado. Al calcular las presiones en todos los estados del compresor pudimos comprobar que realmente se crea un diagrama idéntico al aprendido en clases teóricas, siendo P2 la presión máxima que alcanza el aire y a su vez T2 la temperatura máxima de todo el proceso, esto debido a que no existe una compresión a temperatura constante.

4. Conclusiones Tras concluir la realización de la practica experimental pudimos comparar los parámetros más importantes del funcionamiento del compresor y su parte constructiva. También pudimos verificar que existe un vínculo muy importante entre la termodinámica de compresión y las características del compresor, ya que factores climatológicos o de ambiente pueden variar los valores nominales de trabajo característico por lo que se deberán implementar mecanismos de optimización en el compresor existente para así poder, por lo menos, aumentar su rendimiento





5. Bibliografía Instrumart; Handheld Infrared Thermometers Raytek ST-30; http://www.instrumart.com/products/2272/raytek-raynger-st30; acceso 15 de agosto de 2013. Uyustools; Vernier Caliper; http://www.uyustools.com/en/pro_info.php?22/22/220; acceso 15 de agosto de 2013. Testo; testo 465; http://www.testo.es/resources/media/global_media/produkte/testo_465/465_IM.pdf; acceso 15 de agosto de 2013. Laby®, Burckhardt Compression; Labyrinth Piston Compressors; http://www.burckhardtcompression.com/laby/; acceso 23 de Agosto de 2013. Wikimedia; Compresor axial; http://es.wikipedia.org/wiki/Compresor_axial; acceso 29 de agosto de 2013. Eclipse; SMJ Blower;http://www.eclipsenet.com/es/products/smj_blower/; acceso 29 de agosto de 2013. Thomas; Compressors-Rotary Vane; http://www.gdthomas.com/productlist.aspx?id=10076&tp=p; acceso 28 de agosto de 2013. Direct Industry; Compresores; http://www.directindustry.es/cat/compresores-R.html; acceso 15 de agosto de 2013. Bloch, Heinz; Guía práctica para la tecnología de los compresores; Mc-Graw-Hill; México; 1996. Huang, Francis F.; Ingeniería Termodinámica; CECSA; México; 1994; ISBN: 968-26-0241-6 Rivera Chávez, Emilio; Termodinámica de los compresores (Apuntes de Clase); 2012 

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