BANCO DE PRUEBAS Y SISTEMA MEDIDOR DEL COMPRESOR CENTRIFUGO 1. Objetivos Probar y comprobar la eficiencia del compresor centrífugo haciendo variar variar las posiciones de la mariposa de estrangulación, mantenimiento la frecuencia de rotación constante y para 3 frecuencias distintas.
2. Fu!"#eto Te$%i&o La compresión de los gases, específicamente del aire, es un proceso industrial muy frecuente. Si los caudales del aire o gas son relativamente elevados, y las presiones no excesivas, el turbocompresor aventaja al compresor alternativo y rotativo de desplaamiento positivo. !lgunas de estas ventajas son" #onstrucción compacta
$olumen de m%&uina reducida
Seguridad de funcionamiento #arencia de desgaste Pieas de recambio superfluas 'archa exenta de vibraciones ()bil consumo de energía el)ctrica en el arran&ue
*stas ventajas no hacen m%s &ue justificar la introducción del turbocompresor a la industria, sobre todo cuando se re&uieren caudales volum)tricos elevados.
2.1 De'ii&i$ !e Tu%bo&o#(%eso% Tu%bo&o#(%eso% Los turbocompresores +#- son turbom%&uinas t)rmicas generadoras en las &ue, por aportación de energía mec%nica desde el exterior, se aumenta la energía del fluido &ue atraviesa la m%&uina.
Figura 1: Compresor centrífugo
Las funciones b%sicas de un turbocompresor no han cambiado mucho desde los tiempos de !lfred /chi. *l turbocompresor se compone de un compresor y una turbina unida por un eje com0n, tal como puede apreciarse en la fig. 2. La turbina accionada por los gases de escape proporciona la energía &ue acciona el compresor.
Figura 2: Componentes del turbocompresor
Los # se pueden clasificar en" a. 1adiales b. (iagonales +semiaxiales o de flujo mixtoc. !xiales Los dos primeros se denominan compresores centrífugos. Los compresores axiales no son compresores centrífugos, aun&ue a veces impropiamente se les designe con ese nombre. Por otra parte, los compresores diagonales son muy corrientes, siendo su teoría fundamental muy similar a la de los compresores radiales.
Figura 3: Turbocompresor con turbina de doble entrada
Figura 4: Turbocompresor con carcasa de turbina refrigerada por agua para aplicaciones marina
2.2 E) Tu%bo&o#(%eso% Cet%*'u+o ,TCC*l ## es un tipo de turbocompresor &ue puede presentar un flujo radial, diagonal, o una combinación de ambos. Por lo tanto, las velocidades perif)ricas de las secciones medias de entrada y salida son sustancialmente diferentes. Los ## cuentan un sistema de rodetes y con un sistema difusor. !l aumentar la capacidad de las plantas industriales, aumenta la demanda de los ##, en sustitución del compresor alternativo. !lgunas aplicaciones del ## son" 2. # para gas natural en gasoductos, en plantas de licuefacción, así como en sistemas de inyección para obtener un aumento de producción en los campos petrolíferos. . # para amoníaco, campo hasta hace unos a4os reservado al compresor alternativo, en las grandes centrales de refrigeración y en la fabricación de goma sint)tica. 3. # para gases de síntesis tales como la mecla nitrógeno5oxígeno para producir amoníaco, impulsión de gas en el proceso Solvay, circulación de los gases de síntesis en el proceso de obtención de productos b%sicos para materiales artificiales. 6. urboplantes de circulación de gases en las centrales nucleares.
2. Ti(os !e Ro!etes *n el ##, el gas entra por el dispositivo de admisión &ue debe garantiar una entrada uniforme del mismo en el rodete con un mínimo de p)rdidas. 7n rodete consta de un cierto n0mero de %labes &ue se fijan de alguna manera. *n general, existen varios tipos"
•
!bierto" %labes fijos al cubo del rodete. *ste tipo de rodete tiene mal rendimiento y poca resistencia, permitiendo solamente velocidades perif)ricas muy pe&ue4as. Por esto, es cada ve menos empleado.
•
#errado" %labes se fijan entre la superficie anterior y posterior. *ste tipo tiene buen rendimiento, pero es de difícil construcción y sólo permite velocidades perif)ricas moderadas. Semiabierto de simple aspiración" %labes se fijan en un solo disco a un lado del mismo. Semiabierto de doble aspiración" %labes se fijan a uno y otro lado del disco.
• •
8oy en día, los rodetes m%s utiliados son los semiabiertos. Llamando
β al %ngulo geom)trico de salida
del %labe, estos se pueden clasificar en" a.
1odete con %labe curvados hacia atr%s +β 9 :;<-
b. 1odete con %labes radiales +β = :; :;<-
Figura 5: odete de turbocompresor con !labes de salida radial" curvados a la entrada" del tipo semiabierto. 'odernamente se emplea cada ve m%s la construcción del rodete tipo semiabierto con %labes de salida radial pero curvados a la entrada, de tal manera &ue el %ngulo
β2 de la velocidad relativa sea el exigido por
una entrada radial de la corriente absoluta + α 2=:;<-. La construcción con salida radial reduce los esfueros centrífugos pr%cticamente a esfueros de tracción? de ahí &ue para la fijación de los %labes sólo se re&uiera un disco +rodete semiabierto-. #on este tipo de rodete se obtienen velocidades perif)ricas elevadísimas, superiores a los 6@; mAs.
2./ Fu&io"#ieto. Di"+%"#"s !e ve)o&i!"!es *l fluido ingresa por una voluta caracol similar a la del compresor centrífugo, para alimentar la periferia uniformemente. Luego pasa por una corona de paletas similar al difusor de paletas del compresor centrífugo, donde ad&uiere una componente radial y se acelera +toberas-. La velocidad absoluta de entrada al rotor se indica en la Bigura : como #2"
Figura #: $iagramas de velocidades %&'ep'erd(
. B"&o !e P%ueb"s *l banco de prueba comprende un compresor centrífugo, el rodete del mismo esta montado sobre el eje del rotor el)ctrico &ue es alimentado con corriente continua. La frecuencia de rotación del rotor se regula mediante el reóstato. *l aire ingresa al compresor por el tubo de medida y el recipiente de aire, la parte delantera del tubo de medida est% perfilada lo &ue viene a ser la Lemniscata de ernoulli, esto ayuda a eliminar las p)rdidas de la presión total al entrar el aire en el tubo de medida. *l aire &ue ingresa es enviado al rodete del compresor. *l aire &ue sale del compresor va a la atmósfera por el recipiente de salida y el estrangulador, accionado por el electromotor, &ue se maneja desde el panel de control. La posición del estrangulador est% controlada por el indicador de aguja, &ue en nuestro experimento consistió en una mina de lapicero. *l banco experimental comprende adem%s el sistema medidor de frecuencia de rotación, de la potencia el)ctrica, de la electropropulsión, el banco pieom)trico para las mediciones de la presión, e&uipos de medida de la presión y de la temperatura del medio ambiente. *l sistema medidor permite medir" •
La presión excesiva est%tica ∆ ) +mm de columna de alcohol-.
•
La presión excesiva total ∆ ) 2 de salida del compresor +mm de columna de alcohol-.
•
La frecuencia de rotación n del compresor +rpm-.
•
*l voltaje U y el amperaje I del electromotor +respectivamente en $ y !-.
•
La presión total ) n y la temperatura total T n del medio ambiente +respectivamente en Pa y C-.
0. P%o&e!i#ieto !e) Es"o 2< *mplearemos, para nuestro experimento, 3 valores para la frecuencia de rotación, )stos son" 6;;;, @@;; y D;;; r.p.m. < !hora, para cada uno de ellos +frecuencia de rotación- haremos variar la posición de la mariposa del estrangulador desde la posición en la &ue est% completamente abierta, hasta &ue est) completamente cerrada y para nuestras pruebas tomaremos 6 posiciones, como se indica en el cuadro siguiente"
POSICIONES 2
DE APERTURA ; +$ertical- otalmente cerrado
3;
3
D;
6
2;; +8oriontal- otalmente abierto
/. Meto!o)o+*" '$%#u)"s ("%" )" ite%(%et"&i$ (oste%io% !e )os %esu)t"!os. @.2 Para la presión total, la adoptamos igual &ue la presión total en el recipiente de entrada, las cuales se calculan usando el coeficiente de p)rdidas s, &ue es igual a ;,:E para este tipo de recipiente.
P2
= σ×P = ;,:E ×P .... [ Pa ] n
n
@. La presión total a la salida del compresor +descarga-"
P3
= P + E,F@ ×∆P .... [ Pa ] n
3
(onde el coeficiente E,F@ convierte la presión de mm de columna de alcohol a pascales.
@.3 La presión est%tica en el tubo de medida +succión-"
P = Pn
− E,F@ ×∆P .... [ Pa ] 2
@.6 *l índice total creciente en la etapa del compresor"
π = #
P3 P2
@.@ La función gasodin%mica π % λ ( en el tubo de medida"
π+ λ - =
P Pn
La magnitud de π % λ ( se calcula con diemil)simos. @.D 7tiliando las tablas de funciones gasodin%micas +v)ase !p)ndice, * + 1"4 para el aire- a partir de la magnitud conocida de la función gasodin%mica π % λ ( se halla la función gasodinamica de la densidad de la corriente
,% λ (.
*s necesario calcular la magnitud con diemil)simos. *s posible tambi)n calcular ,% λ ( mediante las siguientes fórmulas" G
G − 2 π+λ- = 2 − λ ÷ G 2 + 3
G −2
2
2
G + 2 G − 2 − λ ÷ ÷ λ 2 − G 2 + 3
G −2
&+λ - =
3
G 2
@.E *l caudal m%sico del aire en la etapa del compresor"
H=
Pn ×B ×&+λ- ×S n
.... [ Gg A s ]
(onde" & = ;,;6;6 F = %rea de la sección transversal del tubo de medida +B = ;,;;;@D m .T n = :E C. @.F *l caudal reducido del aire"
Hc
=H
2;233;
n
Pn
FF
....[ Gg A s ]
@.: La frecuencia reducida de rotación"
FF
=n
nc
n
.... [ rpm ]
@.2; *l trabajo adiab%tico al comprimir 2Cg de aire en la etapa del compresor"
8 ad
1 × π = G −2 G
n
G −2 G
c
− 2÷.... [ I A Gg ]
@.22 La potencia consumida al girar el rodete"
Je = $ ×K....[ ] @.2 *l trabajo especifico consumido al girar el rodete+teniendo en cuenta las perdidas en los cojinetes y en el electromotor-
8c M =
Je H
....[ I A Gg ]
@.23 *l rendimiento adiab%tico del compresor"
η M= c
8 ad 8c M
@.26 Sabiendo el rendimiento del electromotor + η m = ;,F- y el de los cojinetes + η mec = ;,F@- se puede determinar el trabajo específico al girar el compresor"
8c @.2@ *l rendimiento adiab%tico del compresor"
= 8 M×η ×η c
mec
m
η = c
8 ad 8c
3. Resu)t"!o Pn n
∆P1(mm
= EEF;Pa = :@, @C
OH)
∆P2(mm
OH)
n (rpm)
Nº de Ensayos
V (voltios)
I (Amp. )
4000 4000 4000 4000
1 2 3 4
22 21 18 5.5
18 20 40 40
14.2 13.6 11.5 9.5
8.5 8.3 7.2 8.8
5500 5500 5500 5500
1 2 3 4
32 32 24 30
38 38 68 84
17.4 17.1 14.1 10.2
13.3 13.1 11.7 11.0
6000 6000 6000
1 2 3
50 50 26
60 60 130
17.4 14.8 10.1
13.9 13.3 10.1
PRIMERA PRE!A
,%(#-
A+u)o M"%i(os"
4P25
4P15
6,vo)tios P5,P" I,AF,#72-
4000 4000 4000 4000
100 60 30 0
18 20 40 40
22 21 18 5,5
14.2 13.6 11.5 9.5
8.5 8.3 7.2 8.8
77802
0,00056 0,0404
A+u)o M"%i(os"
P15,P"-
P25,P"-
P ,P"-
"&5 ,P"-
"(#)
9,#)
G G& ,:+;s- ,:+;s-
90
75467,94
77943,3
77629,3
1,033
60
75467,94
77959
77637,15
1,033
30
75467,94
78116
77660,7
1,035
0
75467,94
78116
77758,825
1,03
S
T5,8288
<"! ,=;:+-
Ne -
H$
12299,700 9347,7722 0,9978 0,0965 0,01001 0,01032 2698,912 123,12 3 3 13053,061 9920,3265 0,9979 0,0945 0,0098 0,0101 2698,912 127,92 2 3 12478,309 9483,5150 0,9982 0,0867 0,00899 0,00927 2860,491 112,18 2 2 12216,165 9284,2857 0,9994 0,0513 0,00532 0,00548 2456,123 64,99 4 1
%&$ (') 28,9 27,2 30,2 26,5
PRIMERA PRE!A
,%(#-
A+u)o M"%i(os"
4P25
4P15
6,vo)tios P5,P" I,AF,#72-
4000 4000 4000 4000
100 60 30 0
18 20 40 40
22 21 18 5,5
14.2 13.6 11.5 9.5
8.5 8.3 7.2 8.8
77802
0,00056 0,0404
A+u)o M"%i(os"
P15,P"-
P25,P"-
P ,P"-
"&5 ,P"-
"(#)
9,#)
G G& ,:+;s- ,:+;s-
90
75467,94
77943,3
77629,3
1,033
60
75467,94
77959
77637,15
1,033
30
75467,94
78116
77660,7
1,035
0
75467,94
78116
77758,825
1,03
S
T5,8288
<"! ,=;:+-
Ne -
H$
12299,700 9347,7722 0,9978 0,0965 0,01001 0,01032 2698,912 123,12 3 3 13053,061 9920,3265 0,9979 0,0945 0,0098 0,0101 2698,912 127,92 2 3 12478,309 9483,5150 0,9982 0,0867 0,00899 0,00927 2860,491 112,18 2 2 12216,165 9284,2857 0,9994 0,0513 0,00532 0,00548 2456,123 64,99 4 1
%&$ (') 28,9 27,2 30,2 26,5
EN*A PREVA
,%(#-
A+u)o M"%i(os"
4P25
4P15
6,v-
I,A-
5500 5500 5500 5500
100 60 30 0
38 38 68 84
32 32 24 30
17.4 17.1 14.1 10.2
13.3 13.1 11.7 11.0
77802
0,00056
A+u)o M"%i(os"
P15,P"-
P25,P"-
P ,P"-
"&5 ,P"-
"(#)
9,#)
G ,:+;s-
90
75467,94
78100,3
60
75467,94
78100,3
30
75467,94
78335,8
0
75467,94
78461,4
77550, 8 77550, 8 77613, 6 77566, 5
1,035 1,035 1,038 1,028
P5,P"- F,#72-
S 0,0404
T5,8288
G& <"! ,:+;s- ,=;:+-
Ne -
0,0124 21480,066 2860,491 258,62 1 4 0,0124 21591,362 0,9968 0,1161 0,01204 2860,491 259,96 1 1 0,0107 22203,650 0,9976 0,1004 0,01041 3102,443 231,14 3 3 7938,1443 0,997 0,1122 0,01164 0,012 2293,983 92,4 3 0,9968 0,1161 0,01204
H$ 16324,850 5 16409,435 2 16874,774 3 6032,9896 9
%&$ (') 17,5 17,4 18,4 38
EN*A PREVA
,%(#-
A+u)o M"%i(os"
4P25
4P15
6,v-
I,A-
5500 5500 5500 5500
100 60 30 0
38 38 68 84
32 32 24 30
17.4 17.1 14.1 10.2
13.3 13.1 11.7 11.0
77802
0,00056
A+u)o M"%i(os"
P15,P"-
P25,P"-
P ,P"-
"&5 ,P"-
"(#)
9,#)
G ,:+;s-
90
75467,94
78100,3
60
75467,94
78100,3
30
75467,94
78335,8
0
75467,94
78461,4
77550, 8 77550, 8 77613, 6 77566, 5
1,035 1,035 1,038 1,028
P5,P"- F,#72-
S 0,0404
T5,8288
G& <"! ,:+;s- ,=;:+-
Ne -
0,0124 21480,066 2860,491 258,62 1 4 0,0124 21591,362 0,9968 0,1161 0,01204 2860,491 259,96 1 1 0,0107 22203,650 0,9976 0,1004 0,01041 3102,443 231,14 3 3 7938,1443 0,997 0,1122 0,01164 0,012 2293,983 92,4 3 0,9968 0,1161 0,01204
H$ 16324,850 5 16409,435 2 16874,774 3 6032,9896 9
%&$ (') 17,5 17,4 18,4 38
+ER,ERA PRE!A.
,%(#-
A+u)o M"%i(os"
6000 6000 6000
100 60 30
A+u)o M"%i(os"
P15,P"-
90
75467,94
60
75467,94
30
75467,94
0
75467,94
4P25 4P15 60 60 130
50 50 26
6,vo)tios P5,P" I,AF,#7217.4 1 4.8 10.1
13.9 13.3 10.1
P25,P" P ,P"- "&5 ,P"- "(#) 77409, 5 77409, 78273 5 77597, 78822,5 9 78861,7 77645 5 78273
S
T5,8-
77802
0,00056
0,0404
9,#)
G ,:+;s-
G& ,:+;s-
<"! ,=;:+3021,848
1,037
0,995 0,1458 0,01512
0,01559
1,037
0,995 0,1458 0,01512
0,01559
1,044
0,997 0,1043 0,01082 4
0,01115
1,029
0,998 0,0919 0,00953
0,00982
288
Ne -
27341,269 8 28099,206 3021,848 424,86 3 31081,330 3584,852 336,3 9 15608,604 2375,081 148,75 4 413,4
H$ 20779,365 1 21355,396 8 23621,811 5 11862,539 3
%&$ (') 14,5 14,2 15,2 20
+ER,ERA PRE!A.
,%(#-
A+u)o M"%i(os"
6000 6000 6000
100 60 30
A+u)o M"%i(os"
P15,P"-
90
75467,94
60
75467,94
30
75467,94
0
75467,94
4P25 4P15 60 60 130
50 50 26
6,vo)tios P5,P" I,AF,#7217.4 1 4.8 10.1
13.9 13.3 10.1
P25,P" P ,P"- "&5 ,P"- "(#) 77409, 5 77409, 78273 5 77597, 78822,5 9 78861,7 77645 5 78273
S
T5,8-
77802
0,00056
0,0404
9,#)
G ,:+;s-
G& ,:+;s-
<"! ,=;:+3021,848
1,037
0,995 0,1458 0,01512
0,01559
1,037
0,995 0,1458 0,01512
0,01559
1,044
0,997 0,1043 0,01082 4
0,01115
1,029
0,998 0,0919 0,00953
0,00982
288
Ne -
27341,269 8 28099,206 3021,848 424,86 3 31081,330 3584,852 336,3 9 15608,604 2375,081 148,75 4 413,4
@. G%'i&"s
Pi & 6s Posi&io
1,046 1,044 1,042 1,04 1,038 1,036 i P & 1,034 1,032 1,03 1,028 1,026
4000 rpm 5500 rpm
6000 rpm
0
50
100 Posi&io
I vs Posi&io
150
H$ 20779,365 1 21355,396 8 23621,811 5 11862,539 3
%&$ (') 14,5 14,2 15,2 20
@. G%'i&"s
Pi & 6s Posi&io
1,046 1,044 1,042 1,04 1,038 1,036 i P & 1,034 1,032 1,03 1,028 1,026
4000 rpm 5500 rpm
6000 rpm
0
50
100
150
Posi&io
I vs Posi&io 25 20 15
4000 rpm
- 10 A , I
5500 rpm
5
6000 rpm
0 0
20
40
60
Posi&io , "+ -
80
100
G vs Posi&io 0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 : , G ; + 0,006 s 0,004 0,002 0
4000 rpm 5500 rpm
6000 rpm 0
20
40
60
80
100
Posi&io ,"+u-
<"! vs Posi&io 4000 3500 3000 2500 2000 1500 < : ; = , ! "1000 + 500 0
4000 rpm 5500 rpm
6000 rp 0
50
100
Posi&io ,"+u-
Ne vs Posi&io 450 400 350 300 4000 rpm
250 200
N B , e
5500 rpm
150 100
6000 rpm
50 0 0
20
40
60
Posi&io ,A+-
80
100
