Laboratorio de Termofluidos
COMPRESORES DE 2 ETAPAS Roman Lino Magaly Carolina Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil - Ecuador
[email protected] Resumen La compresión de 2 etapas es un sistema más eficiente que permite mejorar el sistema de refrigeración al mismo tiempo que disminuye el consumo energético. Hacemos uso de la primera ley de termodinámica para hallar el flujo másico. Compresión en 2 etapas consiste en la compresión de aire que ingresa al compresor de 1era etapa, por lo que se producen cambio de temperatura y presión, luego este aire pasa por un intercambiador de calor para llegar al compresor de 2da etapa donde disminuye la temperatura cuando se mezcla con agua. Esto permite que mayor cantidad llegue al sumidero y de esta manera comenzar el ciclo otra vez aumentando la eficiencia del proceso.
Palabras Clave: Primera ley de termodinámica, Proceso Isotérmico, Proceso Politrópico, Proceso
adiabático, Balance de energía.
Abstract
2-stage compression is a more efficient system that improves the cooling system while reducing energy consumption. We make use of the first law of thermodynamics to find the mass flow. Compression in 2 stages consists in the compression of air that enters the first stage compressor, so there is a change in temperature and pressure, then this air goes through a heat exchanger to reach the 2nd stage compressor where the temperature decreases decreases when mix with water This allows more to reach the sink and thus start the cycle again increasing the efficiency of the process.
Key Words: First law of thermodynamics, Isothermal Process, Polytropic Process, Adiabatic Process,
Energy Balance.
Introducción
Un sistema de Compresión de 2 etapas es más eficiente desde el punto de vista de consumo energético vs el aire entregado.
Este modelo de compresión permite llegar a altas presiones es por eso que es posible su uso en aplicaciones industriales, donde la presión de trabajo está entre 250 – 250 – 500 500 psi.
1
El sistema frigorífico consiste en forzar la circulación del gas por 2 etapas, denominadas de alta y baja presión por el interior de un compresor. Los gases ya comprimidos en la 1era etapa se mezclan con los gases provenientes de la vaporización de parte del flujo másico del refrigerante condensado el cual es evaporado por la válvula de expansión termostática, para así llevar a cabo el fenómeno de refrigeración a baja temperatura. Al flujo másico ya evaporado se lo denomina flujo másico intermedio. Estos dos flujos entran a la etapa de gran compresión con menor temperatura y con gran caudal. En este sistema intervienen 3 tipos de procesos, que son Politrópico, Isotérmico y Adiabático. Cuando existe una relación constante entre el volumen y la temperatura entonces nos referimos a un Proceso Politrópico. Isotérmico es cuando durante el proceso la temperatura se mantiene constante. Un Proceso Adiabático es aquel donde no existe transferencia de energía en forma de calor. Y un Proceso Isentrópico que es reversible.
Cuando se trabaja con un proceso politrópico no reversible se sabe que:
Ec. 4:
̇ = ṁc ΔT
Ec. 5:
cn=
n
(−) −
Se sabe que el aire es un as ideal, entonces:
1) ̇ = ṁc (−) 1( −
Ec. 6:
v
Después de aplicar la ec. de flujo estacionario y la relación de presiones:
= () =
Ec. 7:
Donde: ZP: relación de compresibilidad n : índice politrópico. Definimos a continuación el Trabajo realizado por los diferentes procesos. ̇ es negativo porque se pierde calor y entonces reescribiendo la ecuación de flujo tendríamos:
Ecuación de flujo estacionario:
Ec. 1:
Ec. 2:
W= h1-h2+K1-K2+Q
Ẇ + Q = ṁ(h1-h2+ )
En este flujo no existe gran diferencia entre velocidades de entrada y salida por lo que el flujo viene dado por:
Ec. 3:
Ẇ = ṁ(h1-h2) +Q
Donde: h : entropía del fluido [KJ] K : Energía Cinética [KJ] Q : Energía en forma de calor [KJ]
Ec. 8:
Donde: Ẇ p: Potencia Politropica [KW]
ṁ: Flujo masico de Aire[kg/s] R: constante de gas [KJ/Kg K]
Cuando el trabajo es isotérmico se conoce que Δh=0 y W=Q por lo tanto se retiene lo siguiente:
PQ=P1V1In( ) P1V1=P2V2 La potencia Isotérmica:
Ẇ : Potencia entregada [KW]
̇ : Flujo de calor [KW]
ṁ [ 1]
Ẇ p = (−)
Ec. 9:
Ẇ is =
ṁ ()
2
Aplicando Conservación de energía
Procedimiento Experimental Ec. 10:
̇
H2O =
ṁ aCpaire(T3 – T4 ) CaH2O(T6 – T5 )
Durante la práctica se separó en dos grupos. Un grupo estaría a cargo de la toma de datos d la 1era etapa el otro de la 2da etapa. Se hizo una toma referencial y se procedió a abrir los compresores quienes trabajan a 600 rpm. Por medio de la válvula se regula la presión hasta 2 bares en la 2da etapa. El fluido (aire) que entra en el 1er compresor donde eleva tanto su temperatura y su presión después al pasar por el intercambiador de calor pierda así temperatura y después ingresa una vez mas donde el compresor que volverá a elevar su temperatura. Después el fluido pasa ya por un sumidero y es ahí donde se procede a tomar datos de temperatura y presión.
Para obtener eficiencia
Ẇ
Ec. 11:
ղis = =
Ec. 12:
ղ po = =
Ẇ
Donde: ղis: Eficiencia isotérmica ղ po: Eficiencia Politropica
Equipos e Instrumentación
COMPRESOR DE AIRE
GILKES GT102 AIR COMPRESOR
RESULTADOS
I ETAPA P1
P2
P3
∆P
T1
T2
T3
F
mmH2O
bar
mmH2O
mmH2O
C
C
C
N
23.5
1.5
21
83.5
30
105
30
21
22.5
1.3
18
120
30
110
30
18
23
1.2
12
96
30
139
35
22.5
1.2
14
115
30
120
35
23
1
11.5
104
35
120
40
Tabla 1 Datos de Compresor de 1era Etapa
II ETAPA
3
N (rpm) 600
P1
P2
T1
T2
T3
T4
T5
T6
Ww
F
N
mmH2O
bar
mmH2O
mmH2O
C
C
C
C
lt/min
N
RPM
1.5
6
30
105
55
29
27
29
1.5
18
600
1.5
5
32
115
68
30
28
30
1.5
15
600
1.4
4
32
110
70
30
28
30
1.5
12
600
1.3
3
33
98
73
30
28
30
1.5
8.5
600
1.2
2
34
80
74
30
28
30
1.5
3.5
600
Tabla 2 Datos de Compresor de 2da Etapa Flujo másico de aire ṁaire
Indice Politrópi co n
0.02605 1.03533 1.03811 0.02605 1.05146 0.02584 0.02584 1.04305 0.02563 1.04163 Tabla 3 Resultados del compresor
ṁ aire Ẇp Ẇis Ẇmec ղ po ղis
Trabajo Politrópi co Ẇp
0.1367 0.13788 0.14264 0.13889 0.13716
Trabajo Isotérmi co Ẇ is
0.1221 0.1221 0.1211 0.1211 0.1201
Trabajo mecáni co
Ẇmec
Eficienci a Politrópi ca
Eficienci a Isotermi ca
0.2310 0.1980 0.2145 0.2145 0.2145
0.5918 0.6964 0.6649 0.6475 0.6394
0.5286 0.6167 0.5646 0.5646 0.5599
0.025882 0.138654 0.121300 0.214500 0.648000 0.566880
Tabla 4 Resultados valores promedios
Análisis de los Resultados La eficiencia Politrópica obtenida fue de un 65% y la Isotérmica de un 57% aproximadamente. Este valor nos permite relacionar la energía consumida sobre la energía entregada a sistema para su funcionamiento.
Referencias Bibliográficas/ Fuentes de Información (Wikipedia) (Yunus A. & Michael A., 2012, pág. 14) (Yunus A. & Michael A., 2012, pág. 60)
Bibliografía:
Conclusiones y Recomendaciones
La eficiencia del sistema, ya que consume menos energía y emite mayor cantidad de aire.
ESPOL, Formato Reporte de Laboratorio de Instrumentación Básica ESPOL, Formato Reporte de Laboratorio
4
de Ciencia Materiales.
de
Ẇp = Anexos
.
(0.02605 )(1.03533)(.7)() 1.5 . [0,00230 (.)(1.03533−)
1]
Ẇ p = 0.1367 [KW]
CALCULOS: Cálculo de P3 en la Primera Etapa
-
= 0.098 ∗ 10−33 ′ + = 0.098 ∗ 10−3(21) ′ + 3
-
La siguiente ecuación se calcula el trabajo isotérmico de ambas etapas.
0
Ẇ is =
ṁ ()
Ẇ is =
(0.02605 )(.7)() 1.5 ( 0,00230) .
3
1.01325=1.015[bar]
Con la siguiente ecuación se calcula la masa de aire
-
̇
-3 aire =6.5744*10 (
7 ⁄ . [ ]
̇
aire =0.02605
-
,∗. ∗ ) ∗
Ẇ is =0.122[KW] -
Ẇ =(1.833*10-5)*F*N Ẇ =(1.833*10-5)*(21)*(600) Ẇ =0.231 [KW]
[⁄]
Aplicando la siguiente Ecuación se calcula el índice Politrópico
Se calcula el trabajo mecánico de ambas etapas de la siguiente ecuación.
-
n= − = −
Eficiencia Politrópica :
Ẇ
.7 .
ղ po =5.0532
Para el compresor de 1era etapa se obtiene:
. . n= . − .
ղ po = = =
-
Eficiencia Isotrópica
Ẇ .
ղis = ==.
ղis =0.528
n =1.03533 -
Con la siguiente ecuación se calcula el trabajo Politrópico de ambas etapas: Donde el equivalente mecánico de calor 120[
∗⁄ ]
ṁ Ẇ p = (−) [ 1]
Flujo másico del agua
̇ ̇ ̇
ṁ aCpaire(T3 – T4 ) CaH2O(T6 – T5 ) (0.02605 )(1.005)(328–302 ) H2O = (4.186)(302 –300 ) H2O =
H2O =0.0813
[kg/s]
Para valores mas certeros se realiza un valor promedio para obtener el flujo másico.
5
∑ ṁ H2O = .+.+.7+.+.+.7 =
̇
H2O total =
0.119461 -
Eficiencia para el compresor de primera etapa :
∑ ղ
ղ po =
=
.+.+.7+.+.+.7 =
0.119461 FIGURAS
Ilustración 1Compresor 1era Etapa
Ilustración 2 Compresor de 2da Etapa
6
