1.-Con ayuda de un gráfico describa el proceso y los equipos que forman parte de un sistema de generación de aire comprimido. El esquema básico para el sistema de aire comprimido es:
1) 2) 3) 4) 5)
Aire ambiental Aire relativamente limpio, su presión es inferior a la del punto 1 Aire comprimido, temperatura mayor Tiene por objetivo bajar la temperatura a lo mas que se pueda (ya que este punto debe ser frio) El aire arrastra humedad en este proceso, este entra al separador y cae hacia abajo y sale solo el aire en este punto p5=6 6) Purga de la humedad 7) Aire puro (el tanque pulmon almacena el aire comprimido) 8) Distribución del aire El corazón del sistema es el compresor este tiene que absorber aire pero como este es delicado, el fluido que absorbe, tiene que ser limpio por eso se aspira desde puntos elevados, lejos del polvo y partículas extrañas, esto ocurre a mas o menos 4 m de altura en relación a la posición del compresor para eliminar polvos, hollín, basura que puedan ser retenidos y así evitar su ingreso al compresor y como consecuencia evitar el desgaste por abrasión de este. El compresor succiona con presión menor (presión de vacío o presión negativa) a la atmosférica, y la presión de descarga debe ser mucho mayor a la de succión y obviamente mayor a la presión atmosférica.
PD >>PS, la presión de descarga es mayor a la presión de succión. PS < PAtm, la presión de succión es relativamente menor a la presión atmosférica. PD >> PAtm, la presión de descarga es mayor a la presión atmosférica. Resumiendo: PD>>PAtm>PS
2.-Cual es el tipo de compresor de aire más utilizado en la industria del aire comprimido, Justificar debidamente su respuesta.
Centrífugos; es el más importante, especialmente para grandes aplicaciones. Compresores centrífugos
El principio de funcionamiento de estos Compresores se basa en las leyes de la dinámica de fluidos.
El rápido giro de un “rodete” en el interior de una cámara, transforma la energía cinética del fluido en
energía de presión.
La impulsión del aire puede ser radial o axial.
Generan presiones inferiores a las de los Compresores de émbolo, pero con caudales muy superiores.
Pueden acoplarse directamente a elementos motrices de alta velocidad.
Turbo compresor radial Compresor Centrífugo.- Su nombre se debe a que este equipo aprovecha la fuerza centrífuga generada por la
rotación de un impulsor circular. Debido a la fuerza centrífuga el aire es impulsado primeramente en forma radial en el impulsor y luego en forma tangencial fuera de este, el aire se mueve por efecto de la rotación del impulsor (disco alabeado giratorio) que tiene la siguiente forma:
Este esquema muestra el efecto Descarga
de la fuerza centrífuga sobre el aire, se debe observar además que el fluido es impulsado desde el centro del sistema en forma radial hacia la periferia en los puntos de
Descarga
descarga.
Succión
Ventajas
Producen grandes caudales de aire -
Bajo consumo de energía
- No requieren mucho mantenimiento Desventajas
-
Es un equipo costoso, apto para industrias grandes (Por ejemplo: El Ingenio azucarero Guabirá, la planta refinadora de petróleo “Guillermo Elder Bell”, etc.)
-
Es un equipo que produce demasiado ruido, debido a la alta aceleración que alcanza el aire al salir de los impulsores (velocidad próxima a la velocidad del sonido)
- No produce grandes cargas, produce pequeñas cargas (rc → baja)
3.-Realice una clasificación de los tipos de compresores existentes. COMPRESORES. - Es la parte más delicada y a la vez la más importante del sistema de aire comprimido. TIPOS DE COMPRESORES
Se clasifican en: Desplazamiento positivo (+) ALTERNATIVOS
Rotativos (rotadinamicos) FLUJO CONTINUO
Pueden ser:
PISTON
TORNILLO
AXIALES
DIAFRAGMA
PALETAS
MIXTOS
LOBULARES
RADIALES
Los compresores mas empleados en la industria son los siguientes:
Centrífugos; es el más importante, especialmente para grandes aplicaciones.
Desplazamiento positivo (cilindro – pistón ) es uno de los más comerciales
Tornillo en las medianas y pequeñas empresas no ocupa mucha energía eléctrica
Compresores de diafragma, por ejemplo los compresores que se utilizan en laboratorio
Compresores de cilindro pistón (émbolo).-
El mecanismo interno de un Compresor de émbolos está formado por uno o varios cilindros, que accionados por el sistema biela-manivela, transforman el movimiento giratorio del motor, en el lineal alternativo necesario para el arrastre del émbolo.
Los Compresores de émbolos pueden ser de una o de varias etapas y los émbolos de simple o de doble efecto Los de una etapa se emplean en aplicaciones cuya presión solicitada sea inferior a 10 bar; ya que el aumento de temperatura del aire debido a la compresión, resultaría inadmisible. Entre 9 y 70 bar, se utilizan Compresores de émbolo de dos etapas. La temperatura del aire se mantiene dentro de unos límites aceptables ya que se colocan enfriadores intermedios. El rendimiento es superior al de los Compresores de una etapa. Con compresores multietapa pueden conseguirse presiones de hasta 700 bar. El caudal de salida de un compresor se indica como gasto volumétrico estándar m3n/s, o, m3n/min, o, l/min Q = S *C * Nc *ԝ
Q = Caudal m3/s ; S = Área del cilindro [m2] ; C = Carrera del cilindro [m] Nc = Número de cilindros ; w= Velocidad angular del cilindro [r.p.s]
Compresores de membrana.
Es una construcción especial de los Compresores de émbolo. El aire no está en contacto directo con la cabeza del émbolo, ya que está separado de ella por una membrana elástica y por tanto, libre del aceite que utiliza el Compresor para su engrase. Suministra presiones inferiores a 8 bar y se utiliza en industrias alimentarias y químicas. Compresores centrífugos
El principio de funcionamiento de estos Compresores se basa en las leyes de la dinámica de fluidos. El rápido giro de un “rodete” en el interior de una cámara, transforma la energía cinética del fluido en energía de presión. La impulsión del aire puede ser radial o axial. Generan presiones inferiores a las de los Compresores de émbolo, pero con caudales muy superiores. Pueden acoplarse directamente a elementos motrices de alta velocidad. Compresores rotativos
Funcionalmente ocupan un lugar intermedio entre los Compresores de émbolo y los centrífugos. Suministran presiones mayores que los centrífugos; pero menores que los de émbolo y caudales mayores que los de émbolo, pero menores que los centrífugos. Constructivamente pueden ser: - De paletas - De tornillo - Roots Compresor de paletas.
Su mecanismo interno está formado por un rotor que gira excéntricamente en el interior de un cárter cilíndrico. El rotor dispone de unas ranuras longitudinales en las que se alojan las paletas. Estas paletas se ajustan elásticamente al interior del cárter. Debido a la variación del volumen entre cámaras, se produce la aspiración del aire y su compresión. Necesitan aceite para mejorar la estanqueidad, lubricar las piezas móviles y reducir el rozamiento entre las paletas y el cárter. Compresor de tornillo.
Básicamente, su mecanismo está formado por dos rotores helicoidales que engranan entre sí, ajustados al interior de un cárter. El aire, sin modificación de volumen, es desplazado axialmente entre el hueco de las ranuras helicoidales y las paredes internas del cárter. Como los Compresores de paletas, precisan de aceite para optimizar su funcionamiento.
Compresor roots
En su funcionamiento no hay modificación de volumen. La presión se genera por la aportación de más aire que el que se consume. Su mecanismo interno lo forman dos rotores de una forma especial, que giran en el interior de un cárter. Pueden utilizarse también como bombas de vacío y como medidores de caudal.
4.-Calcular la masa de agua que podría removerse de 250 m3/h de aire comprimido que se halla a 15 atm @ 30ºC. Originalmente el aire se aspiró a 1Atm@30ºC. La presión del vapor de agua a 30ºC, tiene un valor de 4.246 kPa.
5.- Calcular la caída de presión que puede experimentar 150 metros de una línea de aire comprimido fabricada en cobre de 9 mm de diámetro interior. En el origen el aire se halla a 1700 kPa @ 25ºC. con un caudal efectivo de 45 LPM (medido en C.N.). Como el tubo es de cobre y el caudal es bajo puede suponer que el flujo es isotérmico.
8.- Para cierto proceso de la industria se requiere producir 0.1 millares de pies cúbicos estándar por día (0.1MPCSD) de aire comprimido a la presión de P = 100 Psi. Si la temperatura del aire ambiental es de 60 ºF. Determine la potencia necesaria que debe poseer un compresor centrífugo para producir tal demanda de aire comprimido. El calor específico del aire se puede considerar constante y tiene un valor medio de 0.24 Kcal/ Kg. ºC = 1005 J/kg K. Esquema: Resumen de estados:
1
1
P1 = 1atm = 14, 7 Psi T1 = 60 ºF P2 = 100 Psi
2
2
T2 = ?
Compresor Caudal = 0,1 MPCS Se sabe que
W real
23,8%m
%
(T e
T s )
Transformación adiabática – reversible
Cálculo de m m = ρ1 V1 A1
Caudal = V1 A1
m =ρ1 Caudal Caudal = 100 pie 3 / 24 hr (C.E.)
Caudal
4,1667
pie3
h
(*si no especifica el tiempo se toma 1 día)
0,118
m3 h
C.E. = condiciones de presión y temperatura estándar (P=1Atm y T=25°C=298K) T = 25 + 273 = 298 K P = 1atm. = 14, 7 Psi M aire = 28,9 g /mol Cálculo de densidad PV n
nRT
m
M
combinando estas dos expresiones tenemos PV
m
M
RT
, despejando la relación m/V se tiene
m
PM
V
RT
En condiciones estándar (CE ) se tiene m CE
V
P CE M RT CE
Reemplazando datos conocidos tenemos
g
1 Atm 28,9 CE
0,082
Atn L mol K
mol
CE
298 K
1.18
g L
1.18
kg m3
Entonces el flujo de masa de aire será: m ce Caudal ce ,
Reemplazando con valores se tiene :
1.18 m
kg m3
0 ,118
m3 h
0,13924
kg h
Se sabe que el aire tiene el siguiente valor de R
R ' 287.62
Joule kg C
Cálculo de Ts en base a la siguiente fórmula
1
T s T s =
T e (r c )
1.4 1
, Es decir:
100 psi T s 298 K 14.7 psi
1.4
515,3777 K
Rendimiento Se deben considerar los tres tipos de rendimiento; neumático, mecánico y eléctrico: i)
neumático
se adopta por lo general el valor de 70% N
ii)
0.7
mecánico
Al igual que el rendimiento neumático se adopta por lo general el valor de 70% M iii)
0.7
eléctrico
Al igual que los anteriores se adopta por lo general el valor de 70% E
0.7
Rendimiento global
G
G
N M E
0.7 0.7 0.7
0.35
Cálculo de W real
W real
23,8%m %
(T e
T s )
Reemplazando los datos tenemos:
W real
W real
-20,582
23,8 0,13924 35 20,582
ℎ
(298 515,3777)
kcal h 4,184
ℎ 3600 1
= -0,02392
1000
1
= -23,92 J/s = -23,92 Watts
9.- Un compresor descarga aire a una presión de 7.23 kgf ./cm2 a una temperatura de 520K. Originalmente el aire es aspirado de la atmósfera a la temperatura de 25 ºC y a una humedad relativa del 75%. Una vez que el aire pasa por el chiller este se enfría hasta los 25ºC Determine el flujo de agua líquida que se condensa si la carga de aire húmedo es de 150 kg/h .Determine la reducción (en porcentaje) de humedad que se obtiene con este procedimiento.
4
Aire del filtro Chiller
1
2
3
Purga
Aire con baja humedad
Punto
Proceso
1
Variables de estado
El aire ingresa en este punto a la presión
P =1,033 Kg / m2
atmosférica y a la temperatura ambiental, el
T1 = 25 ºC
contenido de humedad es alto
%HR = 75% m1= 150 Kg / h
2
Debido a la compresión el aire se halla a una
P2 = 7,23 Kg / m2
presión y temperatura elevadas.
T2 = 520 ºK m2 = 150 Kg / h
La presión es la misma (ya que los condensadores P =7,23 Kg / m2 3
4
son isobáricos) sin embargo ocurre un
T3 = 25 ºC
enfriamiento
m3= 150 Kg / h
Aquí el aire se expulsa relativamente seco ya que
P4 = 7,23 Kg / m2
el líquido (mas pesado) se elimina en la purga.
T4 = 25 ºC m4 = ?
Cálculo del flujo másico de humedad: Punto 1
Debemos recordar la definición de humedad relativa (% HR): % HR
P V P S
100%
En donde : P V = Presión del vapor de agua en el aire P S = Presión del vapor de agua en el punto de saturación (Se puede hallar en Tablas de vapor de agua saturado)
Despejando P V en esta fórmula tenemos: P V
P S % HR
100%
De las tablas de vapor de agua saturado a 25ºC se tiene que P S = 0,032 Kg/cm2, por lo tanto: 0.032 75
P V
100
0.024
kg cm 2
Aplicando el concepto de fracción molar se tiene: X H O 2
P V P T
n H O
2
nT
Calculando este número tenemos:
kg
0.024
X H O
cm2 kg
2
1.033
0.02323
cm2
X H 2O= 0,02323 n H O
X H O
2
nT
2
m M agua m M aire
Despejado convenientemente la masa de agua se tiene: X H O
magua
2
magua M aire maire M agua
magua 28.9
maire 18
X H O maire 18 2
28,9
0.02323
0.02323 150 18 28.9
2,17
kg h
Esto significa que la humedad arrastrada en el aire que ingresa al compresor es de 2,17 kg/h. Cálculo de de la masa de H2O condensada (purga)
En el punto 3 se supone que el aire se encuentra saturado de humedad, y se tiene: P V
X H
P S
2O
P V
0.032
kg cm 2
, en base a las tablas de vapor de agua saturado a 25°C.
0.032
7,23
P T
0.00443
Y nuevamente tenemos magua
X H O maire 18 2
28,9
0.00443 150 18 28.9
0.414
kg h
Este valor representa la cantidad de humedad que todavía permanece en el aire a la salida del deshumidificador (punto 4). Por lo tanto la masa de agua removida o eliminada será: m H
2 O ( e lim inada)
m H
m H 2O ( e lim inada)
2 O ( 3)
m H
2 O ( 4)
(2,17 0.414)
kg h
Calculo de la reducción porcentual de humedad
%Reducción
%Reducción
m H 2O ( e lim inada) m H 2O (inicial ) 1,756 2,17
100%
100% 80,92%
1,756
kg h
Este resultado es coherente con lo afirmado en la teoría, y significa que el 80,92% de la humedad se elimina por este proceso. 10.-Una línea neumática de 100 metros de longitud y un diámetro interior de 10 mm transporta aire comprimido. En un punto en la entrada la presión es de 810.4 kPa a razón de 40 lt / min. Suponiendo que el aire no experimenta una variación en la temperatura, estimar la presión de salida al cabo de los 100 m y, además, determinar el caudal de salida de aire de la línea. Solución
Caudal = 40 LPM (L/min) P1 = 810,4 kPa = 8 atm. T = 25 ºC = 298K L = 100 m D = 0,01 m Para el cálculo del flujo másico (m) tenemos m = ρVA = ρ1 Caudal1
P 1 M
1
8 28.9
1
reemplazando los valores tenemos…
RT 1
0.082 298
9,46
kg m3
Para calcular el flujo másico tenemos: m
Caudal
3 1 min 1m m 9,46 3 40 min 60 s 1000 L m
kg
6,3067 10 m
L
3
Para calcular el factor de fricción se debe emplear la fórmula de Weymouth f
0.094
D
el diámetro D debe estar medido en “mm” y D = 10 mm
1 3
Reemplazando valores tenemos: f
0.094
10
=0.04363 adimensional.
1 3
Otros cálculos necesarios son: (Área seccional de flujo). A
A
2
4
D
2
4
(0.01m) 2
(0.00007854m 2 ) 2
0.00007854m 2
(7.854 10
5
El número de diámetros de longitud es: L D
100m 0.01m
10000 , adimensional
m
2
)2
7.854 10
6.169 10
5
m
9
2
m
4
kg s
Reemplazando en la ecuación (a) tenemos 9 2 2 810,4 9 , 46 6 . 169 10 810 , 4 P 3 2 6,2067 10 810,4 810,4 0.04363 10000 2 ln P 2
1
2
Aquí se obtiene una ecuación con una sola incógnita P 2. Esta ecuación se resuelve por tanteo suponiendo y valor para P 2 el cual debe ser menor a P 1=810,4kPa. Alternativamente se puede emplear una calculadora que tenga capacidad de resolución numérica de ecuaciones como las calculadoras HP o las TI. Resolviendo para P 2 tenemos el valor de 606,927 kPa. Nótese que se ha insertado el número 1000 para hacer las unidades congruentes si: kPa 1000 kPa 1000
N m2 kg m m2 s 2
Para la que se cumple la restricción: ∆P/ P1*100 % = ((810,4 – 606,927)/810,4) * 100% = 25,1%
Para calcular el caudal de salida se sabe que : P 2 2
2
P2 M RT 2
606,927kPa = 6 Atm y la densidad del aire será:
, reemplazando los valores tenemos…
6 x28,9
0,082 x298
7,096kg / m3
Para calcular el flujo másico tenemos: m 2 Caudal2 , despejando el caudal se tiene:
=
Caudal 2
m
2
Se sabe que: m
6,2067 10
6,2067 x10
Caudal 2
Caudal 2
kg
3
s
3kg / s
7,096kg / m3
52,48l / min
0,000875m3 / s
52,48 LPM
El caudal aumentó de 40 LPM a 52,48 LPM a la salida.
