INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE MISANTLA ING. ELECTROMECANICA ELECTROMECANICA
MAQUINAS Y EQUIPOS TERMICOS II ING. ROGELIO ARROYO CRUZ
UNIDAD 5 COMPRESORES ELABORO: PIERRE DAVALOS GUERRA
COMPRESORES.
Contenido
INTRODUCCION. ............................................................................................................................. 3 5.1 CLASIFICACION. ...................................................................................................................... 4 Compresor de pistón. ................................................................................................................... 6 Compresor de tornillo rotativo. ................................................................................................... 7 Compresor de paletas rotativo. .................................................................................................. 7 5.2 ANALISIS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA EN UN COMPRESOR RECIPROCANTE Y CENTRIFUGO. ............................................................................................. 8 5.3 COMPRESION MULTIEPATICA CON ENFRIAMIENTO INTERMEDIO. ...................... 10 5.4 EFICIENCIA ISOTERMICA. ................................................................................................... 12 5.5 EFICIENCIA ISENTROPICA EN EL COMPRESOR. ......................................................... 13 5.6EFICIENCIA POLITROPICA DEL COMPRESOR. .............................................................. 15 5.7TRABAJO IDEAL DEL COMPRESOR. ................................................................................. 17 5.8 TRABAJO REAL DEL COMPRESOR. ................................................................................. 18 5.9 APLICACIÓN TERMODINAMICA DEL COMPRESOR. .................................................... 19 CONCLUSION. ............................................................................................................................... 21 BIBLIOGRAFIA. .............................................................................................................................. 22
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INTRODUCCION. Los compresores móviles se utilizan en el ramo de la construcción o en máquinas que se desplazan frecuentemente. En el momento de la planificación es necesario prever un tamaño superior de la red, con el fin de poder alimentar aparatos neumáticos nuevos que se adquieran en el futuro. Por ello, es necesario sobredimensionar la instalación, al objeto de que el compresor no resulte más tarde insuficiente, puesto que toda ampliación ulterior en el equipo generador supone gastos muy considerables. Es muy importante que el aire sea puro. Si es puro el generador de aire comprimido tendrá una larga duración. También debería tenerse en cuenta la aplicación correcta de los diversos tipos de compresores
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5.1 CLASIFICACION.
Clasificación según el método de intercambio de energía: Hay diferentes tipos de compresores de aire, pero todos realizan el mismo trabajo: toman aire de la atmósfera, lo comprimen para realizar un trabajo y lo regresan para ser reutilizado. El compresor de desplazamiento positivo. Las dimensiones son fijas. Por cada movimiento del eje de un extremo al otro tenemos la misma reducción en volumen y el correspondiente aumento de presión (y temperatura). Normalmente son utilizados para altas presiones o poco volumen. Por ejemplo el inflador de la bicicleta. También existen compresores dinámicos. El más simple es un ventilador que usamos para aumentar la velocidad del aire a nuestro entorno y refrescarnos. Se utiliza cuando se requiere mucho volumen de aire a baja presión.1 El compresor de émbolo: es un compresor de aire simple. Un vástago impulsado por un motor (eléctrico, diésel, neumático, etc.) es impulsado para levantar y bajar el émbolo dentro de una cámara. En cada movimiento hacia abajo del émbolo, el aire es introducido a la cámara mediante una válvula. En cada movimiento hacia
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arriba del émbolo, se comprime el aire y otra válvula es abierta para evacuar dichas moléculas de aire comprimidas; durante este movimiento la primera válvula mencionada se cierra. El aire comprimido es guiado a un tanque de reserva. Este tanque permite el transporte del aire mediante distintas mangueras. La mayoría de los compresores de aire de uso doméstico son de este tipo. El compresor de tornillo: Aún más simple que el compresor de émbolo, el compresor de tornillo también es impulsado por motores (eléctricos, diésel, neumáticos, etc.). La diferencia principal radica que el compresor de tornillo utiliza dos tornillos largos para comprimir el aire dentro de una cámara larga. Para evitar el daño de los mismos tornillos, aceite es insertado para mantener todo el sistema lubricado. El aceite es mezclado con el aire en la entrada de la cámara y es transportado al espacio entre los dos tornillos rotatorios. Al salir de la cámara, el aire y el aceite pasan a través de un largo separador de aceite donde el aire ya pasa listo a través de un pequeño orificio filtrador. El aceite es enfriado y reutilizado mientras que el aire va al tanque de reserva para ser utilizado en su trabajo. Sistema pendular Taurozzi: consiste en un pistón que se balancea sobre un eje generando un movimiento pendular exento de rozamientos con las paredes internas del cilindro, que permite trabajar sin lubricante y alcanzar temperaturas de mezcla muchos mayores. Reciprocantes o alternativos: utilizan pistones (sistema bloque-cilindro-émbolo como los motores de combustión interna). Abren y cierran válvulas que con el movimiento del pistón aspira/comprime el gas. Es el compresor más utilizado en potencias pequeñas. Pueden ser del tipo herméticos, semiherméticos o abiertos. Los de uso doméstico son herméticos, y no pueden ser intervenidos para repararlos. Los de mayor capacidad son semiherméticos o abiertos, que se pueden desarmar y reparar. De espiral (orbital, scroll).
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Rotativo-helicoidal (tornillo, screw): la compresión del gas se hace de manera continua, haciéndolo pasar a través de dos tornillos giratorios. Son de mayor rendimiento y con una regulación de potencia sencilla, pero su mayor complejidad mecánica y costo hace que se emplee principalmente en elevadas potencias, solamente. Roto dinámicos o turbomáquinas: utilizan un rodete con palas o álabes para impulsar y comprimir al fluido de trabajo. A su vez éstos se clasifican en axiales. Compresor de pistón. El compresor de pistón es uno de los más antiguos diseños de compresor, pero sigue siendo el más versátil y muy eficaz. Este tipo de compresor mueve un pistón hacia delante en un cilindro mediante una varilla de conexión y un cigüeñal. Si sólo se usa un lado del pistón para la compresión, se describe como una acción única. Si se utilizan ambos lados del pistón, las partes superior e inferior, es de doble acción. La versatilidad de los compresores de pistón no tiene límites. Permite comprimir tanto aire como gases, con muy pocas modificaciones. El compresor de pistón es el único diseño capaz de comprimir aire y gas a altas presiones, como las aplicaciones de aire respirable. La configuración de un compresor de pistón puede ser de un único cilindro para baja presión/bajo volumen, hasta una configuración de varias etapas capaz de comprimir a muy altas presiones. En estos compresores, el aire se comprime por etapas, aumentando la presión antes de entrar en la siguiente etapa para comprimir aire incluso a alta presión. Capacidades de compresión: El compresor de pistón opera entre 0,75 a 420 KW (1 a 563 CV) produciendo presiones de trabajo de 1,5 a 414 bar (21 a 6004 psi).
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Compresor de tornillo rotativo. El compresor de tornillo es un compresor de desplazamiento con pistones en un formato de tornillo; este es el tipo de compresor predominante en uso en la actualidad. Las piezas principales del elemento de compresión de tornillo comprenden rotores machos y hembras que se mueven unos hacia otros mientras se reduce el volumen entre ellos y el alojamiento. La relación de presión de un tornillo depende de la longitud y perfil de dicho tornillo y de la forma del puerto de descarga. El tornillo no está equipado con ninguna válvula y no existen fuerzas mecánicas para crear ningún desequilibrio. Por tanto, puede trabajar a altas velocidades de eje y combinar un gran caudal con unas dimensiones exteriores reducidas Capacidades de compresión: La gama de tornillo rotativo opera entre 4 y a 250 KW (5 a 535 CV), produciendo presiones de trabajo de 5 a 13 bar (72 a 188 psi). Compresor de paletas rotativo. El compresor de paletas, basado en una tecnología tradicional y experimentada, se mueve a una velocidad muy baja (1450 rpm), lo que le otorga una fiabilidad sin precedentes. El rotor, la única pieza en movimiento constante, dispone de una serie de ranuras con paletas deslizantes que se desplazan sobre una capa de aceite. El rotor gira en el interior de un estator cilíndrico. Durante la rotación, la fuerza centrífuga extrae las paletas de las ranuras para formar células individuales de compresión. La rotación reduce el volumen de la célula y aumenta la presión del aire. El calor que genera la compresión se controla mediante la inyección de aceite a presión.
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El aire a alta presión se descarga a través del puerto de salida con los restos de aceite eliminados por el separador de aceite final. Capacidades de compresión: Los compresores de paletas operan entre 1,1 y 75 KW (de 1,5 a 100 CV), produciendo presiones de trabajo de 7 a 8 y 10 bar (101 a 145 psi). 5.2 ANALISIS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA EN UN COMPRESOR RECIPROCANTE Y CENTRIFUGO. La primera ley de la termodinámica es un principio general que considera que las energías transferidas [Eentra – Esale] como la energía térmica (calor) y la energía mecánica (trabajo) son iguales a la diferencia de las energías transportadas desde el estado inicial 1 al estado final 2 del proceso de flujo [ΔEsistema]. Las energías
transportadas desde el estado 1 al estado 2 en un sistema abierto son la sumatoria de la entalpía, energía cinética y energía potencial:
= ∆ → = A continuación se presenta la aplicación de la primera ley de la termodinámica a un compresor:
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Los Compresores pertenecen a un sistema abierto; se dice que todo sistema abierto trabaja en régimen permanente. Régimen permanente es definido como un proceso en el cual las propiedades del sistema (ya sean propiedades de punto de promediadas) no cambian con el tiempo. Es decir si examinamos ya sea un punto particular del sistema o el sistema como un todo, sus propiedades no variaran con el tiempo. Esto de ninguna manera implica que las propiedades en todos los puntos deben ser idénticas, sino solo que las propiedades de cada punto son invariantes en el tiempo. Las máquinas centrífugas se crearon para obtener grandes capacidades de enfriamiento, alcanzando potencia superiores a 1500 kW. El compresor centrífugo consta esencialmente de una o varias ruedas impulsoras montadas sobre un eje y encerradas en una cubierta de hierro fundido. El gas entra por el centro y es acelerado radialmente en el rodete, cuando pasa por los álabes se acelera y es recogido por una voluta donde la aceleración se convierte en energía de presión. Se suele utilizar compresión en múltiples etapas con enfriamiento intermedio y parcialización continua.
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Son necesarios refrigerantes de alta densidad R-11, R-113. Actualmente se emplea R-134a.
5.3 COMPRESION MULTIEPATICA CON ENFRIAMIENTO INTERMEDIO. La refrigeración por compresión es un método de refrigeración que consiste en forzar mecánicamente la circulación de un refrigerante en un circuito cerrado creando zonas de alta y baja presión con el propósito de que el fluido absorba calor en el evaporador y lo ceda en el condensador. La refrigeración por compresión se logra evaporando un gas refrigerante en estado líquido a través de un dispositivo de expansión dentro de un intercambiador de calor, denominado evaporador. Para evaporarse este requiere absorber calor latente de vaporización. Al evaporarse el líquido refrigerante cambia su estado a vapor. Durante el cambio de estado el refrigerante en estado de vapor absorbe energía térmica del medio en contacto con el evaporador, bien sea este medio gaseoso o líquido. A esta cantidad de calor contenido en el ambiente se le denomina carga térmica. Luego de este intercambio energético, un compresor mecánico se encarga de aumentar la presión del vapor para poder condensarlo dentro de otro intercambiador de calor conocido como condensador y hacerlo líquido de nuevo. En este intercambiador se liberan del sistema frigorífico tanto el
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calor latente como el sensible, ambos componentes de la carga térmica. Ya que este aumento de presión además produce un aumento en su temperatura, para lograr el cambio de estado del fluido refrigerante -y producir el subenfriamiento del mismo- es necesario enfriarlo al interior del condensador; esto suele hacerse por medio de aire y/o agua conforme el tipo de condensador, definido muchas veces en función del refrigerante. De esta manera, el refrigerante en estado líquido, puede evaporarse nuevamente a través de la válvula de expansión y repetir el ciclo de refrigeración por compresión. En el ciclo de refrigeración ideal, en los balances de energía del equipo se desprecian cualquier pérdida o ganancia de calor en las tuberías, considerando que los únicos intercambios de calor que se producen en el sistema, ocurren en el evaporador y en el condensador, a pesar de que se conoce que el fluido refrigerante presenta una temperatura diferente a la de las tuberías y que esto necesariamente produciría un intercambio de calor. En cuanto a la presión las perdidas por fricción en el sistema son completamente despreciables, debido a que las presiones entre los recorridos de las tuberías no varían significativamente. En el equipo se observan que existen 2 zonas de presión, una de presión alta entre el compresor y la entrada de la válvula y la otra de presión baja que se encontró entre la salida de la válvula y la entrada del compresor. Otra modalidad de evaporación del refrigerante corresponde a un arreglo que permite realizar la vaporización del refrigerante a la salida del evaporador, dando una mayor superficie efectiva a este intercambiador al mantenerlo lleno de líquido y, por consecuente, un mayor rendimiento. No obstante lo anterior no es posible de realizar en todo tipo de sistemas de refrigeración ya que requiere de voluminosas instalaciones anexas y sistemas de bombeo para alimentar a los denominados evaporadores inundados, utilizados generalmente en plantas frigoríficas o cámaras de refrigeración industriales. Es así como la máquina frigorífica de refrigeración por compresión desplaza la energía entre dos focos; creando zonas de alta y baja presión confinadas en
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intercambiadores de calor, mientras estos procesos de intercambio de energía se suceden cuando el fluido refrigerante se encuentra en procesos de cambio de estado; de líquido a vapor, y viceversa.
5.4 EFICIENCIA ISOTERMICA.
La eficiencia isotérmica se define como la relación entre el trabajo necesario para comprimir un gas desde la presión P1 hasta la presión P2 a través de un proceso isotérmico y la energía realmente consumida.
= = ( (2) El gas permanece a temperatura constante a través del proceso. La energía interna es removida del sistema en forma de calor a la misma velocidad que es “añadida” por el trabajo mecánico de compresión.
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La compresión o expansión isotérmica es favorecida por una gran superficie de intercambio de calor, un volumen pequeño de gas, o un lapso de tiempo largo. Con dispositivos reales, la compresión isotérmica generalmente no es posible. Por ejemplo incluso en una bomba de bicicleta calienta (genera calor) durante su uso. 5.5 EFICIENCIA ISENTROPICA EN EL COMPRESOR. La eficiencia isentrópica de un compresor es la razón entre el trabajo requerido para elevar la presión de un gas a un valor específico de forma isentropica, y el trabajo actual de compresión:
= Cuando las variaciones de energía cinética y potencial del gas son despreciables, el trabajo requerido por el compresor adiabático es igual al cambio de entalpia; entonces:
= ℎℎ22 ℎℎ H1: entalpía a la entrada del compresor H2a: entalpía a la salida para la condición actual H2s: entalpia a la salida para la condición de compresión isentrópica
La eficiencia isentrópica tiene mayor significado cuando se habla sobre eficiencia de la energía, porque depende directamente de la cantidad de capacidad de
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refrigeración proporcionada por cada entrada de BHP. Cualquier cosa que cause el aumento de la potencia del compresor (para condiciones de presión constantes) reducirá la eficiencia isentrópica. Además, si la potencia permanece constante y la capacidad (eficiencia volumétrica) se reduce, la eficiencia isentrópica también se reduce. La eficiencia isentropica (o adiabatica) se define como la relacion entre trabajo real y trabajo ideal (isentropico):
La temperatura a la entrada y a la salida se puede medir, pero la temperatura de salida isentrópica no, pero escribiendo el trabajo isentrópico con la relación isentrópica:
Sustituyendo en la definición de trabajo:
Al integrar (y usar la ecuación de gas ideal) se obtiene una expresión para el trabajo isentrópico:
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Para gas ideal:
Usando esto y (6) en la definicion de eficiencia isentropica para compresion:
Recordando que:
Se obtiene finalmente:
− 1 = 1
5.6EFICIENCIA POLITROPICA DEL COMPRESOR. El concepto de eficiencia politropica nace de la necesidad de comparar maquinas con diferentes relaciones de presion (la eficiencia isentropica depende de la relacion de comresion como lo muestra la divergencia de las isobarras en el diagrama h-s). La eficiencia politropica se define como la eficiencia isentropica de una infinitesimal que seria constante en todo el proceso. Para un compresor:
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Para gas ideal y proceso isentropico se cumple:
Y en forma diferencial:
Al despejar dTs de (7) y sustituir en (8) se obtiene:
Recordando que la eficiencia politropica es constante por definicion e integrando esta exprecion entre las condiciones de entrada 1 y salida 2 se obtiene:
Analogamente se puede obtener para una turbina:
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La diferencia entre ambos rendimientos esta en su comportamiento en funcion de presiones:
En la practica es comun definir las eficiencias isentropicas y politropicas en funcion de propiedades de estancamiento. La eficiencia politropica puede ser interpretada como una medida de la calidad del diseño y refleja el estado del arte de una maquina, por lo que es util para comparar maquinas. El uso de la eficiencia isentropica es mas apropiado cuando se desea analizar un ciclo o aplicación de interes. 5.7TRABAJO IDEAL DEL COMPRESOR.
El ciclo teorico de trabajo de un compresor ideal se entiende facilmente mediante el estudio de un compresor monofasico de piston de funcionamiento sin perdidas y que el gas comprimido sea perfecto, Fig 1.3. Con esto se da por hecho que el piston se mueve ajustado hermeticamente al cilindro, cilindro, e incluso se considera que el paso del aire hacia y desde el cilindro tiene lugar sin resistencias en valvulas y conductos, es decir, sin cambio de presion.
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5.8 TRABAJO REAL DEL COMPRESOR. Ciclo real. Se estudiará la influencia que ejercen sobre el diagrama del ciclo las condiciones reales (no ideales): - pérdidas de carga en válvulas. - retardos en apertura de válvulas. - compresión y expansión no exactamente politrópicas. Las válvulas de admisión y de escape usuales en los compresores actuales abren o cierran obedeciendo únicamente a diferencias de presión, con un resorte en forma de lámina. Un diseño típico se muestra en la figura 2.8. Siendo F la fuerza que ejercen los resortes en su posición de válvula cerrada, S la sección de pasaje de gas y pT la presión del suministro abastecido por el compresor (generalmente
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la presión en un tanque recibidor, o en la tubería de descarga), la válvula de escape abre cuando: p = pT + F/S Pero cuando comienza a pasar el gas, se produce una pérdida de presión Δpf en
los pasajes, a la vez que aumenta F. En consecuencia, para la condición de válvula abierta y flujo establecido a través de ésta, se tendrá : p = pT + F/S + Δ pf
5.9 APLICACIÓN TERMODINAMICA DEL COMPRESOR. Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir. Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos. * Se encuentran en cada refrigerador casero. * En infinidad de sistemas de aire acondicionado. * En sistemas de generación de energía eléctrica, tal como lo es el Ciclo Brayton. * Se encuentran en el interior muchos "motores de avión", como lo son los turborreactores y hacen posible su funcionamiento. * Se pueden comprimir gases para la red de alimentación de sistemas neumáticos, los cuales mueven fábricas completas.
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CONCLUSION. PIERRE DAVALOS GUERRA: Los compresores son máquinas que sirven
mediante un mecanismo para dispersar el aire que se ha comprimido en los tanques de dicha máquina y mandarla a través de una manera a una aplicación dada, tal como para inflar una llanta un balón, globos o rociar pinturas a cualquier objeto que requiera una presión, al igual que para enfriar un refrigerador etc. Los compresores se utilizan en el ramo de la construcción o en máquinas que se desplazan frecuentemente en el momento de la planificación con el fin de poder alimentar aparatos neumáticos nuevos que se adquieran. Es muy importante que el aire sea puro. Si es puro el generador de aire comprimido tendrá una larga duración. los compresores como máquinas de gran uso dentro de la construcción permitiendo así desarrollar trabajos en un corto tiempo y de una manera más eficaz y limpia. Así como también su correcta forma de uso y mantenimiento para una larga duración.
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BIBLIOGRAFIA. http://sedicomp.com/clasificacion-de-l http://sedicomp.com/clasificacion-de-los-compresores os-compresores//
