compresores centrifugos
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Compresores
Son equipos que incrementan la presión de un gas, un vapor o una mezcla de
gases y vapores. La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen específico
del mismo durante su paso a través del compresor. Se emplean principalmente
para refrigeración, acondicionamiento de aire, calefacción, transporte por
tuberías, almacenamiento de gas natural, craqueo catalítico, polimerización y en
muchos procesos quimicos. Según la forma de compresión se clasifican en:
a. Compresores de Desplazamiento Positivo:
Son compresores de flujo intermitente, que basan su funcionamiento en tomar
volúmenes sucesivos de gas para confinarlos en un espacio de menor volumen;
logrando con este efecto, el incremento de la presión. Se dividen en
dos grupos reciprocantes.
b. Compresores Dinámicos:
Son máquinas rotatorias de flujo continuo en la cual el cabezal de velocidad del
gas es convertido en presión; estos compresores, se dividen de acuerdo al flujo
que manejan en centrifugo (flujo radial) y axiales (flujoaxial) y flujo mezclado.
COMPRESORES CENTRIFUGOS
Reciprocante
Es una máquina de flujo continuo en la cual uno o más impulsores en rotación
agregan energía al gas. El flujo del gas entra en el centro del impulsor y es
descargado por la periferia del mismo a mayor velocidad y presión. Los
compresores centrífugos impulsan y comprimen los gases mediante ruedas de
paletas.
El compresor centrífugo se fundamenta esencialmente en una o varias ruedas
impulsoras, montadas sobre una flecha (eje) de acero y encerradas en una
cubierta de hierro fundido. El número de impulsores (turbinas) que se puede
ensamblar depende principalmente de la magnitud de la presión que queremos
desarrollar durante el proceso de compresión .Las ruedas impulsoras rotativas son
esencialmente las únicas partes móviles del compresor centrífugo y por tanto la
fuente de toda la energía impartida al vapor durante el proceso de compresión. La
acción del impulsor es tal, que tanto la columna estática como la velocidad del
vapor, aumentan por la energía que se imparte al mismo.
De forma ideal, un compresor dinámico aumenta la presión del fluido a base de
comunicarle energía. Esta energía cinética se transforma en un incremento de
presión estática cuando el fluido pasa por un difusor.
Funcionamiento
Un compresor centrífugo eleva la presión de un gas, acelerando primero las
moléculas de gas y luego convirtiendo la velocidad de las mismas (energía
cinética), en presión (energía potencial) que tiene lugar en el rodete . El gas entra
al ojo (centro) del impulsor y es acelerado hacia la periferia del mismo, a medida
que este gira. Inmediatamente después, el gas entra a un difusor donde su
dirección es cambiada, causando desaceleración, lo cual convierte la energía
cinética del gas en energía potencial (presión). Si se quiere conseguir una presión
mayor, la cámara de retorno dirige el gas hacia el ojo del siguiente impulsor. El
gas
entraposteriormente en un colector o voluta al terminar una etapa de compresión y
el descargado al proceso o pasa a un intercambiador de calor antes de ir a otras
etapas de compresión
COMPRESORES AXIALES
. En los compresores de este tipo la corriente de aire fluye en dirección axial, a
través de una serie de álabes móviles situados en el rotor y de otros fijos situados
en la carcasa o estator, concéntricos todos ellos al eje de rotación. A diferencia de
la turbina, que también emplea álabes fijos y móviles, el recorrido de la corriente
de un compresor axial va disminuyendo de área de su sección transversal, en la
dirección de la corriente en proporción a la reducción de volumen del aire según
progresa la compresión de escalón a escalón.
El aire al salir del compresor pasa a través de un difusor que lo prepara para
entrar a la cámara de combustión.
Funcionamiento
El compresor de flujo axial consta de múltiples rotores a los que están fijados los
álabes cuyo perfil es aerodinámico. El rotor gira accionado por la turbina, de
manera que el aire es aspirado continuamente hacia el compresor, dónde es
acelerado por los álabes rotativos y barrido hacia la hilera adyacente del álabes
del estator.
Este movimiento, por tratarse los álabes de perfiles aerodinámicos, crea una baja
presión en el lado convexo (extrados o lado de succión) y una zona de alta presión
en el lado cóncavo (intrados o lado de presión). El aire, al pasar por los álabes,
sufre un aumento de velocidad sobre la parte convexa inicial del perfil, para
reducirse luego cuando prosigue el movimiento hacia el borde de salida. Ocurre
por lo tanto un proceso de difusión. Este proceso se desarrolla a lo largo de todas
las etapas que componen el compresor.
La elevación de presión del flujo de aire se debe a este proceso de difusión, que
tiene lugar en los pasajes de los álabes del rotor y en un proceso similar realizado
en los álabes del estator. El estator sirve además para corregir la deflexión dada al
aire por los álabes del rotor y para que el aire pueda presentar el aire con el
ángulo correcto a la siguiente etapa, hacia la próxima etapa de los álabes del
rotor. La última hilera de los álabes del estator actúan como “enderezadores del
aire” a fin de limitar la turbulencia de manera que el aire ingrese al sistema de
combustión a una velocidad axial suficientemente uniforme.
A través de cada etapa el aumento de presión es muy pequeño, entre 1:1,15 y
1:1,35. La razón que motiva tan pequeño aumento de presión es que si se desea
evitar el desprendimiento de la capa límite y la consiguiente entrada en pérdida
aerodinámica de los álabes, el régimen de difusión y el ángulo de incidencia deben
mantenerse dentro de ciertos límites. La pequeña elevación de presión en cada
etapa, junto con la trayectoria uniforme del flujo de aire, contribuye a lograr la alta
eficiencia del compresor axial.
A medida que el aire avanza a través de las diferentes etapas del compresor la
densidad del aire aumenta, a la vez que la presión. Para mantener constante la
velocidad axial del aire a medida que se incrementa su densidad, desde el
extremo de baja presión hacia el de alta presión existe una reducción gradual en el
área anular de circulación de aire, entre el eje del rotor y el alojamiento del estator.
Es posible disminuir el área anular de circulación por aumento gradual del
diámetro del rotor, por disminución del diámetro de la carcasa, o por una
combinación de ambos.
COMPRESORES RECIPROCANTES
Es un máquina que admite un gas, lo comprime y lo descarga a una mayor
presión, trabaja con un proceso de cuatro etapas, que se dan en una vuelta del
cigüeñal, es decir en 360 grados, las cuales son: compresión, descarga,
expansión y succión.
son compresores de desplazamiento positivo de gran utilidad, debido a que
poseen mayor flexibilidad operacional que un compresor centrífugo; y por esto
pueden denominarse compresores de carga variable; a pesar de manejar menores
flujos de gas ,pueden alcanzar altas presiones y en muchos casos con un cambio
en la velocidad de giro, diámetro del cilindro o ajuste de bolsillos (revamping) se
ajustan a nuevas condiciones de operación de la instalación.
Un compresor reciprocante es básicamente un tipo de bomba en donde el aire es
comprimido por un pistón que se mueve dentro de un cilindro. El pistón es
empujado, por una biela conectora y un cigüeñal movido por algún tipo de motor.
Funcionamiento
Es un compresor de desplazamiento positivo, en el que la compresión se obtiene
por desplazamiento de un pistón moviéndose lineal y secuencialmente de atrás
hacia adelante dentro de un cilindro; reduciendo de esta forma, el volumen de la
cámara (cilindro) donde se deposita el gas; este efecto, origina el incremento en la
presión hasta alcanzar la presión de descarga, desplazando el fluido a través de la
válvula de salida del cilindro. El cilindro, está provisto de válvulas que operan
automáticamente por diferenciales de presión, como válvulas de retención para
admitir y descargar gas. La válvula de admisión, abre cuando el movimiento del
pistón ha reducido la presión por debajo de la presión de entrada en la línea. La
válvula de descarga, se cierra cuando la presión en el cilindro no excede la
presión de la línea de descarga, previniendo de esta manera el flujo reverso.
.
1. Compresión, durante este proceso el pistón se desplaza desde el punto
inferior, comprimiendo el gas hasta que la presión reinante dentro del cilindro sea
superior a la presión de la línea de descarga (Pd). Las válvulas succión y descarga
permanecen cerrada.
2. Descarga, luego de que la presión reinante dentro del cilindro sea superior a la
presión de la línea de descarga (Pd) que es antes de que llegue al punto murto
superior, la válvula de escape se abre y el gas es descargado, mientras que la de
succión permanece cerrada.
3. Expansión, durante este proceso el pistón se desplaza desde el punto muerto
superior hasta que la válvula de succión se abra durante la carrera de retroceso o
expansión, que será cuando la presión reinante en el interior del cilindro sea
inferior a la presión del vapor de succión (Ps).
4. Succión, luego de que la válvula de succión se abrió, que es un poco después
del punto muerto superior, ingresa el fluido, y el pistón se desplaza hasta el punto
muerto inferior, al final de la carrera de succión, la velocidad del pistón disminuye
hasta cero, igualándose las presiones del exterior y del interior del cilindro (aunque
por la velocidad del pistón no exista tiempo material a que éste equilibrio se
establezca); la válvula de succión se cierra, la válvula de descarga permanece
cerrada.
Tipos de compresores Ventajas DesventajasAplicación
Compresores
centrífugos
Se necesitan velocidades
muy altas en las puntas
para producir la presión.
.3.Un aumento pequeño
en la caída de presión en
el sistema de proceso
puede ocasionar
reducciones muy grandes
en el volumen del
compresor
se usan también en pequeñas turbinas de gas como APUs (generadores auxiliares) y motores turborreactores de pequeñas aeronaves (turboejes de helicópteros y algunos turbohélices).
Compresores axiales
.
* Mayores relaciones de presión
obtenibles mediante múltiples etapas de
compresión.
* Una menor área frontal y en
consecuencia menor resistencia al
avance.
* Menores pérdidas de energía debido a
que no existen cambios considerables
en la dirección del flujo de aire.
* Difícil manufactura y altos costos de producción. * Peso relativamente mayor al del compresor centrífugo por la necesidad de un mayor número de etapas para la misma relación de presión.* Alto consumo de potencia durante el arranque. * Bajo incremento de presión por etapa.
Combustión para
turbinas a gas.
Túneles de viento.
Altos hornos.
Ventilación.
Agitación de
aguas residuales
Compresores
Reciprocantes
Mayor flexibilidad en capacidad de flujo y
rango de presiones.
Más alta eficiencia y costo de potencia más
bajo.
Capacidad de manejar pequeños volúmenes
de gas
.
Presentan menores temperaturas de descarga
por su enfriamiento encamisado
Fundaciones más grandes
para eliminarlas altas
vibraciones por el flujo
pulsante.
Los costos de
mantenimiento son 2 a 3
veces más altos que los
compresores centrífugos
.
Refinerías y Petroquímica
Petróleo y Gas
Levantamiento artificial,
reinyección, tratamiento de
gas, almacenamiento de
gas, transmisión, gas
combustible,
booster, distribución de gas.Sin embargo
PROBLEMAS DE OPERACIÓN EN COMPRESORES DE TURBINAS DE GAS
Existe un límite por el cual el compresor dejará de operar en condiciones
estables conocido como “surge” o inestabilidad. La inestabilidad se produce
cuando la presión de admisión del compresor es mayor que la de descarga. En
esta situación el compresor será incapaz de impeler el flujo en la dirección
deseada, resultando esto en una separación y una inversión del sentido del
flujo.
Bombeo del compresor (Surge)
El fenómeno del surge ocurre cuando la velocidad de rotación del compresor no es
la suficiente como para gestionar todo el caudal de aire presente en su interior. En
ese momento, los álabes móviles (palas o aspas) del rotor empujan el aire hasta
hacerle alcanzar una velocidad supersónica, con lo cual la densidad del aire se
hace tan grande que se tropieza con los álabes de la etapa siguiente sin poder
continuar su desplazamiento hacia la descarga. Crea pues una barrera contra la
cual choca el aire que sigue siendo empujado por las etapas anteriores, creándose
una contrapresión que rebota hacia atrás. Este es el fenómeno del surge que
podría llegar a destruir el compresor. Pero mientras esto no ocurra, dicha presión
acaba por encontrar un escape hacia delante y el fenómeno se repite de forma
cíclica mientras no se corrija la situación. Por eso se le llama "bombeo" ya que la
presión se acumula y se descarga alternaticamente como podría ocurrir en una
bomba.
El sistema de anti bombeo (o anti surge) suele consistir en una extracción de aire
en una (o más) etapa intermedia o en un limitador del caudal de entrada.
En el bombeo puede ocurrir problemas principalmente de dos zonas:
• Zona aire: obstrucción del silenciador de entrada de aire al turbocompresor,
compresor dañado, enfriador del aire de barrido, rejilla de protección de entrada de
aire al compresor
.
• Zona gases: anillo de toberas de la turbina, economizador y silenciador de los
gases de escape, y depósitos en los álabes de la turbina de gases
Mapa de compresor
Cuando se diseña un nuevo compresor con cada uno de los componentes
mencionados, se definen sus prestaciones y se establece el rango de operación
que depende de las limitaciones de funcionamiento. En otras palabras, se definen
los rangos de consumo de flujo másico, los límites de velocidad de giro, los
valores de relación de compresión que se pueden obtener y la eficiencia que el
compresor es capaz de alcanzar en su trabajo de compresión para un
determinado valor de gasto másico. Toda la información basada sobre la
funcionalidad del compresor se puede
resumir en un solo gráfico donde se representan cada una de las variables antes
mencionadas (gasto másico, relación de compresión, velocidad de giro y
eficiencia), aunque también pueden ser expresadas por medio de los puntos de
equilibrio definidos mediante la potencia del compresor y la resistencia que genera
el sistema en que se encuentre el compresor, al que se le denominará sistema de
compresión y que comprende: aguas arriba del compresor desde la atmósfera y
aguas abajo, desde éste hasta el elemento que genera la resistencia en el
sistema, como por ejemplo, una válvula de control de caudal o bien, por ejemplo,
las válvulas de admisión de un motor.
El gráfico que contiene dichas variables es llamado comúnmente mapa de
compresor. Para poder obtener dicho mapa, el compresor es sometido a un
estudio experimental en que se miden cada una de las variables involucradas
(presión temperatura, gasto másico y régimen de giro del rotor). Al finalizar el
estudio, se relacionan cada una de las medidas de los diferentes parámetros y se
establece el mapa en que se hallan los rangos de caudal másico y relación de
compresión de trabajo y los límites de funcionamiento para cada velocidad de giro
del rotor del compresor. El procedimiento de caracterización de compresores es
válido tanto paralos axiales como para los centrífugos.
En la figura 2.3 se muestra un mapa de compresor, donde las curvas de trazo
continuo constituyen los valores constantes de la velocidad de giro. Cada uno de
los puntos de estas curvas es determinado por medio del valor del caudal másico
que consume el compresor corregido con las condiciones a la entrada del
compresor y la relación de compresión total a total. El mapa de compresor puede
ser considerado como una función escalar porque permite relacionar cada una de
las variables que intervienen sin necesidad de establecer una expresión
matemática para tal fin. De todas formas existe la posibilidad de dar una expresión
sencilla a esta relación mediante la ecuación (2.1) y (2.2). La primera de ellas
expresa el valor de la relación de compresión como función del gasto másico y de
la velocidad de giro del rotor del compresor, mientras que la segunda expresa la
eficiencia en función de las mismas variables anteriores
La eficiencia o rendimiento del compresor para cada uno de los puntos que
componen el mapa, se presenta en trazos discontinuos mediante líneas de forma
más o menos elípticas que representan valores constantes de rendimiento en todo
el rango de operación
También es posible representar un mapa de compresor por medio de las curvas
resistentes impuestas por el sistema de compresión y las líneas de velocidad de
giro constante, como se representa por medio de la figura 2.4. Esta forma de
presentar el mapa del compresor es usada por muchos investigadores para
mostrar la fuerte vinculación que existe entre el equilibrio del sistema de
compresión, en donde se encuentra funcionando el compresor, con la transición a
la inestabilidad del sistema debido a la aparición de inestabilidades aerodinámicas
acontecidas en algún o algunos
de los componentes del compresor, sobre todo en los vanos del difusor o bien en
las palas del rotor[2.14][2.15].
Cabe acotar que dos compresores de iguales en geometría y en perfiles
aerodinámicos de sus álabes, deben tener el mismo mapa. Esto debe tomarse
como algo lógico siempre y cuando no se tengan en cuenta cuestiones tales como
la dispersión en la mecanización y fabricación de los componentes que componen
los compresores, tales como, álabes de rotor o difusor. Esto puede traer alguna
leve variación del mapa, aunque muchas veces ésta llega a ser despreciable por
los fabricantes de estos componentes. En general, por cuestiones de rentabilidad,
se usan diferentes escalas de un mismo diseño de palas, para satisfacer la
demanda de distintas ramas de la industria. Como ejemplo vale el caso de los
rotores de los compresores centrífugos, en que para poder ser empleados en
diferentes cometidos para distintos rangos de caudal consumido por el compresor
junto a la relación de compresión usan los mismos álabes aunque variando la
anchura y largo. Japikse en una de sus publicaciones [2.16] muestra cómo un
mismo diseño de compresor puede valer para muchas utilidades dependiendo de
su tamaño, es decir, un compresor con las mismas características aerodinámicas
al que solo se le aumenta su tamaño para ser usado en distintos trabajos
Choque
Los puntos de choque están relacionados con el fenómeno de compresibilidad
provocado por las velocidades cercanas al valor sónico dentro del compresor. El
área transversal del canal, formado por dos álabes, es afectada por una onda de
choque provocada por la alta velocidad del gasto másico. En consecuencia el
valor del gasto másico tiene un límite porla estrechez de la garganta formada porla
onda de choque, sin que se pueda ser superado dicho valor.
Cualquier velocidad de giro en un compresor es capaz de trasegar un máximo
valor de caudal, limitado por la aparición de fenómenos de compresibilidad que
limitan el área de paso por los canales formados entre cada pala del rotor. Es un
fenómeno que se observa tanto en compresores axiales como centrífugos. El
efecto de compresibilidad puede aparecer en cualquiera de los dos componentes
del compresor siendo factible su aparición sobre la salida del rotor y entrada a
difusor, ya que en general es en esa zona donde se alcanzan las mayores
velocidades de avance del gasto másico.
http://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/1974/tesisUPV2737.pdf
http://books.google.co.ve/books?id=3NkfbokoggcC&pg=PA4579&dq=caracteristicas%20-
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