labo compresor
TRANSCRIPT
Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNI -FIM
UNIVERSIDAD NACIONAL
DE INGENIERIAFacultad de Ingeniería
Mecánica Laboratorio Nº 1
COMPRESOR DE DOS ETAPAS
Curso LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA
III(MN 464 A)
Profesor ING. Tulio
Alumnos Apellidos y Nombres CódigoANGELES CASTRO Rolando 20061010K
ASTO AZPUR Anelver 20062549K
FLORES PONCE Elmer 20061093C
HUARCAYA ALVAREZ Noé 20062571F
ROJAS CANECILLAS Gianfranco 20064512G
Compresor de dos etapas
Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNI -FIM
I N D I C E
I. INTRODUCCION
II. OBJETIVOS
III. FUNDAMENTO TEÓRICO
IV. EQUIPOS UTILIZADOS
V. PROCEDIMIENTO
VI. HOJA DE DATOS
VII. EJEMPLO DE CALCULO
VIII. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES
IX. BIBLIOGRAFÍA
Compresor de dos etapas
Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNI -FIM
I. INTRODUCCION
A pesar de la diversidad de equipos usados para la compresión de gases o vapores, su funcionamiento se
fundamenta en algunos principios que les son comunes y se desprenden de la termodinámica aplicada.
La importancia de los compresores se justifica por el rol que cumplen estos en la industria, en efecto, la
evolución de las necesidades en el sector de los gases comprimidos esta caracterizado sobre todo por un
incremento de caudales, y no por una elevación de las presiones necesarias.
Los compresores tienen múltiples aplicaciones, destacando entre ellas; la refrigeración, turbo compresores de
motores. Estos a la vez se derivan de las bombas ya que estas tienen por objeto aumentar la presión de un
líquido.
II. OBJETIVOS
Conocer en forma objetiva el funcionamiento de un compresor alternativo y además aplicar los
conceptos teóricos.
Conocer el esquema de todo el equipo, sus parámetros e instrumentos de medición, utilizados en la
experiencia.
Compresor de dos etapas
Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNI -FIM
III. FUNDAMENTO TEORICO
Compresor De Desplazamiento Positivo: Un compresor de desplazamiento positivo es una máquina donde
se obtiene un aumento en la presión estática cuando se succiona sucesivamente un cierto volumen de aire
dentro de un espacio cerrado y luego se le expulsa, todo esto ocurre por el desplazamiento de un elemento
móvil dentro del espacio cerrado.
La compresión de aire u otros gases mediante compresores alternativos (compresores de desplazamiento
positivo) se puede considerar como un proceso de flujo y estado estable (FEES).
La primera ley de la Termodinámica aplicada a un FEES es:
Hs - Hi = W - Q (KJ)
Donde:
Hi = entalpía del aire que ingresa al sistema.
Hs = entalpía del aire que sale del sistema.
W = trabajo del eje o indicado realizado sobre el sistema.
Q = pérdida de calor del sistema.
La ecuación anterior aplicada a compresores es:
H5 - H1 = W1 + W2 - Q1 - Q2 - Q3 - Q4 - Q (kJ)
Donde:
H1 = entalpía del aire a la entrada de la primera etapa.
H2 = entalpía del aire a la salida de la primera etapa.
H3 = entalpía del aire a la entrada de la segunda etapa.
H4 = entalpía del aire a la salida de la segunda etapa.
H5 = entalpía del aire a la salida del postenfriador.
W1 = trabajo específico entregado a la primera etapa.
W2 = trabajo específico entregado a la segunda etapa.
Q1 = calor entregado al agua de refrigeración de la primera etapa.
Q2 = calor entregado al agua de refrigeración del ínter enfriador.
Q3 = calor entregado al agua de refrigeración de la segunda etapa.
Q4 = calor entregado al agua de refrigeración de la postenfriador.
Q = pérdidas de calor por convección y radiación.
Se debe observar que se debe tomar a W1 y W2 como el trabajo entregado al compresor o como el trabajo
indicado en el cilindro del compresor. En el primer caso incluimos las pérdidas mecánicas del compresor, en
el segundo las excluimos; estas pérdidas aparecen como calores parciales en la camiseta de agua y
parcialmente al medio ambiente. Consideremos un compresor ideal, sin volumen muerto y que no presente
pérdidas de presión en la succión y descarga. El trabajo total en una compresión adiabática es:
Compresor de dos etapas
Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNI -FIM
W = kk−1
∗R∗M∗T 1∗[(P 2P 1 )
kk−1−1]
Donde:
W = potencia en una compresión adiabática (W)
M = flujo de masa de aire (kg/s)
T1 = temperatura de succión del aire.
Q=Cv∗n−kn−1
∗M∗(T 2−T 1)
En un proceso politrópico el calor entregado por el aire es cuando se desea comprimir aire a altas presiones se
utilizan compresores de varias etapas. Si no hubiese enfriamiento intermedio el proceso de compresión
seguiría una trayectoria continua. La curva de compresión por etapas con interenfriamiento se acerca al
proceso isotérmico. Para realizar el mínimo trabajo en la compresión es necesario que la relación de presiones
en todas las etapas sean iguales:
P 2P 1
= P 4P 3
En un compresor de dos etapas la presión intermedio óptima es:
P 2=√ P 1∗P 4El trabajo y la potencia entregados a un compresor real son diferentes a los obtenidos en el compresor ideal,
ya que un remanente de gas que queda en el volumen muerto se expande cuando las válvulas están cerradas.
El volumen muerto reduce la capacidad del compresor, esta reducción aumenta a medida que aumenta la
relación de compresión. Además debido a las perdidas de presión en las válvulas y tuberías, la presión del aire
durante la succión es menor que la presión del medio de donde es succionado y durante la descarga la presión
es mayor que la presión en la tubería de descarga.
El funcionamiento de un compresor alternativo esta caracterizado por los siguientes parámetros:
1) El porcentaje de volumen muerto, es la relación entre el volumen muerto Vo y el volumen de
desplazamiento Vd.
En compresores de baja presión E (2 – 5%).
En compresores de alta presión E (5 – 10%).
La eficiencia volumétrica aparente tomando en cuenta la perdida de presión la entrada se obtiene del diagrama
indicado.
Compresor de dos etapas
E=VoVd
Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNI -FIM
2) Eficiencia volumétrica real o total, esta eficiencia difiere de la anterior por los siguientes motivos:
a) El fluido se calienta durante toda la carrera de succión. Cuando se pone en contacto con las válvulas,
paredes del cilindro y pistón.
b) Existen fugas por los anillos del pistón, válvulas y uniones.
En compresores multietapas la disminución de la eficiencia volumétrica es más acentuada debido a la
precipitación de la humedad en el interenfriador.
Esta eficiencia se define como la relación entre peso de fluido descargado durante la revolución del eje del
compresor y el peso de fluido a las condiciones de la línea de succión, que ocuparía un volumen igual al
desplazamiento total de una revolución.
Se utilizan además las siguientes eficiencias para determinar la potencia realmente entregada al compresor.
La eficiencia isotérmica isot. Es la relación de la potencia isotérmica Wisot y la potencia indicada PI.
La eficiencia mecánica m. Es la relación entre la potencia indicada Wi y la potencia en el eje del compresor
Weje.
La eficiencia efectiva efec. O eficiencia en el eje es el producto de la eficiencia isotérmica isot o adiabática y
la eficiencia mecánica m.
La potencia real para mover el compresor es mayor que la potencia teórica y esta determinada por las
siguientes fórmulas.
Weisot=Wisot
ηisot . ηm ;Weisot=
160∗η eisot
∗ηv∗Vd∗N∗P 1 *ln(P 2P 1 )
Donde:
N = velocidad del eje del compresor (rpm).
Vd = volumen de desplazamiento (m3).
Compresor de dos etapas
η vr= mrmd
(0 . 65−0 . 85 )
Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNI -FIM
IV. EQUIPOS UTILIZADOS
-Compresores de alta y baja
-Ínter enfriador
-Post enfriador
-Caja de estancamiento
-Termómetros
-Planímetro
-Resortes estándar de 72Psi/Pulg. Y 180Psi/Pulg.
-Tubos de Reynols
-Manometro
Primera etapa (Baja presión)
Numero de cilindros 2Carrera 101.6 mm.Diámetro interior 101.6 mm.Volumen de desplazamiento 1.647 lVolumen muerto 29.5 cm3
Presión máxima 10.3 barRelación de velocidades motor / compresor 3 : 1Eficiencia de la transmisión 0.98Rango de velocidades 300 – 500 rpm
Segunda etapa (Alta presión)
Numero de cilindros 1Carrera 101.6 mmDiámetro interior 76.2 mmVolumen de desplazamiento 0.463 lVolumen muerto 28.2 cm3
Presión máxima 13.8 barRelación de velocidades motor / compresor 3 : 1Eficiencia de la transmisión 0.98Rango de velocidades 300 – 500 rpm
6 termómetros de bulbo sin coraza Rango 0 – 200 ºC
6 termómetros de bulbo con corazaRango -1 – 110 ºC
2 Manómetros Bourdon Rango 0 – 14 Kg. / cm2; 0 20 Kg. / cm2 Aprox. 0.5 Kg. / cm2; 1 Kg. / cm2
2 Manómetros inclinados de líquido Rango 0 – 70 mm H2OAprox. 0.5 mm H2O
2 Dinamómetros Rango 0 – 30 Kg.Aprox. 100 g.
2 Tacómetros Rango 0 – 200 rpmAprox. 25 rpm
2 Contómetros Rango 999.999 Rev.Aprox. 1 Rev.2 Voltímetros Rango 0 – 350V
Compresor de dos etapas
Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNI -FIM
Aprox. 10V2 Amperímetros Rango 0 – 25ªAprox. 0.5ª1 Indicador de diagrama NAIHACK
V. PROCEDIMIENTO
Antes del encendido:
Observar si los manómetros inclinados se encuentran en cero.
Drenar el condensado del ínter enfriador, postenfriador y tanque de almacenamiento.
Procedimiento de encendido
Ubicar las válvulas A, B y C en la posición correcta.
Ajustar los fluidos de agua de refrigeración hasta obtener lectura comprendidas entre 10 y 25 cm es
los tubos de Reynols.
Accionar las llaves de funcionamiento en vació.
Ubicar los reguladores de velocidad en su posición mínima.
Encender primeramente el compresor de alta presión, luego el compresor de baja, manejando
lentamente los arrancadores.
Cuando la presión en el tanque de almacenamiento se acerca el valor deseado abrir lentamente la
válvula de estrangulamiento. La posición correcta de la válvula de estrangulamiento para obtener una
presión constante en el tanque será aquella que produzca la misma caída de presión en la tobera de
descarga con respecto a la caída de presión en el orificio de entrada.
VI. DATOS OBTENIDOS
Punt
o
Presión
de Aire
(Kg/c
m2)
Temperaturas del aire ( ºC )
Manómetro
s (mm
H2O)
Dinamómetro de Baja
Presión
P
6 P2
T
A
T
1 T2
T
3 T4 T5
T
6 T7 ho ht
RP
M
Fza.
(Kg)
Volts
.
Amps
.
1 81.7 25
22 89
41 119 73
28 22 15 12
1250 5 209 12.1
2 82.3 25
23
106
38 120 82
30
24.5 20.5
24.5
1300 5.75 251 13.5
3 83 25
23
119
39 100
76.5
31
25.5 19.5
21.5
1325 6.5 255 15.1
4 8 4 25 2 13 4 84. 66 3 26 22 19 143 7.2 280 17
Compresor de dos etapas
Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNI -FIM
3 5 1 5 2 0
Dinamómetro de Alta
Presión
Alturas de los
medidores de agua
(cm. de H2O)
Temperaturas del agua
de Refrigeración
Áreas de
diagrama
indicado
RP
M
Fza
(Kg) V I
CB
P I.E. CAP P.E. Tia T1a T2a T3a T4a
CBP
(cm2)
CAP
(cm2)
1480 3.8
295
10.2 19.6 22 21.5 22 26 37 28 26 31 3.5 3.1
1375 3.8
209 9.8 18.4
21.8 21
21.7 26 41 29 26 32 2 3
1100 3.6
163 9.8 17.2
21.6 20.5
21.2 26 43 30 26 31 3 1.9
950 3.413
9 9 15.221.
4 20.521.
3 26 47 32 26 30 1.6 3
VIII. CALCULOS Y RESULTADOS
Cálculo de los flujos de agua de refrigeración:
Formulas para determinar los flujos en función de las alturas del agua alcanzada en los medidores:
Q = K H n
Compresor de baja presión: Q1 = 10,4 H 0,527 (lt/hr) ... (1)
Compresor de alta presión: Q2 = 8,3 H 0,545 (lt/hr.) ... (2)
Ínter enfriador: Q3 = 12,4 H 0,50 (lt/hr.) ... (3)
Postenfriador : Q4 = 11,7 H 0,494 (lt/hr.) ... (4)
Reemplazando los datos del tubo de Reynolds en las ecuaciones 1, 2,3 y 4 tenemos:
TABLA 1
Q(caudal) kg/s de agua de enfriamiento
Presión CPB IE CAP PE
1.7 0.01386
0.01616 0.01227 0.01496
2.3 0.01341
0.01608 0.01212 0.01486
3 0.01294
0.01601 0.01196 0.01469
Compresor de dos etapas
Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNI -FIM
4 0.01212
0.01593 0.01196 0.01473
Cálculo del flujo de aire:
Utilizando el medidor de la caja de aire cuyo diámetro de orificio es 31,95 mm.
ma=1.2577 √ H o P A
T A( kg
s )(6)
Donde:
H0 : en metros de agua
PA: en bar
TA : en K
Reemplazando datos en las ecuaciones anteriores:
Para 3 Kg./cm2
H0 = 0.0105 m H2O
PA = 0,99 bar
TA= 291 K
Flujo de masa ma = 0.00752 kg/s
Para 2 Kg./cm2
H0 = 0.0135 m H2O
PA = 0,99 bar
TA= 291 K
Flujo de masa ma = 0.008523 kg/s
Para 1.75 Kg./cm2
H0 = 0.0145 m H2O
PA = 0,99 bar
TA= 291 K
Flujo de masa ma = 0.008833 kg/s
Cálculo de la potencia eléctrica suministrada a cada motor:
Para ambos motores de corriente continua
PEL = V I (watts) ...(7)
Donde :
V: en voltios
I : en amperios
TABLA 2
Compresor de dos etapas
Potencia EléctricaPresión (kg/cm2) CBP (KW) CAP (KW)
1.7 2.52890 3.009002.3 3.38850 2.048203 3.85050 1.597404 4.76000 1.25100
Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNI -FIM
Cálculo de la potencia al eje entregada por el motor eléctrico:
PEM= FxN3.0592
(WATTS )(8)
Donde:
F: kilogramos fuerza
N: en r.p.m.
TABLA 3
Potencia Al EjePresión (kg/cm2) CBP (KW) CAP (KW)
1.7 2.04302 1.83839
2.3 2.44345 1.70796
3 2.81528 1.29446
4 3.36559 1.05583
Potencia entregada al compresor (PE) :
Siendo la eficiencia mecánica de la transmisión 0,98 tenemos que:
PE = 0,98 PEM ...(9)
Donde : 0.98 eficiencia de la transmisión
TABLA 4
Potencia EntregadaPresión (kg/cm2) CBP (KW) CAP (KW) Total (KW)
1.7 2.00216 1.80162 3.80378
2.3 2.39458 1.67380 4.06838
3 2.75897 1.26857 4.02754
4 3.29827 1.03471 4.33299
Cálculo de la potencia indicada (PI):
PI = p x Vd (Watts) ...(10)
Donde.
p: presión indicada en N/m2
Vd : volumen desplazado por unidad de tiempo m3/s
Primero se calculará p :
P= KxLA
Compresor de dos etapas
Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNI -FIM
Donde:
K: constante del resorte del indicador de diagrama
A: área del diagrama
L: longitud del diagrama
Las constantes de los resortes del indicador de diagrama son:
KAlta= 180Psi /pulg.= 48862.2*103 N/m2
KBaja= 72 Psi /pulg.=19544.88*103 N/m2
Además:
El volumen de desplazamiento se calcula de la siguiente manera:
Vd = L * N/(60*n)
Donde:
l: carrera del pistón(m)
baja: 1.647cm
alta: 0.463cm
N: RPM
n: relación de transmisión
TABLA 4
Compresor de Baja Compresor de Alta
Pres. L(m) A (m2) K(N/m3) P(BAR) Vd(m3/s) L(m) A (m2) K(N/m3) P(BAR) Vd(m3/s)
1.7 0.1 3.5 *10-4 19544.8*103 1.36808 0.01144 0.1 3.1*10-4 48862*103 1.21173 0.00381
2.3 0.1 2*10-4 19544.8*103 0.78176 0.01190 0.1 3*10-4 48862*103 1.17264 0.00354
3 0.1 3*10-4 19544.8*103 1.17264 0.01212 0.1 1.9*10-4 48862*103 0.74267 0.00283
4 0.1 1.6*10-4 19544.8*103 0.62541 0.01308 0.1 3*10-4 48862*103 1.17264 0.00244
Con lo resultados obtenidos podemos determinar el valor de la potencia indicada pera cada
compresor y a diferentes presiones:
TABLA 5
Presión PI
CBP(KW)
PI CAP (KW)
1.7 1.56474 0.46129
2.3 0.92990 0.41474
3 1.42168 0.21013
4 0.81832 0.28655
Cálculo de los calores absorbidos por el agua de refrigeración:
Compresor de dos etapas
Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNI -FIM
Los calores absorbidos por el agua se pueden calcular valiéndonos de la primera ley de la termodinámica para
un proceso de flujo de estado estable(FEES).En este caso nuestra única herramienta de donde nos podemos
sostener es el valor del calor especifico para el agua a 27°C y 1atm. de condiciones ambientales.
Del libro de M.J. MORAN y H.N. SHAPIRO en la tabla A-12, CeH2O = 4.18KJ/kg.°C
Para el compresor de baja:
TABLA 6
Presión(kgf/cm2)
M(kg/s) Ce(KJ/kg.°C) Q(KW)
1.7 0.01386 4.18 0.63726
2.3 0.01341 4.18 0.84054
3 0.01294 4.18 0.91935
4 0.01212 4.18 1.06404
Para el ínter enfriador:
TABLA 7
Presión(kgf/cm2)
M(kg/s) Ce(kJ/kg.°C) Q(KW)
1.7 0.01616 4.18 0.11587
2.3 0.01608 4.18 0.16811
3 0.01601 4.18 0.21632
4 0.01593 4.18 0.30401
Para el compresor de alta:
TABLA 8
Presión(kgf/cm2)
M(kg/s) Ce(kJ/kg.°C) Q(KW)
1.7 0.01227 4.18 0.05130
2.3 0.01212 4.18 0.10130
3 0.01196 4.18 0.14996
4 0.01196 4.18 0.19995
Para el post enfriador:
TABLA 9
Presión(kgf/cm2)
M(kg/s) Ce(kJ/kg.°C) Q(KW)
1.7 0.01496 4.18 0.31274
2.3 0.01486 4.18 0.62126
3 0.01469 4.18 0.55273
4 0.01473 4.18 0.49246
Compresor de dos etapas
Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNI -FIM
El calor total absorbido por el agua de refrigeración es.
TABLA 10
Presión(kgf/cm2)
Q(KW)
1.7 1.117172.3 1.73120
3 1.83835
4 2.06046
Cálculo de las entalpías en la entrada del compresor de baja y a la salida del postenfriador:
Entalpía de ingreso h1 = Cp T1
Entalpía de ingreso h5 = Cp T5
h5 - h1 = Cp (T5 - T1)
Para 3 kg/cm2:
h1 - h5 = 1,0035 (21 – 17.5) = 3.5123 kJ/kg
H5 - H1 = m (h5 - h1)
H5 - H1 = 0,00752 (3.5123) = 0,0264 Kw.
Para 2 Kg./cm2
h1 - h5 = 1,0035 (23 – 18) = 5.0175kJ/kg
H5 - H1 = m (h5 - h1)
H5 - H1 = 0,008523 (5.0175) = 0,04276 Kw.
Para 1.75 Kg./cm2
h1 - h5 = 1,0035 (27 – 18.5) = 8.5298kJ/kg
H5 - H1 = m (h5 - h1)
H5 - H1 = 0,008833 (8.5298) = 0,07534 Kw.
Ahora:
De la primera ley de la termodinámica para un proceso de flujo de estado estable(FEES).
Q = W + H
Donde el calor es negativo, pues es el agua el que entrega energía al medio ambiente y el trabajo positivo o
energía positiva lo dan los compresores pues es el que entrega energía al agua
h5 - h1 = W1 + W2 - (q1 - q2 - q3 - q4 - q ) kJ/kg
entonces reemplazando obtenemos los valores de calor rechazado por radiación y convección para las
diferentes presiones:
TABLA 11
Presión H5 - H1 (Kw.) W(Kw.) Qrecha (Kw.) Qrad-co (Kw.)
Compresor de dos etapas
Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNI -FIM
1.7 1.75011 3.80378
1.11717 0.93650
2.3 2.02794 4.06838
1.73120 0.30925
3 1.79182 4.02754
1.83835 0.39736
4 1.60413 4.33299
2.06046 0.66840
Cálculo de las eficiencias mecánicas:
m= PI / PE
TABLA 12
Potencia Entregada
Presión (kg/cm2)
PE(Kw.) PI (Kw.) (%)
1.7 1.56474 2.00216 78.15277
2.3 0.92990 2.39458 38.83367
3 1.42168 2.75897 51.52930
4 0.81832 3.29827 24.81040
VIII. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES En el presente laboratorio se puede observar y concluir lo siguiente:
1. Los calores absorbidos por los equipos son menores conforme nos acercamos a la presión
intermedia teórica.
2. La eficiencia aumenta conforme la relación de presiones (Pi*Pf) se acerca a la presión
intermedia ideal (2.828 kg/cm2)
3. Las altura en los tubos de Reynolds fueron mayores a 10 cm, y es lo común.
4. Con esta experiencia podemos comprobar que el trabajo de compresión disminuye a medida que
la presión intermedia se acerca al valor teórico.
5. Una vez mas nos damos cuenta de la importancia de la primera ley de termodinámica en este
caso para un proceso de flujo de estado estable(FEES) ya que a sido una de las ecuaciones
fundamentales en este informe.
Compresor de dos etapas
Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNI -FIM
IX. BIBLIOGRAFIA
- “COMPRESORES DE AIRE” AUTOR: Augene Feller
- “MANUAL DE LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA” TOMO III, Profesores de Dpto. de Energía –FIM
- “FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA TÉCNICA”TOMOS I Y II M.J. MORAN y H.N. SHAPIRO
- FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERIA
JOHN P. Mc KELVEY – HOWARD GROTCH (Tomo I)
- MANUAL DEL INGENIERO
SYMOOR
- TABLAS TERMODINÁMICAS DE LAS CONSTANTES DE LOS GASES Y
Y SUSTANCIAS PURAS
TOMADOS DE FUNDAMENTALS OF CLASSICAL THERMODYNAMICS
Compresor de dos etapas
Laboratorio de Ingeniería Mecánica I UNI -FIM
Compresor de dos etapas