View
54
Download
8
Category
Preview:
Citation preview
Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO F I M E E SF I M E E S
Escuela Profesional DeEscuela Profesional De
Ingeniería Mecánica Eléctrica
LABORATORIO DE ING. MECANICA III
“COMPRESOR DE DOS ETAPAS”
ENSAYO Nº 01
PRESENTADO POR:
COLQUE MONJE, Omar Alex
COD: 981506
DOCENTE: Ing. Julio Condori Argandoña
Puno- Perú
2012
Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje
COMPRESOR EXPERIMENTAL DOS ETAPAS
1.- RESUMEN:
En la presente experiencia tendremos oportunidad de aplicar los conocimientos teóricos
aprendidos en los cursos de termodinámica sobre compresión de aire.
Aire comprimido, aire a presión superior a una atmósfera. Puede emplearse para empujar un
pistón, como en una perforadora neumática; hacerse pasar por una pequeña turbina de aire
para mover un eje, como en los instrumentos odontológicos o expandirse a través de una
tobera para producir un chorro de alta velocidad, como en una pistola para pintar. El aire
comprimido suministra fuerza a las herramientas llamadas neumáticas, como perforadoras,
martillos, remachadoras o taladros de roca.
En el presente informe se calcula el balance térmico de un compresor de dos etapas,
calculando los parámetros de funcionamiento y comparándolos con los parámetros de un
compresor ideal.
2.-OBJETIVO :
Realizar un balance térmico de un compresor
Calcular los parámetros de funcionamiento
3.- TEORIA:
CONCEPTO:
Compresor de aire, también llamado bomba de aire, máquina que disminuye el volumen de
una determinada cantidad de aire y aumenta su presión por procedimientos mecánicos. El
aire comprimido posee una gran energía potencial, ya que si eliminamos la presión exterior,
se expandiría rápidamente. El control de esta fuerza expansiva proporciona la fuerza motriz
de muchas máquinas y herramientas, como martillos neumáticos, taladradoras, limpiadoras
de chorro de arena y pistolas de pintura.
Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje
Para la producción del aire comprimido se utilizan compresores, que elevan la presión del
aire, a la deseada.
Podemos clasificar los compresores en dos grandes tipos, según su principio de
funcionamiento:
- Compresores de desplazamiento positivo, en donde se comprime aire por una reducción de
su volumen. Son los más empleados por la industria.
- Turbocompresores, que funcionan según la ecuación de Euler.
COMPRESIÓN EN ETAPAS
El grado de compresión es el cociente entre la presión absoluta de descarga P2y la presión
absoluta de admisión o entrada P1. Puede tener cualquier valor pero en la práctica, en
compresores de una sola etapa no suele pasarse de relaciones de compresión de 3,5-4, ya que
relaciones de compresión más altas necesitan un compresor voluminoso que encarece el
equipo. Cuando la relación de compresión es muy grande, se aconseja el empleo de
compresores de varias etapas escalonadas con o sin refrigeración intermedia, cada una de las
cuales tiene una relación de compresión del orden de 3,5-4.
Según sea el nº de etapas, la relación de compresión en cada etapa es:
Siendo n el nº de etapas, que permite disponer de una relación de compresión ideal
idéntica en cada etapa. En un compresor de dos o más etapas se puede establecer
una relación de compresión total, que es la relación entre la presión absoluta final en la
descarga de la última etapa y la presión absoluta inicial en la aspiración de la primera
etapa.
DIAGRAMA DE UN COMPRESOR DE DOS ETAPAS
En la compresión en etapas, se puede refrigerar el aire entre cada una de ellas mediante un
sistema de refrigeración, cuya acción principal es la de dispersar el calor producido durante la
compresión.
La refrigeración intermedia perfecta se consigue cuando la temperatura del aire que sale del
refrigerador intermedio es igual a la temperatura del aire a la entrada en la aspiración del
compresor.
Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje
Cuando las relaciones de compresión de todas las etapas sean iguales, se logra un consumo de
potencia mínimo.
Si aumentamos el número de etapas, la compresión se acercará a la isoterma del aire inicial, que
es la transformación de compresión que requiere menos trabajo.
La compresión en dos o más etapas permite mantener la temperatura de los cilindros de trabajo
entre límites razonables; temperaturas anormalmente altas llevan consigo el riesgo de
explosiones y carbonización del aceite lubricante y problemas en las válvulas.
Los compresores más usuales en el mercado tienen refrigeración intermedia, y son de dos
etapas.
El diagrama indicado en la Fig I.17 corresponde a un compresor de dos etapas, y en ella los
diagramas independientes de cada cilindro se consideran como si fueran de un compresor de
una etapa.
La superposición de los diagramas de trabajo correspondientes al cilindro de baja presión, que es
el que comprime el aire aspirado hasta una presión aproximada de 2 a 3 bars, y al de alta
presión, que comprime el aire recibido hasta la presión de trabajo o descarga, indica que la
energía que requiere el conjunto de cilindros es muy inferior a la que exigiría si toda la
compresión se hubiera realizado de una sola vez.
El área rayada corresponde a un trabajo perdido que se realiza dos veces sobre el aire, en la
expulsión del cilindro de baja presión y en la compresión del cilindro de alta presión.
De la observación de la Fig I.17 se deduce que, para compresores de una etapa, o de dos
etapas, de simple efecto, pero en la primera fase de compresión, la curva de compresión está
siempre comprendida entre la isotérmica y la adiabática, pero aproximándose más a la segunda
que a la primera, lo que refleja un proceso politrópico.
Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje
Para un compresor de dos etapas, el trabajo teórico efectuado es mínimo cuando los dos
cilindros logran idéntica cantidad de trabajo.
Debido a que el cilindro de alta presión tiene que admitir todo el aire entregado por el cilindro
de baja presión, la presión del refrigerador intermedio viene fijada por el tamaño de los
cilindros.
El trabajo total es, TAP + TBP.
REFRIGERACIÓN
Durante la compresión se engendra calor, y si no se elimina, se eleva la temperatura del aire a
medida que se va comprimiendo. En la mayoría de las aplicaciones, la elevación de la
temperatura que sufre el fluido al ser comprimido T2 > T1, es perjudicial para su utilización.
Por lo tanto, los compresores se refrigeran para evitar este efecto y reducir el trabajo absorbido
por la compresión. Siendo poco práctico que el aire retenga todo su calor, se recurre a eliminarlo
a medida que se comprime mediante procedimientos apropiados.
REFRIGERACIÓN INTERMEDIA
Sabemos que para grandes relaciones de compresión hay que acudir a la compresión por
etapas. La principal ventaja de este tipo de compresión es que permite una refrigeración del
fluido (vapor o gas) entre etapa y etapa, que se traduce en un ahorro de la energía a aportar para
mover el compresor, tomando la precaución de no refrigerar en exceso, ya que pudiera ser que el
ahorro de energía de compresión fuese inferior al de los gastos de refrigeración.
Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje
CLASIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES ALTERNATIVOS
POR EL NÚMERO DE ETAPAS
Los compresores se pueden clasificar, atendiendo al estilo de actuar la compresión, de una o
dos etapas.
Compresores de una etapa
Se componen básicamente de un cárter con cigüeñal, pistón y cilindro. Para su refrigeración
llevan, en la parte exterior, aletas que evacuan el calor por radiación y convección; se utilizan
en aplicaciones en donde el caudal está limitado y en condiciones de servicio intermitente, ya
que son compresores de pequeñas potencias. En estos compresores, la temperatura de salida
del aire comprimido se sitúa alrededor de los 180ºC con una posible variación de ±20ºC.
Compresores de una etapa.- Se componen básicamente de un cárter con cigüeñal, pistón y
cilindro.
Para su refrigeración llevan, en la parte exterior, aletas que evacúan el calor por radiación y
convección; se utilizan en aplicaciones en donde el caudal está limitado y en condiciones de
servicio intermitente, ya que son compresores de pequeñas potencias. En estos compresores,
la temperatura de salida del aire comprimido se sitúa alrededor de los 180ºC con una posible
variación de ±20ºC.
Compresores de dos etapas
El aire se comprime en dos etapas; en la primera (de baja presión BP) se comprime hasta una
presión intermedia pi = 2 a 3 bars, y en la segunda (de alta presión AP), se comprime hasta
una presión de 8 bars. Estos compresores son los más empleados en la industria cubriendo
sus caudales una extensa gama de necesidades. Pueden estar refrigerados por aire o por
agua. El aire comprimido sale a unos 130ºC con una variación de ± 15ºC.
POR EL MODO DE TRABAJAR EL PISTÓN
De simple efecto.- Cuando un pistón es de simple efecto, Fig I.19a, trabaja sobre una sola
cara del mismo, que está dirigida hacia la cabeza del cilindro. La cantidad de aire desplazado
es igual a la carrera por la sección del pistón.
Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje
De doble efecto.- El pistón de doble efecto trabaja sobre sus dos caras y delimita dos cámaras
de compresión en el cilindro, Fig I.19b. El volumen engendrado es igual a dos veces el
producto de la sección del pistón por la carrera. Hay que tener en cuenta el vástago, que ocupa
un espacio obviamente no disponible para el aire y, en consecuencia, los volúmenes creados
por las dos caras del pistón no son iguales.
De etapas múltiples.- Un pistón es de etapas múltiples, si tiene elementos superpuestos de
diámetros diferentes, que se desplazan en cilindros concéntricos. El pistón de mayor diámetro
puede trabajar en simple o doble efecto, no así los otros pistones, que lo harán en simple
efecto. Esta disposición es muy utilizada por los compresores de alta presión, Fig I.19c.
De pistón diferencial..- El pistón diferencial es aquel que trabaja a doble efecto, pero con
diámetros diferentes, para conseguir la compresión en dos etapas, Fig I.19d. Su utilidad viene
limitada y dada la posición de los pistones está cayendo en desuso.
4.- APARATOS
INSTRUMENTACION INSTALADA
Cant. DESCRIPCION RANGO Aprox.6 Termómetro de bulbo con coraza -10 – 200 ºC 1 ºC2 Manómetros BOURDON 0-14, 0-20 Kg/cm² 0.5,1 Kg/cm²2 Manómetros inclinados de liquido 0-70 mmH2O 0.5 mmH2O2 Dinamómetros 0-30Kg. 100gr.2 Tacómetros 0-200RPM 25 RPM2 Contómetros 999 999Rev. 1 Rev.2 Voltímetros 0-350 V 10 V2 Amperímetros 0-25A 0.5 A
5.- PROCEDIMIENTO:
DATOS TECNICOS DEL COMPRESOR DE AIRE
DESCRIPCION / ETAPA 1º ETAPA 2º ETAPANº de cilindros 2 1Carreras (mm) 101.6 101.6Diámetro interior (mm) 101.6 72.2Volumen de desplazamiento (litros) 1.647 0.463Volumen muerto(cm³) 29.5 28.2Presión máxima (bar) 10.3 13.8Relación de velocidades motor/compresor 3:1 3:1Eficiencia de transmisión 0.98 0.98Rango de velocidades (RPM) 300-500 300-500
Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje
CALCULOS REALIZADOS
FLUJOS DE AGUA DE REFRIGERACION
Compresor de Baja PresiónQ1 = 0.019289 kg/seg
Compresor de Alta PresiónQ2= 0.019313 kg/seg
InterenfriadorQ3= 0,023739 kg/seg
PostenfriadorQ4= 0,022225 kg/seg
Qtotal = 0.084566 Kg/seg
FLUJO DE AIRE
Utilizando el medidor de la caja de aire cuyo diámetro de orificio es 31.95mm.
PA = 0,9974 bar
ho = 0,0255 m de H2O
TA = ºk = (20+273) =293ºk
Qaire = 0, 0098788 m3/seg
maire = 0,0117178 kg/seg
POTENCIA ELECTRICA SUMINISTRADA A CADA MOTOR
Compresor de Baja PresiónPELCBP = 208*15.5 = 3.224 kw
Compresor de Alta PresiónPELCAP = 185*10.5 = 1.9425 kw
Total:PEL = 5,1665 kw
Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje
POTENCIA AL EJE ENTREGADA POR EL MOTOR ELECTRICO(EM)
Compresor de Baja PresiónPEMCBP =6.6*1390/3.0592PEMCBP =2.9988 kw
Compresor de Alta Presión
PEMCAP =4.8*1151/3.0592PEMCAP =1,80596 kw
Total: PEM =4,80476 kw
POTENCIA ENTREGADA AL COMPRESOR (PE)
Siendo la eficiencia mecánica de la Transmisión 0.98.
Compresor de Baja PresiónPPECBP =0.98*2.9988 kwPPECBP =2.9388kw
Compresor de Alta PresiónPPECAP =0.98*1,80596 kwPPECAP =1.7698 kw
Total: PPE =4.7087 kw
POTENCIA INDICADA (PI)
Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje
Donde:
KCBP =195,44 bar/mKCAP =488,6 bar/m
Determinación de P:
Compresor de Baja PresiónPCBP =((195.44*4.3*10^-4)/0.052 PCBP =1,61614 barPCBP =161614Pa
Compresor de Alta Presión
PCAP = ((488.6*3.6*10^-4)/0.049 PCAP = 3.58971 bar PCAP = 358971 Pa
Determinación del Vd:
Debido a que la relación de velocidades Motor/Compresores (3:1)
Compresor de Baja PresiónVd CBP =1.647*(1390)/3 m3/segVd CBP =0,01272 m3/seg
Compresor de Alta PresiónVd CAP = 0.473*(1151)/3 m3/segVd CAP = 0.0030246 m3/seg
Compresor de Baja PresiónPPI CBP =1,61614 bar*100000N/m2*0,01272 m3/segPPI CBP =2,05573 kw
Compresor de Alta PresiónPPI CAP =3.58971 bar *100000N/m2*0.0030246 m3/segPPI CAP =1.0857 kw
Total:PPI =3.1414 kw
CALORES ABSORBIDOS POR EL AGUA DE REFRIGERACION
RH2O =4,1800 KJ/kg ºC
Compresor de Baja PresiónQCBP =0.019289 kg/seg*4,1800 KJ/kg ºC*(44ºC - 21.5ºC)QCBP =1.81413 kw
Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje
Compresor de Alta PresiónQCAP =0.019313 kg/seg*4,1800 KJ/kg ºC*(29ºC – 21.5ºC)QCAP =0,605 kw
InterenfriadorQIE = 0,023739 kg/seg *4,1800 KJ/kg ºC*(29.5ºC – 21.5ºC)QIE = 0.7938 kw
PostenfriadorQPE = 0,022225 kg/seg*4,1800 KJ/kg ºC*(35ºC – 21.5ºC)QPE =1.254 kw
Total:Q REF =4.4669 kw
ENERGÍA APROVECHABLE
Cp aire =1,0035 KJ/ºC kg
H5 - H1 =0,0117178 kg/seg*1.0035*(34ºC – 20ºC)
H5 - H1 =
PERDIDA DE CALOR POR RADIACION Y CONVECCION
0,1646 kw =4.7087 kw - 4.4669 kw
=0.0772kw
EFICIENCIA MECANICA
CALCULO DE LAS EFICIENCIAS MECANICAS
nm CBP =2,05573 kw/2.9388k
0,1646 kw
Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje
nm CBP =69,95%
nm CAP =1.0857 kw/1.7698 kw
nm CAP =61,35%
EFICIENCIA VOLUMETRICA APARENTE
nV CBP =96,092%
nV CAP =94.44%
EFICIENCIA VOLUMETRICA REALES
Compresor de Baja Presión
La masa por unidad de tiempo maire =0,01172 kg/seg
Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje
PA= 0.9974 barR=287 KJ/kgºkT1= 20ºCVd=1.647
Calculando
md= 0.001967Kg aire
mD=0.001967Kg aire*(1390/(3*60))mD=0.01519kg/seg
77.16 %Compresor de Alta Presión
La masa por unidad de tiempo maire =0,01172 kg/seg
PA= 4 barR=287 KJ/kgºkT1= 32ºCVd=0.463
Calculando
md= 0.00213Kg aire
mD=0.00213Kg aire *(1151/(3*60))mD=0.01362kg/seg
86.05 %
Perdidas del Motor Eléctrico
Pmotor eléctrico =5,1665kw - 4,80476 kw
Pmotor eléctrico =0.36174kw
DIAGRAMA DE SANKEY
Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje
POTENCIA ISOTÉRMICA Y EFICIENCIA ISOTÉRMICA
Compresor de Baja Presiónv 1 =0,0094816 m3/s
wISOCBP= 1,5123096 KW
nISOTCBP =74,226422%
Compresor de Alta Presiónv 1 =0,0020115 m3/s
wISOCAP= 0,5806847 KW
nISOTCAP =73,002132%
TRABAJO DE AHORRO:
Trabajo del compresor de la primera etapa
4.7087kw
3.1414 kw
0.36174 kw
0.09606 kw
0.084566 kw
0.07722 kw
1.5673 kw
5.1665 kw
4.80476 kw
4.7087 kw
kw
0,1646
1.86 %
3.17 %
7.00 %
1.50 %
1.64 %
Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje
nCBP =1,2W1 = 154,17795 KJ/kg
Trabajo del compresor de la primera etapa
nCAP =1,25 W2 = 54,869541 KJ/kg
Trabajo del compresor de 2 etapas
W de las 2 etapas = 209,04749 KJ/kg
Trabajo del compresor de 1 etapas
n 1 etapa = 1,2 W I = 221,64642 KJ/kg
CONCLUSIONES
El uso del compresor de dos etapas tiene como finalidad obtener presiones muy elevadas.
Es necesario el uso de intercambiadores de calor para poder disminuir la temperatura después de la
compresión.
El compresor de alta presión presenta una eficiencia mecánica mayor que el compresor de baja presión. Sólo
en el primer punto el compresor de alta presión presenta menor eficiencia mecánica menor que en el de baja.
RECOMENDACIONES:
Durante la toma de los datos, esperar unos minutos para que la medida de los instrumentos
se estabilicen.
Drenar el condensado del inter-enfriador, pos-enfriador y tanque de almacenamiento.
Recommended