UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA III Ensayo
COMPRESOR DE AIRE DE DOS ETAPAS Solicitante del informe: ING. ARTURO MALDONADO RIVERA PROFESOR DE LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA III AUTORES DEL INFORME: INFORME: MATIAS CAYTUERO, Renzo Ronald GOICOCHEA CRUZADO, Edixon AUQUI TOVAR, Alexander José SOTO NICOLL, Ronald Ernesto PEÑA CASO, Raul Dante
20122119G 20101211A 20101141C 20132036G 20051337G
SECCIÓN: B FECHA DE REALIZACIÓN DEL LABORATORIO: 24 DE ABRIL DEL 2017
FECHA DE ENTREGA DE INFORME: 02 DE MAYO DEL 2017 0
Índice
Objetivos Objetivos:: .............................. ............................................... .................................. ................................. ................................. .................................. ........................... .......... 1 Marco Marco teórico teórico ................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. ................................. ................... .. 2 Error! Bookmark not defined. Definición Definición.................................. .................................................. ................................. ............................ ...........Error!
Tipos................ Tipos................................. .................................. ................................. ................................. ................................. ................................ .............................. .............. 2 Diagrama Diagrama T-s.......................................... .......................................................... ................................. ................................. ................................. ......................... ........ 5 Equipos Equipos de ensayo ensayo ................................ ................................................. ................................. ................................. .................................. ........................... .......... 8 Procedimiento de ensayo ................................................................................................... 9 Datos Datos.................................. .................................................. ................................. ................................. ................................ ................................. ............................... .............. 11 Cálculos Cálculos............................... ................................................ ................................. ................................. .................................. ................................. ........................... ........... 12 Resultados Resultados ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. ................................. ...................... ...... 16 Conclusion Conclusiones es ................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. ................................. ................. 19 Recomendaciones y observaciones ................................................................................ 19 Bibliografía Bibliografía ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. ................................. ...................... ...... 20
0
Objetivos: Objetivo General
Conocer en forma experimental el funcionamiento de un compresor de aire de dos etapas y además aplicar los conceptos teóricos.
Objetivos Específicos
Conocer la disposición del equipo y los instrumentos utilizados en una instalación de un compresor de dos etapas.
Calcular las potencias y eficiencias pertinentes a la instalación de un compresor de dos etapas.
1
Marco teórico DEFINICION 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, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.
TIPOS Tipos de compresores: 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 arriba del émbolo, se comprime el aire y otra válvula es abierta para evacuar dichas 2
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.
Figura 1: Intercambiador de calor.
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 mucho 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, semi-herméticos o abiertos. Los de uso doméstico son herméticos, y no pueden ser intervenidos para repararlos. Los de mayor capacidad son semi-herméticos o abiertos, que se pueden desarmar y reparar.
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Figura 2: Pistones (a) Aspiración y (b)Compresión
Rotativo de paletas: En los compresores de paletas la compresión se produce por la disminución del volumen resultante entre la carcasa y el elemento rotativo cuyo eje no coincide con el eje de la carcasa (ambos ejes son excéntricos). En estos compresores, el rotor es un cilindro hueco con estrías radiales en las que las palas (1 o varias) comprimen y ajustan sus extremos libres interior del cuerpo del compresor, comprimiendo así el volumen atrapado y aumentando la presión total.
Figura 3: Rotativo de paletas .
Rotodinámicos 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.
4
Diagrama T-s Otra modificación del ciclo de refrigeración por compresión de vapor consiste en la compresión en etapas múltiples con enfriamiento intermedio para disminuir la entrada de trabajo. Cuando el fluido de trabajo utilizado en el sistema de refrigeración en cascada es el mismo, el intercambiador de calor entre las etapas puede sustituirse por un intercambiador de calor regenerativo, ya que éste cuenta con mejores características de transferencia de calor.
Fig. 1 Esquema de la maquinaria y diagrama Ts de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor de dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo.
5
La Figura 1 muestra un esquema para el ciclo de compresión en dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo. El líquido que sale del condensador se estrangula (proceso 5-6) al entrar a una cámara de expansión mantenida a presión intermedia entre las presiones del evaporador y el condensador. Todo el vapor que se separa del líquido en la cámara de expansión se transfiere a una cámara de mezclado, donde se mezcla con el vapor que sale del compresor de baja presión en el estado 2. La cámara de mezclado actúa como un enfriador intermedio regenerativo, pues enfría el vapor que sale del compresor de baja presión antes que toda la mezcla entre la etapa de alta presión del compresor en el estado 3. El líquido saturado de la cámara de expansión se estrangula al pasar a la presión del evaporador en el estado 9. El proceso de compresión de dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo se muestra en un diagrama Ts en la Figura 1, en la cual se ha supuesto compresión isoentrópica. Aunque el mismo refrigerante circula en ambos circuitos de todo el sistema, los flujos en cada circuito no son iguales.
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Diagrama de Sankey En la siguiente figura observamos un ejemplo genérico del balance energético (Diagrama de Sankey) en un compresor de dos etapas.
Ventajas de la compresión en múltiples etapas.
El trabajo realizado en la compresión del aire se reduce, con lo que se puede ahorrar energía.
Previene problemas mecánicos desde que la temperatura del aire es controlada.
Las válvulas de succión y de suministro permanecen en condiciones más limpias, ya que la temperatura y vaporización del aceite lubricante es menor.
La máquina es más pequeña y mejor balanceada, entre otras.
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Equipos de ensayo COMPRESOR DE 2 ETAPAS.
PRIMERA ETAPA (Baja Presión)
Número de cilindros
2
Carrera
101.6 mm
Diámetro interior
101.6 mm
Volumen de desplazamiento
1.647 lt
Volumen muerto
29.5 cm3
Presión máxima
10.3 bar
Relación de velocidades
03:01
motor/compre. Eficiencia de la trasmisión Rango de velocidades
0.98 300-500 RPM
Tabla 1: Datos técnicos del compresor de 2 etapas – Baja presión SEGUNDA ETAPA (Alta Presión) 1 Número de cilindros Carrera 101.6 mm Diámetro interior 76.2 mm Volumen de desplazamiento 0.463lt Volumen muerto 28.2 cm3 Presión máxima 13.8 bar 03:01 Relación de velocidades motor/compre. 0.98 Eficiencia de la trasmisión 300-500 RPM Rango de velocidades Tabla 2: Datos técnicos del compresor de 2 etapas - Alta presión
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Procedimiento de ensayo Antes del encendido: 1. Observar si los manómetros inclinados se encuentran en cero. 2. Drenar el condensado del interenfriador, pos enfriador y tanque de almacenamiento. 3. Procedimiento del ensayo: 4. Ubicar las válvulas A, B y C en la posición correcta. 5. Accionar las llaves de funcionamiento en vacío 6. Ubicar los reguladores de velocidades en su posición mínima. 7. Encender primero el compresor de alta presión y luego el de baja, manejando lentamente los arrancadores. 8. Cuando la presión en el tanque de almacenamiento se acerque a la presión deseada, 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. 9. Tomar los datos de temperaturas, presiones, rpm, etc. Además, usar el indicador de diagrama en los compresores de alta y baja para obtener el diagrama indicado. Posteriormente se mide esta área con el planímetro. 10. Repetir las mismas tomas de datos para otras medidas.
9
Esquema de instalación
10
Datos Los datos obtenidos en el ensayo son los siguientes: Ptos. 1 2 3
Ptos. 1 2 3
Ptos. 1 2 3
Ptos. 1 2 3
TA °C 26 26 26
T1 °C 26 27 27
T2 °C 80 101 109
T0 T1°C °C 26.5 37 27 41.5 27 44
T2 °C 29 31 32
Volts I Amp 150 12 180 13.5 210 15
Area cm2 3.62 3.78 3.7
T3 °C 30 35 37
T3 °C 39 36 32
T4 °C 98 105 104
T5 °C 28 36 41
Agua T4 H °C CBP 33 18.9 39 18.1 40 17.5
T6 °C 37 30 30
H IE H CAP
H PE
24.2 24 23.4
20 20 19.7
CBP F Kgf Rpm T seg. Volts 5 889 60 190 5.1 1142 60 190 6.2 1344 60 195
CBP Longitud cm 4 4 4
Perimetro cm 9.46 10.64 10.1
Aire T7 Pinter °C Bar 26 1.8 26 2.1 26 2.7
Area cm2 3.43 3.51 2.87
21.4 21 20.9
I Amp 10.5 10.75 10.5
CAP F Kgf 3.4 3.6 3.6
CAP Longitud cm 4.4 4.4 4.3
Ptanque Bar 8 8 8
dP0 mmH2O 11 17 23.5
dP7 mmH2O 18 26 22
Rpm T seg. 1261 60 1280 60 1303 60
Perimetro cm 10.73 10.43 9.48
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CALCULOS Formulas Flujos de agua de refrigeración Fórmulas para determinar los flujos en función de la altura del agua alcanzada en los medidores. Compresor de baja presión: Compresor de alta presión: Inter-enfriador
:
Post-enfriador
:
== 10.8.34,, /ℎ /ℎ == 11.12.74,, /ℎ /ℎ.
Cálculo del flujo de aire Utilizando el medidor de la caja de aire cuyo diámetro de orificio es 31,95 mm: Caudal:
̇ =36.09410−√ ̇ =1.2577√
Cálculo de la potencia eléctrica suministrada a cada motor Para ambos motores de corriente continua Dónde:
= ∗
V: volts I: amperes Cálculo de la potencia al eje entregada por el motor eléctrico
Dónde: F:
= 3.∗ 0592
N: RPM del motor eléctrico=3xNrpm (del compresor)
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Presión Media indicada Área del diagrama pmi= ----------------------------------- factor del resorte Longitud del diagrama *
Calculo de la potencia entregada al compresor Siendo la eficiencia mecánica de la transmisión 0.98 tenemos que:
Cálculo de la potencia indicada Dónde:
̅
=0.98∗ =̅ ∗
: es la presión media indicada en
: es el volumen desplazado por unidad de tiempo
∗ ∗ = , = 60∗∗∗
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: K Alta= 180Psi /pulg. = 48862.2*10 3 N/m3 KBaja= 72 Psi /pulg. =19544.88*103 N/m3 Vd : volumen desplazado por unidad de tiempo m 3/s
S: carrera D: diámetro del pistón N: RPM Calores absorbidos por el agua de refrigeración
Q REF
C P (T a m
T ia ) ; [ kW].
Flujo masico
m :
C P T a
:
4.18 Kj
Kg º C
Temperatura del agua 13
T ia
:
Temperatura del agua a la entrada
Calculo de la energía aprovechable H 5
H
1
Donde: H 5
: Entalpia a la entrada del compresor
H 1
: Entalpia a la salida de postenfriador:
Cálculo de los calores absorbidos por el agua de refrigeración 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 específico para el agua a 27°C y 1atm. de condiciones ambientales. CeH2O = 4.18KJ/kg. °C
Cálculo de las entalpías en la entrada del compresor de baja y a la salida del postenfriador: Entalpía de ingreso h 1 = Cp T1 Entalpía de ingreso h 5 = Cp T5 h5 - h1 = Cp (T5 - T1), Cp = 1.0035 kJ/Kg-K 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) Perdidas de calor por radiación y conveccion H P H 5 1 entregada Q R Q RAD 14
Cálculo de las eficiencias volumétricas aparentes Para el cálculo de las eficiencias volumétricas podemos considerar que
≈
, ya
que esto ocurre cuando las pérdidas de presión en la entrada son pequeñas, así nuestra ecuación queda como sigue:
=1() 1;=
V m
V D
Cálculo de las eficiencias volumétricas reales En el compresor de baja presión la masa de aire que ocuparía todo el volumen de desplazamiento sería:
= ∗ nrealV
m real m d
Cálculo de la potencia isotérmica.
Dónde:
̇
̇ = ̇ = ̇ ln () []
: Volumen real del aire que circula por el compresor
P1: Presión de entrada Vd: volumen de desplazamiento. N : velocidad del compresor
̇ = ∗ ∗ 60 = ̇
La eficiencia isotérmica se define como sigue:
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Resultados 1
Flujo de agua de refrigeración Comp. Baja
Comp. Alta
Inter enfriador
post.
Q1 Lt/hr
Q2 Lt/hr
Q3 Lt/hr
Q4 Lt/hr
1
48.95
44.07
61.00
51.39
2
47.84
43.62
11.76
51.39
3
47.00
43.51
11.61
51.01
Ptos.
2 Ptos.
Flujo de aire Vol
Mas
m3/s
Kg/s
1
0.006556362 0.007616261
2
0.008150628 0.009468255
3
0.009582979 0.011132159
3
Potencia electrica Baja
Alta
Watts
Watts
1
1746
1935.15
2
2357.1
1981.225
3
3055.5
1986.075
Ptos.
4 Ptos. 1 2 3 5 Ptos. 1 2 3
Potencia al eje Baja Alta Watts Watts 1452.9942 1401.4775 1903.8311 1506.2762 2723.8494 1533.3421 Pot entregada Baja Alta Watts Watts 1423.9344 1373.4480 1865.7544 1476.1506 2669.3724 1502.6752
Total KWatts 2.7974 3.3419 4.1720
16
6
Pot indicada Baja
Ptos. 1 2 3
P K Vd Pot A m2 Lm n/m2 bar/m m3/s ind 1.769 195.44 0.000362 0.04 0.00813 1.439 1.847 195.44 0.000378 0.04 0.01045 1.930 1.808 195.44 0.00037 0.04 0.01230 2.223
7 Ptos. 1 2 3
QCBP kW 0.5962 0.8047 0.9269
1 2 3 9 Ptos. 1 2 3
kW h5-h1 0.0153 0.0950 0.1676
Engergia aprovechable kg/s cte dm Cp 0.0076 1.0035 0.0095 1.0035 0.0111 1.0035
1 2 3 11 Ptos. 1 2 3
K bar/m 488.6 488.6 488.6
Vd Pot m3/s ind 0.000343 0.044 0.00325 1.237 0.000351 0.044 0.00330 1.285 0.000287 0.043 0.00336 1.094 A m2
Lm
°C T5 28 36 41
°C T1 26 26 26
Perdida de calor por radiacion y correccion kW kW kW kW QRad Qa P int h5-h1 0.9825 1.7996 2.7974 0.0153 1.2168 2.0301 3.3419 0.0950 1.9887 2.0158 4.1720 0.1676
10 Ptos.
P n/m2 3.809 3.898 3.261
Calores absorvidos por el agua de refrigeración QCAP QIE QPE Qa kW kW kW kW 0.6390 0.1769 0.3875 1.7996 0.4554 0.0546 0.7154 2.0301 0.2523 0.0673 0.7692 2.0158
8 Ptos.
Alta
eficiencia mecánica Pind 1.4387 1.9298 2.2231
CBP Pentregada 1.4239 1.8658 2.6694
efic 101.04% 103.43% 83.28%
Pind 1.2370 1.2849 1.0944
CAP Pentregada 1.3734 1.4762 1.5027
efic 90.07% 87.05% 72.83%
Eficiencia volumétrica aparente CBP CAP P2 P1 n Vm VD E nv P4 P3 n Vm VD E nv 1.8 0.9968 1.2 0.0295 1.647 0.0179 0.989 8 1.8 1.25 0.0282 0.463 0.0609 0.850 2.1 0.9968 1.2 0.0295 1.647 0.0179 0.985 8 2.1 1.25 0.0282 0.463 0.0609 0.875 2.7 0.9968 1.2 0.0295 1.647 0.0179 0.977 8 2.7 1.25 0.0282 0.463 0.0609 0.910
17
12
Eficiencia volumétrica real CBP Ptos. P R T Vd md N md/tiemp mreal nvr 1 99680 286.7 299 0.001647 0.00192 889 0.0095 0.00762 0.805 2 99680 286.7 299 0.001647 0.00192 1142 0.0122 0.00947 0.779 3 99680 286.7 299 0.001647 0.00192 1344 0.0143 0.01113 0.778 12
Eficiencia volumétrica real CAP Ptos. P R T Vd md N md/tiemp 1 180000 286.7 303 0.000463 0.00096 1261 0.0067 2 210000 286.7 308 0.000463 0.00110 1280 0.0078 3 270000 286.7 310 0.000463 0.00141 1303 0.0102 13 Ptos. 1 2 3
mreal nvr 0.0076 1.133 0.0095 1.209 0.0111 1.093
Potencia isotérmica y eficiencia P 99.68 99.68 99.68
V1 0.00655 0.00814 0.00957
P2 1.8 2.1 2.7
CBP P1 0.9968 0.9968 0.9968
Wiso 0.386 0.605 0.951
niso 26.82% 31.34% 42.77%
P 180 210 270
V1 0.00368 0.00398 0.00366
P4 8 8 8
CAP P3 1.80 2.10 2.70
Wiso 0.9869 1.1183 1.0747
18
niso 79.78% 87.03% 98.20%
Conclusiones
De los cálculos obtenidos la eficiencia volumétrica de compresor de alta presión sale mayor a 100%, debido a datos mal tomados.
Según los resultados el compresor de alta presión presenta generalmente una mayor eficiencia isotérmica.
Si no se sabe usar el planímetro para medir el área escanear y medirlo en programa AUTOCAD escalándolo.
Recomendaciones y observaciones
Observar si los manómetros inclinados se encuentran en cero.
Drenar el condensado del interenfriador, pos enfriador y tanque del procedimiento del ensayo.
Para cada experiencia tomada calibrar las válvulas para una presión de 8 bar, para empezar a tomar los datos.
Para una realización más rápida pedir al técnico el brazo para el cálculo del torque.
Tomar los datos tanto de presión y temperatura del ambiente en el laboratorio, debido a que se usan en la experiencia.
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Bibliografía
MANUAL DE LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA III.
http://www.brighthubengineering.com/hvac/63725-effects-of-a-multi-stage-aircompressor/
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