Compresor experimental de aire dos etapas Objetivos: •
•
Conocer el funcionamiento de un compresor de dos etapas mediante la experiencia del mismo, para lo cual se aplicará los conocimientos adqu adquir irid idos os en el curs curso o de ter termodi modiná námi mica ca a n de co cono noce cerr los los indicadores tales como potencia y rendimiento. Conocer el esquema del compresor, con con dos compresores compresores de alta y de baja presión, como también los parámetros e instrumentos utilizados en la experiencia.
Fundamento teórico: 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 lueo se le expulsa, todo esto ocurre por el desplazamiento de un elemento móvil dentro del espacio cerrado. !a compresión de aire u otros ases mediante compresores alternativos "compresores de desplazamiento positivo# se puede considerar como un proceso de $ujo y estado estable "%&&'#. !a primera ley de la (ermodinámica aplicada a un %&&' es) *s + *i - +
"/0# &cuación "1#
2onde) *i entalp3a del aire que inresa al sistema. *s entalp3a del aire que sale del sistema. - trabajo del eje o indicado realizado sobre el sistema. pérdida de calor del sistema. !a ecuación anterior aplicada a compresores es) *4 + *1 -1 5 -6 + 1 + 6 + 7 + 8 +
"/0# &cuación "6#
2onde) *1 entalp3a del aire a la entrada de la primera etapa. *6 entalp3a del aire a la salida de la primera etapa. *7 entalp3a del aire a la entrada de la seunda etapa. *8 entalp3a del aire a la salida de la seunda etapa.
*4 entalp3a del aire a la salida del post enfriador. -1 trabajo espec3co entreado a la primera etapa. -6 trabajo espec3co entreado a la seunda etapa. 1 calor entreado al aua de refrieración de la primera etapa. 6 calor entreado al aua de refrieración del 3nter enfriador. 7 calor entreado al aua de refrieración de la seunda etapa. 8 calor entreado al aua de refrieración de la post enfriador. pérdidas de calor por convección y radiación. 'e debe observar que se debe tomar a - 1 y -6 como el trabajo entreado al compresor o como el trabajo indicado en el cilindro del compresor. &n el primer caso incluimos las pérdidas mecánicas del compresor, en el seundo las excluimos9 estas pérdidas aparecen como calores parciales en la camiseta de aua y parcialmente al medio ambiente. Consideremos un compresor ideal, sin volumen muerto y que no presente pérdidas de presión en la succión y descara. k k P 2 k −1 − 1 W = * R * M * T 1* P 1 k − 1
&l
trabajo
total
en
una
compresión
adiabática es) &cuación "7# 2ónde) - potencia en una compresión adiabática "-# : $ujo de masa de aire "/;s# &n un proceso politrópico el calor entreado por el aire es) Q = Cv *
n − k n −1
* M * (T 2 − T 1)
&cuación "8#
(1 temperatura de succión del aire. Cuando se desea comprimir aire a altas presiones se utilizan compresores de varias etapas. 'i no
P 2 P 1
=
P 4 P 3
=ara realizar el m3nimo trabajo en la compresión es necesario que la relación de presiones en todas las etapas sea iuales)
&cuación "4# P 2 = P 1 * P 4
&n un compresor de dos etapas la presión intermedia óptima
es) &cuación "># &l trabajo y la potencia entreados a un compresor real son diferentes a los obtenidos en el compresor ideal, ya que un remanente de as que queda en el volumen muerto se expande cuando las válvulas están cerradas. &l volumen muerto reduce la capacidad del compresor, esta reducción aumenta a medida que aumenta la relación de compresión. ?demás debido a las pérdidas de presión en las válvulas y tuber3as, la presión del aire durante la succión es menor que la presión del medio de donde es succionado y durante la descara la presión es mayor que la presión en la tuber3a de descara. &l funcionamiento de un compresor alternativo está caracterizado por los siuientes parámetros) E =
Vo Vd
1# &l porcentaje de volumen muerto, es la relación entre el volumen muerto @o y el volumen de desplazamiento @d. &cuación "A# &n compresores de baja presión & "6 B 4#. &n compresores de alta presión & "4 B 1D#. !a eciencia volumétrica aparente tomando en cuenta la perdida de presión la entrada se obtiene del diarama indicado. 6# &ciencia volumétrica real o total, esta eciencia diere de la anterior por los siuientes motivos) a# &l $uido se calienta durante toda la carrera de succión. Cuando se pone en contacto con las válvulas, paredes del cilindro y pistón. b# &xisten fuas por los anillos del pistón, válvulas y uniones.
&n compresores multietapas la disminución de la eciencia volumétrica es más acentuada debido a la precipitación de la
=
mr md
(0.65 − 0.85)
&cuación "E# &sta eciencia se dene como la relación entre peso de $uido descarado durante la revolución del eje del compresor y el peso de $uido a las η vr
=
mr md
(0.65 − 0.85)
condiciones de la l3nea de succión, que ocupar3a un volumen iual al desplazamiento total de una revolución. 'e utilizan además las siuientes eciencias para determinar la potencia realmente entreada al compresor. !a eciencia isotérmica ηisot. &s la relación de la potencia isotérmica - isot y la potencia indicada =F. !a eciencia mecánica ηm. &s la relación entre la potencia indicada -i y la potencia en el eje del compresor -eje. !a eciencia efectiva ηefec. G eciencia en el eje es el producto de la eciencia isotérmica ηisot o adiabática y la eciencia mecánica ηm. Weisot
Wisot =
η isot .η m
!a potencia real para mover el compresor es mayor que la potencia teórica y está determinada por las siuientes fórmulas. Weisot
=
1 60 * η eisot
P 2 P 1
* η v * Vd * N * P 1 * ln
&cuación "H#
&cuación "1D# 2ónde) I velocidad del eje del compresor "rpm#. @d volumen de desplazamiento "m7#.
7# =otencia Fndicada "Ii# !a potencia indicada que es la que se le entrea a la sustancia que se comprime en el compresor. !a potencia se dene como)
=resión) Usamos la presión media indicada de un ciclo termodinámico obtenida con ayuda del diarama indicado proporcionado por el indicador del tipo pistón "pmi#. @olumen) 'e toma el volumen de desplazamiento máximo del cilindro. (iempo) &s el tiempo para un ciclo termodinámico. =or lo tanto la potencia indicada será iual a) 2onde) =mi) =resión media indicada de un ciclo en I;m6 ?) Jrea del pistón !) Carrera del pistón I) K=: "o ciclo;min#) 2os "para ciclo de 8 tiempos#, Uno "para ciclo de 6 tiempos# !a presión media indicada se obtiene con el indicador de diarama que es un instrumento prove3do de un soporte que nos reistra el ciclo termodinámico que se suscita en escala reducida y se dene como la presión constante que durante una carrera produce un trabajo iual al trabajo indicado. 2iarama que se obtiene)
Equipo Datos técnicos del compresor
Mde cilindros Carrera"mm# 2iámetro inferior"mm# @olumen de 2esplazamiento"lts# @olumen :uerto"cm7# =resión máxima "bar# Kelación de velocidades :otor+compresor &ciencia de la
=KF:&K? &(?=? "baja presión# 6 1D1.> 1D1.> 1.18A
'&LUI2? &(?=? "alta presión# 1 1D1.> A>.6 D.8>7
6H.4
6E.6
1D.7 7+1
17.E 7+1
D.HE
D.HE
transmisión Kano de velocidades"rpm#
7DD+4DD
7DD+4DD
Procedimiento del ensayo 1. =rimero antes e encender el equipo) @ericar que los manómetros inclinados se encuentren en cero !lenar las pozas de aceite donde van colocados los termómetros • 2renar el condensado del interenfriador, postenfriador y tanque de almacenamiento @ericar que las válvulas de 7 v3as estén en la posición correcta ?justar los $ujos de aua de refrieración
termómetros, tacómetro cronometro e indicador de diarama# Ubicar los reuladores de velocidad en su posición m3nima &ncender primeramente el compresor de alta presión, lueo el compresor de baja Cuando la presión en el tanque de almacenamiento se acerca al valor deseado abrir lentamente la válvula de estranulamiento siendo la posición correcta de esta. !a obtención de una presión correcta del tanque cuando las ca3das de presiones tanto en la tobera y oricio de entrada sean iuales. • •
6. 7. 8. 4. >. A.
Esquema de la instalación
Hoja de datos
Presión barométrica: !" mm#$ %&': ( )F %&H: (* )F + Humedad: !+ P u Presión n de aire , t kg / cm o -
%emperatura del aire ,
℃
.anómet ro ,
-
2
P6
P2
/ E.6
6.1
Dinamómetro d presión
mm H 2 O
T A
T 1
T 2
61. 4
HE
T 3
76
T 4
16 D
T 5
T 6
7> 6.64
T 7
h0
hT
K=:
61
14.1
6D
1DA D
%uerza "/# 4.8
@ 1
0 E.1
P u n t o
1.H
66
Dinamómetro de alta presión
H4
76
/ 16E > 0 186 H
6.4
1ltura de los medidores de a$ua ,
K= :
17 81. D 4
cm H 2 O
F&
61
14
1A.4
HH7
%emperatura de a$ua de re2ri$eración ,
@olt .
?m p.
CN=
1H6
16
11
E
E.4
66.1
88
7.E4
66D
1D. 8 1D. 1
E
E
4
4.4
66
8D
C?=
=&
T ia
T 1
T 2 a
T 3
7H. 1 7H. 8
CN= "
n
Q = k H
Para el primer punto Compresor de baja)
¿ =10.4 x 12
0.527
0.527
h
= 38.526 ¿ =0.0106 h
Compresor de alta)
¿ =8.3 x 8
0.545
=25.779 ¿ =0.0072 h
kg s
kg s
2
#
7E
7.7>D1
81
7H
8.1E8D
%órmula para determinar los $ujos en función de la altura del aua alcanzada en los medidores.
h
T 4 a
3rea dia$r indic
8D
/5 Flujos de a$ua de re2ri$eración
0.545
-
1
cm
C4lculos:
Q 2=8.3 x H
℃
-
%uer za "/# 7.A4
Q 1=10.4 x H
8.H
Fnterenfriador) 0.5
Q 3=12.4 x H
¿ =12.4 x 11 =41.126 ¿ =0.0114 kg 0.5
h
h
s
=ostenfriador) 0.494
Q 4 =11.7 x H
¿ =11.7 x 8.5
=33.676 ¿ =0.0094
0.494
h
h
kg s
Para el se$undo punto Compresor de baja)
¿ =10.4 x 8
0.527
Q 1=10.4 x H
=31.114 ¿ = 0.0086
0.527
h
h
kg s
Compresor de alta) 0.545
Q 2=8.3 x H
¿ =8.3 x 5
0.545
h
=19.953 ¿ =0.0055 h
kg s
Fnterenfriador) 0.5
Q 3=12.4 x H
¿ =12.4 x 8 =35.072 ¿ =0.0097 kg 0.5
h
h
s
=ostenfriador) 0.494
Q 4 =11.7 x H
¿ =11.7 x 5.5
=27.159 ¿ =0.0075
0.494
h
h
kg s
05 Flujo de aire 'i utilizamos el medidor de la caja de aire cuyo diámetro de oricio es 76 mm. Q aire =36.094 x 10
m ´ aire =1.2577
2ónde)
√
−4
√
H T A m3 P 0 s
P 0 H kg T A
s
¯¿
P A → Presión barométrica ¿ H → h0 ( mdeH 2 O) T A → T . B . S . (en ) 1E.4OC
Para el primer punto
Q aire =36.094 x 10
´ aire =1.2577 m
√
−4
√
0.0151 x 291.5 0.8
0.8 x 0.0151 291.5
m3 =0.008466 s
=0.0080964
kg s
Para el se$undo punto Q aire =36.094 x 10
´ aire =1.2577 m
√
−4
√
0.015 x 291.5 0.8
0.8 x 0.015 291.5
m3 =0.008438 s
=0.0080695
kg s
65 Potencia eléctrica =ara ambos motores
Pelect .=VI ( atts )
2ónde) V → en !oltios
I → en am"erios
Para el primer punto Pelect #BP=162 x 12.9 =2.0898 k$ Pelect #AP=192 x 10.4 =1.9968 k$
Para el se$undo punto Pelect #BP=140 x 12.9 =1.806 k$ Pelect #AP=220 x 10.1 =2.222 k$
"5 Potencia le eje P e%e =
&x' 3.0592
atts
2ónde) & → en kg
' → en (P)
Para el primer punto Pe%e
=
P e%e
=
#BP
#AP
5.4 x 1070 3.0592
=1923.7055 atts
3.75 x 1286 3.0592
=1576.3925 atts
Para el se$undo punto P e%e
=
P e%e
=
#BP
#AP
4.9 x 993 3.0592
=1590.5138 atts
3.85 x 1429 3.0592
=1798.395 atts
!5 Potencia entre$ada 'iendo la eciencia mecánica D.HE de la transmisión)
Para el primer punto Pent =0.98 x 1923.7055=1.8852 k$ #BP
P ent
#AP
=0.98 x 1576.3925 =1.545 k$
P totalentregada=3.430 k$
Para el se$undo punto Pent =0.98 x 1590.5138=1.559 k$ #BP
Pent = 0.98 x 1798.395 =1.762 k$ #AP
Ptoralentregada=3.321 k$
(5 Potencia indicada
´ V d ( atts ) P otind.= " ´= "
kA *
2ónde)
´ "resiónmedia indicada en ' / m "→
2
3
V d → !ol+men des"la,ado "or +nidad de tiem"oen m / s
¯¿ / m k → cte del resorte ¿ A →-rea deli diagrama en m
2
*→ longit+d del diagrama en m
Constantes del resorte)
¯¿ /m #BP→k = 48
"si =130.29 ¿ "+lg
#AP→k =180
"si = 488.6 ba r / m "+lg
Para el primer punto Compresor de baja) −4
10 ´ = 130.29 x 4.8 x =1.4213 ¯¿ " − 4.4 x 10
2
Compresor de alta)
´= "
488.6 x 5.1 x 10 −2 4.5 x 10
−4
=3.1018 ¯¿
2ebido a la relación de velocidades motor;compresor es 7)1 Compresor de baja)
´ d =1.647 x 1070 =0.00979 m V
3
s
3
Compresor de alta)
´ d =0.463 x 1286 =0.00331 m V
3
s
3
5
P ot.ind
#BP
.
=1.4213 x 10 x 0.00979= 1.391 k$
P ot.ind
#AP
.
=3.1018 x 10 x 0.00331=1.026 k$
5
5 Calores absorbidos por el a$ua de re2ri$eración
!os calores absorbidos por el aua se pueden calcular valiéndonos de la primera ley de la termodinámica para un proceso de $ujo de estado estable "%&&'#.&n este caso nuestra Pnica
Para el primer punto
´ #BP =0.0106 x 4.18 x ( 44 −22.1 )=0.97034 k$ Q ´ Q #AP = 0.00716 x 4.18 x ( 40− 22.1 ) = 0.53557 k$
´ =0.0114 x 4.18 x ( 39.1−22.1 )= 0.8100 k$ Q I/
´ P/ =0.00935 x 4.18 x ( 38−22.1 )= 0.6214 k$ Q &l calor total absorbido por el aua de refrieración es) ´ ´ ´ ´ Q #BP + Q #AP + Q I/ + Q P/ =2.9373 k$
Para el se$undo punto
´ #BP =0.0086 x 4.18 x ( 40− 22.1 )=0.6435 k$ Q ´ Q #AP = 0.0055 x 4.18 x ( 41− 22.1 ) = 0.4345 k$
´ I/ =0.0097 x 4.18 x ( 39.4 −22.1 )=0.7014 k$ Q ´ =0.0075 x 4.18 x ( 39−22.1 ) = 0.52298 k$ Q P/
&l calor total absorbido por el aua de refrieración es)
´ #BP + ´Q#AP + ´Q I/ + ´Q P/=2.3034 k$ Q
75 Ener$8a aprovec#able
´ 5− H ´ 1 H 2ónde) ´ → ental"0a a la entrada del com"resor H 1
´ 5 → ental"0a ala salidadel com"resor H
Para el primer punto
´ 5− H ´ 1= ´m ( h5 −h1 )= ´m# " ( T 5−T 1 )=( 0.0080964 )( 1.0035 )( 36−21.5 ) H ´ − H ´ = 0.11781 k$ H 5 1
*5 E9ciencias mec4nicas Para el primer punto 1 )
=
1 )
=
#BP
#AP
P ind#BP
P entregada#BP P ind#AP
P entregada#AP
=
=
1.391 1.8852
1.026 1.545
=0.7378
= 0.664
Observaciones •
Con esta experiencia podemos comprobar que el trabajo de compresión disminuye a medida que la presión intermedia se acerca al valor teórico.
•
Una vez más nos damos cuenta de la importancia de la primera ley de termodinámica en este caso para un proceso de $ujo de estado estable "%&&'# ya que
Conclusiones •
•
Io colocamos el punto nPmero dos en aluno de los datos pedidos debido a que el tanque de aua el cual suministraba el aua se quedó vac3o
• !os calores absorbidos por los equipos son menores conforme nos acercamos a la presión intermedia teórica.
