Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad del Bío Bío Concepción, Chile
Laboratorio N°3 Balance de compresor alternativo Nombre: Sebastián Aguayo San Martin Asignatura: Termodinámica Aplicada (440140). Profesor: Daniel Pradenas. Ayudante: Cristopher Gallegos. Fecha: 10/05/2017.
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Introducción
Esta experiencia tiene como objetivo principal, permitir que nosotros los alumnos puedan relacionarse y entender de mejor manera el balance térmico de un compresor alternativo. Los compresores son máquinas que tienen por finalidad aportar energía a los fluidos compresibles (como gases y vapores), para hacerlos fluir aumentando al mismo tiempo la presión. Un compresor admite gas o vapor a una presión P 1, descargándolo a una presión P2, la cual es mayor que P1. La energía necesaria para desarrollar este proceso proviene de una fuente exterior. En este laboratorio se verificará el correcto funcionamiento de los instrumentos de medición, se necesita obtener una condición de flujo constante, el cual se controlará por medio de la válvula de globo ubicada en la salida del estanque. Luego se verificará que la lectura del manómetro de bourdon permanezca constante por al menos 5 minutos, luego de eso se pueden realizar las mediciones, y así completar las tablas ya señaladas en la guía de laboratorio.
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Objetivos
Obtención de parámetros correspondientes a un balance térmico de un compresor alternativo.
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Marco teórico
Un compresor es una máquina que eleva la presión de un gas, un vapor, o una mezcla de gases y vapores. Son máquinas de flujo continuo en donde se transforma la energía cinética (velocidad) en Trabajo (presión).
La capacidad real de un compresor es menor que el volumen desplazado del mismo, debido a razones tales como:
A) Caída de presión en la succión. B) Calentamiento del aire de entrada. C) Expansión del gas retenido en el volumen muerto. D) Fugas internas y externas.
1 - DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO: a) - COMPRESORES DE EMBOLO b) - VETILADORES COMPRESORES c) - VENTILADORES NO COMPRESORES 2 - DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO, O DINAMICOS: a) - VENTILADORES CENTRÍFUGOS DE FLUJO RADIAL. b) - COMPRESORES DE FLUJO AXIAL. c) - COMPRESORES DE FLUJO MIXTO.
Se subdividen en dos categorías básicas: Reciprocante y Rotatorios. El compresor reciprocante tienen uno o más cilindros en los cuales hay un pistón o embolo de movimiento alternativo que desplaza un volumen positivo en cada carrera.
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Los rotatorios incluyen los tipos de lóbulos, espiral, aspas o paletas y anillos de líquido. Cada uno con una carcasa, o con más elementos rotatorios que se acoplan entre sí, como los lóbulos o las espirales, o desplazan un volumen fijo en cada rotación.
Compresores Reciprocantes o de Pistones:
1) Los compresores reciprocantes abarcan una capacidad muy pequeña hasta unos 3000 PCMS. 2) Para equipo de procesos no se utilizan mucho los tamaños grandes y se prefieren los centrífugos. Si hay alta presión y un gasto más bien bajo, se necesitan los reciprocantes. 3) El número de etapas o cilindros se debe seleccionar con relación a las o temperaturas de descarga, tamaño disponible para los cilindros y carga en el cuerpo o biela del compresor
Compresores Rotatorios o de Tornillo
1) Los sopladores, bombas de vacío y compresores rotatorios todos son de desplazamiento positivo, en los cuales un elemento rotatorio desplaza un volumen fijo con cada revolución. 2) El más antiguo y conocido es el de lóbulos, el cual dos o tres rotores en forma de •8• se acoplan entre sí y se impulsan con engranes de sincronización montados en cada eje. 4) Los sopladores de lóbulos van desde unos 2 SCFM, hasta los 20000 SCFM. 5) Se usan principalmente como sopladores de baja presión, que comprimen el aire o gases hasta 5 a 7 psig y algunos hasta 25 psig. 6) También se utilizan como bombas de vacío, que son en realidad compresores que funcionan con presiones de succión inferiores a la atmosférica y con presiones de descarga iguales a la atmosférica o un poco mayores.
Compresores de Émbolo o Pistones:
Se muestra el esquema de un compresor de émbolo típico. Es en esencia una máquina con un mecanismo pistón-biela -manivela. Todos los compresores son accionados por alguna fuente de movimiento externa. Lo común es que estas fuentes de movimiento sean motores, lo mismo de combustión como eléctricos. En la industria se mueven compresores accionados por máquinas de vapor o turbinas.
Ventilador - Compresor:
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Compresor refrigerado por aire y aceite, totalmente automático y silencioso, con motor hermético. La novedad de este compresor es la refrigeración del motor por ventiladores de aire. Dotado de aletas disipadoras en el cabezal del motor. Este modelo es adecuado para trabajos en talleres y estudios con consumo medio de aire.
Compresores de Desplazamiento No positivo, Dinámicos o Centrífugos:
Los compresores Dinámicos son de los más utilizados en la industria, porque su construcción sencilla, libre de mantenimiento y permite un funcionamiento continuo durante largos periodos. El compresor centrifugo más sencillo es el suspendido, de una sola etapa. Los hay disponible para flujo desde 3000 hasta 150000 PCMS o SFCM.
Compresores Centrífugos de Flujo Radial:
El Compresor Centrífugo es un tipo de turbocompresor que puede presentar un flujo radial, diagonal, o una combinación de ambos. Las velocidades periféricas de las secciones medias de entrada y salida son sustancialmente diferentes. Este Compresor cuenta con una pieza rotatoria y no requiere de aceite lubricante ni de sellos de gas, lo que supone: 1.- Bajo costo de manufactura 2.- Poco mantenimiento 3.- Bajo costo de reparaciones 4.- Bajo costo de reemplazo
Compresores de Flujo Axial
En estos compresores, el flujo del aire es paralelo al eje o al árbol del compresor y no cambia de sentido como en los centrífugos de flujo radial. Cada etapa consta de aspas rotatorias y fijas. En un diseño de reacción de 50 %, la mitad del aumento de la presión ocurre en las aspas del rotor y las de la segunda mitad en las del estator. Los compresores isotérmicos de flujo axial y de flujo axial- radial están diseñados para manejar grandes volúmenes de flujo de aire y de otros gases depurados dentro de una carcasa relativamente pequeña, mientras conservan un alto rendimiento.
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Formulas
Densidad del aire
ρ aire=
P1 Rp Tsal
Calculo de la velocidad con una placa de orificio
V´
¿ 2=
√
2∆ p d2 4 ρ aire (1− ) d1
( )
Donde d1=79mm y d2=31.2mm
Calculo de caudal V´ =V´
* CD * A2
Donde CD= 0.623
Calculo flujo másico del aire
m ´
=
ρ aire V´
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Calculo de volumen aspirado
m ´ RpT 1 P1
Vaspirado =
Calculo del rendimiento volumétrico
VD = Apiston * LC * N * 2 Donde Dpiston = 101 mm LC = longitud de carrera N = número de vueltas
n volumen=
V asp Vd
Cálculo del índice politrópico
ln ( n= ln
P2 ) P1
( PP 21 )−ln ( TT 12 )
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Calculo calor rechazado
Cn = Cv
( K−n 1−n )
Donde K= 1.4 Cv= 0.71 KJ/KgK
Qrechazado =
Calculo de potencia indicada
W =m
mCn ´ ∆T
n Rp ∆ T n−1
Calculo de potencia eléctrica
W = √ 3V I cos ∅
Calculo de potencia en el eje del motor eléctrico
Weje =
n electrico∗Welectrico
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Resultados Datos: Tambiente = 292.1 °K Presión atmosférica = 759.3 Milímetros de mercurio = 101.23 Kpa
Tablas
Los siguientes resultados presentan unidades de medidas diferentes a las obtenidas en el laboratorio, ya que favorece el desarrollo de las formulas.
Medición
T2 (°K)
Corriente (A)
Presión (Kpa)
∆ h (m)
Tsalida
RPS
(°K)
1
347
13.5
206
0.040
292.2
12.405
2
397.5
13.7
275.79
0.060
294.8
12.385
3
440.5
13.6
344.738
0.060
301
12.446
4
451.9
13.7
413.685
0.040
303.2
12.39
Datos Compresor: • Diámetro del Pistón: 101 mm • Largo de Carrera: 102 mm • Cos Ø: 0.85 • Voltaje: 380 V
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• η eléctrico: 97 % • η transmisión: 98 %
Cálculos Densidad del aire
ρ aire=
292.1 0.287∗292.2
= 3.4831 [kg/m3]
Calculo de la velocidad con una placa de orificio
V´
¿ 2=
Donde d1=79mm y d2=31.2mm
√
2∗9,8∗0.04 m =0.96378[ ] 2 s 0.0312 (1− ) 0.079
(
)
Calculo de caudal V´ =0.96378
* 0.623 * (π*0.03122) /4 = 0.0004605 [m3/s]
Donde CD= 0.623
Calculo flujo másico del aire
m ´
kg = 1.224∗0.0004605=0.00056365[ s ]
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Calculo de volumen aspirado 0.00056365∗0.287∗292.1 101.23
Vaspirado =
= 0.0004667 [m3/s]
Calculo del rendimiento volumétrico VD = (π*0.1012) /4* 0.102 * 12.405 * 2 = 0.02027 [m 3/s] Donde Dpiston = 101 mm LC = longitud de carrera N = número de vueltas
n volumen=
0.0004667 0.02027
= 0.023024
Cálculo del índice politrópico 275.79 ) 206 n= 275.79 294.8 ln −ln ( ) 206 292.2 ln (
(
)
= 1.0313
Calculo calor rechazado
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Cn = 0.71
( 1.4−1.0313 1−1.0313 )
= -8.3634
Donde K= 1.4 Cv= 0.71 KJ/KgK Qrechazado =
0.00056365∗−8.3634∗(347−292.2) = -0.2583 [kW]
Calculo de potencia indicada W =0.00056365
1.0313 ∗0.287∗( 347−292.2 )=0.2920[kW ] 1.0313−1
Calculo de potencia eléctrica
W=
√ 3∗380∗13.5∗0.85=7552.60
Calculo de potencia en el eje del motor eléctrico
Weje =
0.97∗7552.60=7326.022
Se realizó este mismo procedimiento para las mediciones 2 3 y 4.
Mediciones
Densidad del aire
2
3
4
3.2558
3.9906
4.7539
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Velocidad orificio
placa
de 1.1804
1.1804
0.9637
Caudal
0.0005622
0.0005622
0.0005418
Flujo másico del aire
0.0018304
0.002243
0.0005756
Volumen del aire
0.00056314
0.0006089
0.0001210
Rendimiento volumétrica 0.02024
0.02034
0.02025
Índice poli trópico
1.009
1.1
1.2
Calor rechazado
-30.84
-2.19
-0.71
Potencia indicada
0.1177
0.049
0.00208
Potencia eléctrica
7664.49
7608.55
7384.77
del 7434.55
7380.29
7163.22
Potencia del motor elect.
eje
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Conclusiones
Al momento de obtener los datos se realizaron las tablas correspondientes los cuales arrojaron datos que no eran lógicos, por el hecho de obtener un ∆ h igual en la medición 2 y 3, lo cual no debería ocurrir ya que al aumentar la presión debería aumentar el ∆ h,por este motivo no se pudo realizar un correcto balance al compresor alternativo, ya que los datos eran erróneos, aun así se continuo con el desarrollo de las actividades, calculando sus propiedades, se aproximaron algunos valores para el mejor desarrollo de estos.
No se pudo realizar el diagrama de Sankey por el nulo conocimiento de este.
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