UNIDAD 5.COMPRESORES MAQUINAS & EQUIPOS TERMICOS II. I.I.M. CHUC BAQUEDANO BALTAZAR ABIMAEL. INTEGRANTES: • CAUICH PECH LUIS ÁNGEL. • CHAN MOO JOSÉ MARÍA. • ARAGÓN SERRANO LEONEL RAFAEL. • PERALTA POOL JAVIER. • ROMERO PARRA RICHARD DE JESÚS. INTRODUCCIÓN Aplicaciones del aire comprimido. El aire comprimido tiene una infinidad de aplicaciones, debido a su adaptabilidad y facilidad de transporte. Una importante aplicación es: Accionamiento de taladros. Martillos chorros de arena. Controles. Pulverizadores. Bombas. La compresión del aire constituye un factor capital en el funcionamiento de los motores de combustión interna y turbinas de gas. Para el transporte de gas natural y otros gases mediante tuberías, se utilizan compresores muy parecidos a los empleados para el aire. La obtención del oxigeno, nitrógeno y gases raros se efectúa comprimiéndolos y a continuación enfriándolos hasta alcanzar el punte de licuefacción. LA PRESION RELATIVA para los controles neumáticos es de 0.07 a 1.05 kg/cm² para las herramientas neumáticas 5 a 6.5 kg/cm² para motores de aire, 3 a 7 kg/cm², si el aire se expansiona y para la licuefacción del aire como medio para separar sus componentes, de 140 a 245 kg/cm² 1 Clasificación .5. Compresores de flujo axial. Compresores de émbolo. inferiores a 385 mm de agua. Ventiladores centrífugos de flujo radial. II. . Ventiladores – no compresores. 3. Compresores de flujo mixto. 6. Ventiladores – compresores. se utilizan generalmente ventiladores. los cuales pueden clasificarse como sigue: I. De desplazamiento positivo: 1. 2. Para producir aire a bajas presiones. 5. o dinámicos: 4. De desplazamiento no positivo. por encima de este valor se emplean varios tipos de compresores y ventiladores. . Los compresores de émbolo tienen válvulas de admisión y de escape y un pistón y la correspondiente lubricación de los anillos y paredes del cilindro. debido a que no hay contacto entre metal y metal. Los compresores y ventiladores centrífugos carecen de válvulas y no necesitan lubricación interna. Por esta razón el aire comprimido contiene cierta cantidad de aceite de engrase. Capacidad. Es el volumen (m³) obtenido multiplicando la superficie del émbolo (m²) por la carrera (m) de émbolo. Es la cantidad de aire libre realmente aspirado por un compresor. Desplazamiento por minuto. Es el producto del desplazamiento del émbolo por las revoluciones por minuto. Generalmente se expresa en m³/min. Terminología de los compresores de aire. . Desplazamiento del émbolo. Es el que existe en las condiciones de presión y temperatura reinantes en la aspiración de compresor. Aire libre. Compresor ideal de émbolo. V1 es también el desplazamiento de este compresor ideal de simple efecto. y que no haya espacios perjudiciales en el cilindro. La palabra ideal supone que no existan pérdidas por rozamientos. y se representa por la longitud del segmento rectilíneo 4 – 1. . que el gas comprimido sea perfecto. En la figura se representa un compresor de esta clase: La superficie sombreada 1 – 2 – 3 – 4 – 1 es el trabajo que hay que efectuar para comprimir y descargar un volumen V1 de aire libre. éstas no bastan para enfriar adecuadamente el gas si no se le hace pasar por los refrigeradores instalados entre los escalonamientos. Si bien es cierto que en todos los cilindros puede haber camisas de agua. el compresor ideal con varios escalonamientos supone un control perfecto de presión y de transmisión de calor en los inter refrigeradores. Además de las hipótesis corrientes en la compresión isoentrópica. . pero con dos escalonamientos. de suerte que entre ellos pueden intercalarse refrigeradores. En la figura aparecen los diagramas correspondientes a los cilindros de baja y alta presión de un compresor de simple efecto.Compresor ideal de varios escalonamientos Los compresores se construyen en varios escalonamientos. . El aire es aspirado por el “oído” del impulsor y recibe un movimiento tangencial de gran velocidad mediante las paletas del impulsor. siendo lanzado hacia afuera por la fuerza centrífuga. de elevada velocidad (3 000 a 40 000 r. .m.p.). y frecuentemente son accionadas por turbinas de características de velocidad similares. se descarga el aire. Consiste en un impulsor rotatorio y en uno o más pasos divergentes. a cuyo través. Compresores Son máquinas centrífugos. Compresores de flujo axial. Los resultados obtenidos con las experiencias llevadas a cabo con los perfiles aerodinámicos en los túneles de ensayos han dado como resultado que el compresor axial (Figura 232) se haya colocado a la cabeza de los tipos utilizados en las turbinas de gas. Con este tipo de compresor se alcanzan rendimientos isoentrópico de 85 a 90 %. . los valores máximos se obtienen con los compresores de gran tamaño. . 5.2 ANÁLISIS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA EN UN COMPRESOR RECIPROCANTE Y CENTRÍFUGOS. El primer principio de la Termodinámica expresa que el calor que se le entrega a un sistema se invierte totalmente en aumentar su energía interna y en realizar trabajo exterior: δQ = dU + δW O por unidad de peso: δq = du + δw . δW es un diferencial exacto.2) se deduce que por cualquiera de ellos ∫AB(δQ − δW ) toma el mismo valor. por lo que δQ . expresa que el trabajo realizado por un sistema en un ciclo es igual al calor intercambiado por el mismo: Si se consideran dos condiciones A y B de un sistema y dos procesos (1) y (2) que llevan de una a otra (ver figura 1. Aplicado a un ciclo. . el trabajo δW vale: δW = ∫A pdsdA . y ds su desplazamiento durante la expansión. Sea un cuerpo homogéneo de volumen V sometido a una presión uniforme p. Llamando dA a un elemento de la superficie exterior de ese cuerpo. realizándose por lo tanto un trabajo δW. Otra consecuencia importante del 1er principio es la relación entre trabajo intercambiado y cambio de volumen. Si a dicho cuerpo se le entrega una cierta cantidad de calor δQ se dilatará hasta ocupar un volumen V + dV. dV A El trabajo realizado cuando el cuerpo pasa de un volumen V1 a un volumen V2 vale: . Suponiendo que p se mantiene uniforme y constante: δW = p∫AdsdA = p. 3 COMPRESIÓN MULTIETÁPICA CON ENFRIAMIENTO INTERMEDIO. . Cuando el fluido de trabajo utilizado en el sistema de refrigeración en cascada es el mismo. ya que éste cuenta con mejores características de transferencia de calor. 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.5. el intercambiador de calor entre las etapas puede sustituirse por un intercambiador de calor regenerativo. La Figura 3. .18 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 la presiones del evaporador y el condensador. . 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. La cámara de mezclado actúa como un enfriador intermedio regenerativo. 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. 18. en la cual se ha supuesto compresión isotrópica. El líquido saturado de la cámara de expansión se estrangula al pasar a la presión del evaporador en el estado 9. los flujos en cada circuito no son iguales. . El proceso de compresión de dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo se muestra en un diagrama Ts en la Figura 3. Aunque el mismo refrigerante circula en ambos circuitos de todo el sistema. . En este análisis supongamos que la unidad de masa pasa por los estados 3-4-5-6 del circuito de alta presión. Con objeto de analizar el sistema conviene suponer que en uno de los circuitos circula la unidad de masa. 18 y ésta es la fracción del flujo que pasa por el condensador que atraviesa la cámara de mezclado. La fracción de vapor formado en la cámara de expansión es la calidad x del fluido en el estado 6 de la figura 3. La fracción del líquido que se forma es (1-x) y es la fracción del flujo total que pasa por el evaporador. . Se puede evaluar la entalpía en el estado 3 por medio de un balance de energía en la cámara de mezclado en condiciones adiabáticas: en la que h3 es la única incógnita. El efecto de refrigeración por unidad de masa que pasa por el evaporador es: . es decir. . La entrada total de trabajo al compresor por unidad de masa que pasa por el condensador es la suma de las cantidades para las dos etapas. El coeficiente de funcionamiento del ciclo de compresión de vapor en dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo se define como qrefrig/wcomp. 5.4 Eficiencia isotérmica del compresor. . MAQUINAS Y EQUIPOS TERMICOS 2 .6 Eficiencia poli trópica del compresor.5. . que también aportan calor. En un proceso real. Estas imperfecciones conducen a que la relación entre la variación de la temperatura y la presión deba escribirse de la siguiente forma: Donde n es el índice de la politrópica de compresión. la compresión no es isetrópica debida a que existen irreversibilidades de tipo termodinámico. hay intercambio de calor con el exterior y además hay rozamiento mecánico entre las piezas móviles. teniendo en cuenta también la compresibilidad del gas. A medida que aumenta la eficiencia de la refrigeración. el trabajo interno por unidad de masa. disminuye el valor del índice de la politrópica y disminuye el trabajo de compresión. Con lo cual. el índice de la politrópica será mayor que el de la isentrópica (n>k) y el trabajo de compresión será mayor que el isentrópico. vendrá dado por: . Si el compresor esta mal refrigerado. La eficiencia politrópica se define como la relación entre el trabajo necesario para comprimir un gas desde la presión hasta la presión a través de un proceso politrópico reversible y la energía realmente consumida. . 7 Trabajo ideal del compresor .5. el volumen V es proporcional al volumen especifico: . En abscisas se representa el volumen V de gas encerrado en la cámara de compresión. Para el proceso de compresión 1-2. 2.Supóngase que el ciclo del compresor es el de la Fig. donde 4-1y 2-3 son procesos a presión constante.7. en el proceso 1-2 : .G 1 siendo G el peso del gas atrapado en el punto 1.V=v. 1 Análogamente para el proceso 3-4. Se cumplirá. . . El trabajo que se debe dar al compresor para que realice este ciclo. es la suma algebraica de los trabajos de cada proceso. Podemos analizar estos trabajos. suponiendo diferentes procesos de compresión: . por lo que el trabajo total es igual a la suma del trabajo de aspiración.5. más el trabajo de compresión.8 TRABAJO REAL DEL COMPRESOR. más el trabajo de descarga. nos queda: . por tanto. (Compresión a temperatura constante. con refrigeración perfecta). la energía interna sólo depende de la temperatura.a) Compresión isoterma. Si aplicamos el primer principio de la termodinámica para sistemas cerrados: Como para los gases ideales. y ésta no varía. Es decir el trabajo que se ha de realizar sobre el fluido. es igual al calor extraído al fluido para mantener constante su temperatura. en el proceso de compresión. . (Compresión sin refrigeración).b) Compresión adiabática. Si aplicamos el primer principio de la termodinámica para sistemas cerrados: Como no hay transferencia de calor. nos queda que: . en el proceso de compresión es igual al incremento de energía interna que sufre el fluido. Podemos calcularlo por: . el trabajo que se ha de realizar sobre el fluido. Es decir. ni una ni otra de las evoluciones anteriores. que realmente la podemos describir como una compresión politrópica con un exponente n.3 .4 Usualmente. no se da. c) Compresión politrópica. lo que se consigue es una intermedia. En la realidad.2 < n < 1. es decir una compresión con refrigeración imperfecta.35 Para compresores medianos refrigerados por agua: 1. comprendido entre: 1 < n < 1. para compresores pequeños refrigerados por aire: n = 1. es respectivamente: Si realizáramos un estudio energético. de todos los procesos. . La ecuación de la politrópica para el trabajo y potencia. por lo que nosotros elegiremos compresores que se acerquen lo más posible a este tipo de proceso. veríamos que el que gasta menos energía es el proceso isotérmico.