Compresores Ariel

Usando principios de diseño para la solución de problemas en compresores

Recorramos una sesión de diseño. Esta sección le ofrece perspectivas sobre las relaciones, y a menudo los compromisos, que rigen el proceso de diseño. Luego puede aplicar estas relaciones para eliminar de raíz el origen de los problemas del compresor.

Conocimiento de las relaciones básicas de diseño antes de entrar en el mundo de la ingeniería: algunas relaciones físicas importantes que se deben conocer

• Leyes de los gases ideales

• Pie cúbico real versus pie cúbico estándar

• La importancia de conocer la temperatura y la presión del gas en cada etapa

• Ejemplo de diseño de un compresor

• Aplicación de las técnicas de diseño para detectar un problema

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Leyes de los gases ideales

Hay tres cosas que se deben calcular y controlar durante el proceso de compresión: la presión, el volumen y la temperatura. Estas tres características de los gases guardan una relación estrecha entre sí. Si una se mantiene constante, las otras dos tendrán una proporción directa o inversa. Las leyes de los gases ideales son:

• La ley de Boyle establece que cuando la temperatura se mantiene constante y el volumen disminuye, la presión aumenta.

• La ley de Amonton establece que cuando el volumen se mantiene constante y la temperatura aumenta, la presión aumenta también.

• La ley de Charles establece que cuando la presión se mantiene constante y la temperatura aumenta, el volumen aumenta también.

Definición del pie cúbico estándar Cuando medimos el volumen de gas de un compresor, debemos usar un estándar que se aplique a todas las condiciones de presión atmosférica. La presión del aire ambiente en la playa en Galveston, Texas, será considerablemente superior a la presión en Denver, Colorado, durante una tormenta de nieve. Parte de esa diferencia es atribuible a la altura relativa sobre el nivel del mar de ambas ciudades. La diferencia restante se relaciona con la temperatura relativa. Lo más probable es que la playa sea un poco más templada.

Cientos de años atrás, al pie cúbico estándar se lo definía como el estándar para medir el volumen de gas. Las condiciones eran similares a las de la playa de Galveston en el invierno. Si estamos en una playa y la temperatura actual es de 60 ºF, es probable que no nos demos un baño. De modo que podemos centrarnos en el tema que hoy nos preocupa, ¿verdad? Con estas condiciones de temperatura y presión, si colocáramos una caja abierta en la playa que tuviera dimensiones de un pie cúbico y luego la cerráramos, tendríamos un pie cúbico estándar de aire en la caja. Por definición, las condiciones necesarias para crear un pie cúbico estándar de aire son una temperatura ambiente de 60 °F y una presión ambiente de 14,7 PSI.

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Pie cúbico real versus pie cúbico estándar

Después de disfrutar un viaje a la playa, hablemos de las condiciones en el mundo real. Si tomáramos la caja con aire de la playa e introdujéramos la tapa hasta la mitad de la caja sin dejar que se escape el aire, el volumen de aire en la caja sería ? pies cúbicos reales. Sin embargo, el volumen de aire en la caja aún es 1 pie cúbico estándar. La diferencia es que ahora el mismo gas tiene ? del volumen real que tenía, y la temperatura y la presión han aumentado. La medición del pie cúbico real y el pie cúbico estándar para un gas es la misma únicamente cuando las condiciones ambientales son 60 °F y 14,7 PSI.

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La importancia de conocer la temperatura y la presión del gas en cada etapa

Si combinamos las leyes de los gases ideales y el concepto del pie cúbico estándar, podemos calcular la temperatura, la presión y el volumen de un gas a medida que avanza por el compresor, sin necesidad de ir a la playa y comprimir una caja. Y si bien el viaje a la playa puede sonar divertido, calcular qué hará un compresor antes de construirlo ciertamente genera un ahorro muy grande de tiempo y dinero.

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Ejemplo de diseño de un compresor

Este ejemplo le sirve de guía para seguir los pasos habituales del proceso de diseño de un compresor. Saber cómo fue diseñada una máquina para alcanzar el rendimiento deseado le puede servir para detectar por qué no se llega al rendimiento deseado una vez puesta en funcionamiento.

Paso 1 - Determinar la relación de compresión general

Comenzamos el proceso de diseño calculando la relación de compresión general desde las presiones de entrada y descarga del sistema. Supongamos que tendremos una presión manométrica de entrada de 100 libras por pulgada cuadrada y deseamos obtener una presión manométrica de salida final de 1000 libras por pulgada cuadrada. Lo obvio sería dividir 1000 por 100 y afirmar que la relación de compresión general es 10. Pero sería incorrecto. Recuerde que los números mencionados aquí eran presiones manométricas. Debemos trabajar con presiones absolutas. Eso significa que hay que sumar presión atmosférica (14,7 libras a nivel del mar, y corregir esto según su ubicación) a las presiones manométricas. Después de corregir agregando presión atmosférica y dividir la presión final por la presión de entrada, obtenemos una relación de compresión general de 8,84.

En aplicaciones prácticas, las relaciones de compresión generales suelen ser estándar. Las aplicaciones de recolección de gas limitan las relaciones de compresión entre 2,4 y 4,0 por etapa. Las aplicaciones de gas natural comprimido (GNC) comienzan desde 5 libras por pulgada cuandrada y llegan hasta 4600 libras por pulgada cuadrada. Por otro lado, las aplicaciones de gasoducto utilizan relaciones de compresión muy bajas, entre 1,05 y 1,2 en una unidad de etapa única. Independientemente de cuál sea la aplicación, el cálculo de la relación de compresión general es el primer paso del proceso de diseño.

Paso 2 - Cantidad de etapas

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