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Compresor De 2 Etapas

Tzakbu18 de Septiembre de 2013

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Contenido

Objetivo…………………………………………………………………………....……......3

Introducción………………………….…………………………………………………......3

Nomenclatura…………………………………………………………………………….....3

Marco Teórico…………………………………………………………………………..…..4

Metodología para el cálculo de los estados………………………………………………...6

Resultados obtenidos……………………………………………………………....…….....8

Bibliografía.. ………..……………………………………………………………….…....10

Gráficas…………………………..……………………………………………..…………11

Objetivo

Aprender el funcionamiento de la compresión de dos etapas con refrigeración intermedia, aplicar la termodinámica de los compresores y la refrigeración para el cálculo de los estados y analizar las mediciones obtenidas.

Introducción

Es deseable enfriar un gas cuando está comprimiéndose porque esto reduce el trabajo de entrada requerido al compresor. Una técnica es la compresión de etapas múltiples con enfriamiento intermedio, en la que el gas se comprime en etapas y se enfría entre cada una de estas pasándolo a través de un intercambiador de calor llamado interenfriador.

En este reporte se presenta la aplicación de la termodinámica de la compresión de etapas múltiples con enfriamiento intermedio, para conocer los procesos que acurren en el funcionamiento, así como el análisis de las mediciones y resultados obtenidos.

Nomenclatura

C_p Calor específico a presión constante del aire, 1003.411 J/kg K.

ṁc Flujo de combustible, kg/s.

ṁa Flujo de aire, kg/s.

N Revoluciones del motor o dinamómetro, rpm.

P Presión, bar.

q Calor por unidad de masa, J/kg.

Ra Constante particular del aire, 286.689 J/kg K

rpm Revoluciones por minuto.

T Temperatura, °C.

v Volumen específico, m^3/kg.

W Trabajo por unidad de masa, J/kg.

x Relación igual a, [0.2857].

n Índice politrópico

CBP Compresor de baja presión

CAP Compresor de alta presión

Letras griegas

ɳ_SIT Eficiencia esoentrópica de expansión.

ɳ_sic Eficiencia isoentrópica de compresión.

Subíndices

rech Rechazado.

sum Suministrado.

[1, 2,...,n] Estados de los ciclos.

[1s, 2s,…,ns] Estados isoentrópicos de los ciclos.

Marco Teórico

En la compresión en etapas, se puede refrigerar el aire entre cada una de ellas mediante un sistema de refrigeración intermedio (con un agente enfriador exterior que puede ser el aire o el agua), cuya acción principal es la de dispersar el calor producido durante la compresión.

La refrigeración intermedia se consigue cuando la temperatura del aire que sale del refrigerador intermedio es igual a la temperatura del aire a la entrada en la aspiración del compresor. Cuando las relaciones de compresión de todas las etapas sean iguales, se logra un consumo de potencia mínimo. Si aumentamos el número de etapas, la compresión se acercará a la isoterma del aire inicial, que es la transformación de compresión que requiere menos trabajo. La compresión en dos o más etapas permite mantener la temperatura de los cilindros de trabajo entre límites razonables; temperaturas anormalmente altas llevan consigo el riesgo de explosiones y carbonización del aceite lubricante y problemas en las válvulas. Los compresores más usuales en el mercado tienen refrigeración intermedia, y son de dos etapas. El cilindro de baja presión, que es el que comprime el aire aspirado hasta una presión aproximada de 2 a 3 bar, y el de alta presión, que comprime el aire recibido hasta la presión de trabajo o descarga, indica que la energía que requiere el conjunto de cilindros es muy inferior a la que exigiría si toda la compresión se hubiera realizado de una sola vez.

Para un compresor de dos etapas, el trabajo teórico efectuado es mínimo cuando los dos cilindros logran idéntica cantidad de trabajo debido a que el cilindro de alta presión tiene que admitir todo el aire entregado por el cilindro de baja presión, la presión del refrigerador intermedio viene fijada por el tamaño de los cilindros. El trabajo total es la suma del trabajo del compresor de baja presión mas el trabajo del compresor de alta presión.

Durante la compresión se engendra calor y si no se elimina se eleva la temperatura del aire a medida que se va comprimiendo. En la mayoría de las aplicaciones, la elevación de la temperatura que sufre el fluido al ser comprimido, es perjudicial para su utilización. Por lo tanto, los compresores se refrigeran para evitar este efecto y reducir el trabajo absorbido por la compresión. Siendo poco práctico que el aire retenga todo su calor, se recurre a eliminarlo a medida que se comprime mediante procedimientos apropiados.

La potencia mínima necesaria en la compresión es la correspondiente a una compresión isotérmica, que es irrealizable en la práctica, pero que puede aproximarse fraccionando la compresión en varias etapas, refrigerando el gas entre cada etapa, de forma que el conjunto de la compresión se aproxime a la isotérmica. Como contrapartida, el ampliar el número de etapas incrementa la pérdida de carga total en las válvulas, refrigeradores y separadores, al tiempo que el precio del compresor aumenta con el número de etapas.

Para grandes relaciones de compresión hay que acudir a la compresión por etapas. La principal ventaja de este tipo de compresión es que permite una refrigeración del fluido (vapor o gas) entre etapa y etapa, que se traduce en un ahorro de la energía a aportar para mover el compresor, tomando la precaución de no refrigerar en exceso, ya que pudiera ser que el ahorro de energía de compresión fuese inferior al de los gastos de refrigeración. Como el paso del gas por el sistema de refrigeración supone una pérdida de carga, la presión del gas que llega a la admisión de la siguiente etapa será inferior a la de salida de la etapa anterior, lo cual supone una pérdida de energía extra que habrá que añadir. Un dato importante a tener en cuenta es que el bypass, entre succión y descarga, tiene que estar refrigerado, ya que de no ser así entraría gas caliente en la etapa de admisión el cual al ser comprimido se recalentaría y se podría llegar a la rotura del compresor por un calentamiento excesivo. El agua que refrigera el ciclo de compresión extrae, aproximadamente entre un 15% y 40% del calor total de compresión, y la refrigeración intermedia en los compresores de dos etapas elimina alrededor de un 30% y 40% del calor por lo que se recomienda una temperatura de entrada para el agua de refrigeración entre los 5ºC ÷ 10ºC superior a la entrada de aire, saliendo del compresor entre 40ºC y 50ºC.

Descripción de ciclo termodinámico

Compresión, compresor de baja presión (1-2)

Enfriamiento intermedio a volumen constante (2-3)

Compresión, compresor de alta presión (3-4)

Diagrama esquemático

Datos obtenidos

Tabla 1. Datos de temperaturas obtenidos.

Medición Ta (°C) T₁ (°C) T₂ (°C) T₃ (°C) T₄ (°C) T₅ (°C) T₆ (°C) T₇ (°C) T₈ (°C) T₉ (°C) Humedad % Psmn (bar)

1 22 26 27 108 70 38 68 27 27 30 44

2 25 26 27 115 77 46 97 27 27 36 35

3 26.9 26 27 122 80 57 136 26 27 41 30

4 27 28 125 82 64 157 27 28 43

5 26 28 128 82 70 174 26 27 46

6 27 29 134 86 78 195 25 26 49

Tabla 2. Datos obtenidos.

Medición Pc₁ (bar) Pc₂ (bar) P₃ (bar) Nc₁ (rpm) Nc₂ (rpm) τc₁ (Nm) τc₂ (Nm) ΔP (bar) ṁa (l/min) Vc₁ (Volts) Ic₁ (A) Vc₂ (Volts) Ic₂ (A)

1 0.5 0.5 0.7 904 700 2.2 1.3 58 3 150 5 110 3

2 0.5 0.5 2 905 704 2.1 2.2 54 3 145 6 110 5

3 0.7 0.6 4.25 905 706 2.1 3.4 55 3 142 7 106 7.6

4 0.9 0.75 6 902 701 2.2 4.1 50 3 142 7 105 9.7

5 0.9 0.8 8 903 702 2.2 4.8 49 3 142 5 106 12

6 1 1 10 900 700 2.3 5.5 48 3 145 6 110 12

Metodología para el cálculo de los estados

A partir de los datos de la tabla 1, los datos de la tabla 2 y con los datos obtenidos del manual

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