TEMA 3: GENERACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO

TEMA 3: GENERACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO.

1. - Introducción.

Para la producción del aire comprimido se utilizan compresores, que elevan la presión del aire, a la deseada.

Podemos clasificar los compresores en dos grandes tipos, según su principio de funcionamiento:

- Compresores de desplazamiento positivo, en donde se comprime aire por una reducción de su volumen. Son los más empleados por la industria.

- Turbocompresores, que funcionan según la ecuación de Euler.

Dentro de los primeros podemos subclasificarlos como:

a) Compresores alternativos o de émbolo, que constan de uno o varios cilindros, con sus correspondientes émbolos, y el sistema biela - manivela (que transforma el movimiento rotativo continuo de la máquina motora en un movimiento rectilíneo alternativo).

b) Compresores rotativos, que constan de una carcaza y uno o varios rotores, que crean un volumen variable, con su movimiento rotativo.

2. - Cálculo teórico del ciclo de trabajo de un compresor de desplazamiento positivo de una sola etapa y de simple efecto.

Ahora haremos un estudio del ciclo teórico de trabajo de un compresor ideal, para poder extraer las conclusiones de como nos interesa que se produzca la compresión.

El estudio lo realizaremos sobre un compresor de émbolo funcionando sin pérdidas y que el gas comprimido sea perfecto y sin espacio muerto.

Representando el ciclo que realizará en el plano p-v.

p

2 3 1 patm 4 1 v

En el PMS, se abre la válvula de aspiración, y mientras el émbolo se mueve hacia el PMI, se va llenando el cilindro con fluido a presión constante, que corresponde con la presión atmosférica. (Proceso 4-1).

Una vez alcanzado el PMI, se cierra la válvula de admisión y el émbolo comienza su carrera ascendente comprimiendo el fluido, es el proceso 1-2, antes de que el émbolo alcance el PMS, se abre la válvula de descarga, en el momento que la presión en el interior del cilindro es igual, como mínimo, a la de la línea o tanque receptor, y el gas se impulsa a presión constante.

El trabajo que se debe dar al compresor para que realice este ciclo, es la suma algebraica de los trabajos de cada proceso, por lo que el trabajo total es igual a la suma del trabajo de aspiración, más el trabajo de compresión, más el trabajo de descarga.

Podemos analizar estos trabajos, suponiendo diferentes procesos de compresión:

a) Compresión isoterma. (Compresión a temperatura constante, por tanto, con refrigeración perfecta).

Si aplicamos el primer principio de la termodinámica para sistemas cerrados:

Como para los gases ideales, la energía interna sólo depende de la temperatura, y ésta no varía, nos queda:

Es decir el trabajo que se ha de realizar sobre el fluido, en el proceso de compresión, es igual al calor extraído al fluido para mantener constante su temperatura.

b) Compresión adiabática. (Compresión sin refrigeración)

Si aplicamos el primer principio de la termodinámica para sistemas cerrados:

Como no hay transferencia de calor, nos queda que:

Es decir, el trabajo que se ha de realizar sobre el fluido, en el proceso de compresión es igual al incremento de energía interna que sufre el fluido.

Podemos calcularlo por:

c) Compresión politrópica.

En la realidad, no se da, ni una ni otra de las evoluciones anteriores; lo que se consigue es una intermedia, es decir una compresión con refrigeración imperfecta, que realmente la podemos describir como una compresión politrópica con un exponente n, comprendido entre:

1 < n < 1,4

Usualmente, para compresores pequeños refrigerados por aire:

n = 1,35

Para compresores medianos refrigerados por agua:

1,2 < n < 1,3

La ecuación de la politrópica para el trabajo y potencia, es respectivamente:

Si realizáramos un estudio energético, de todos los procesos, veríamos que el que gasta menos energía es el proceso isotérmico, por lo que nosotros elegiremos compresores que se acerquen lo más posible a este tipo de proceso.

3. - Diagrama de trabajo real de un compresor. Características esenciales.

En la siguiente figura se representa en un diagrama p-v, el ciclo real de un compresor de émbolo monocilíndrico:

p

Presión descarga

Presión aspiración

v

Volumen muerto Desplazamiento o cilindrada

Al desplazarse el émbolo hacia su punto muerto inferior, causa una depresión en el interior del cilindro que obliga a la válvula de aspiración a abrirse, llenando de aire el cilindro. Una vez alcanzado el PMI, el émbolo inicia el retorno hacia el PMS, provocando un aumento de presión que obliga a la válvula de aspiración a cerrarse, lograda la presión de descarga, se facilita la apertura de la válvula de descarga, y la salida del aire comprimido. Al llegar al PMS, el émbolo se mueve en sentido contrario (hacia el PMI), dando lugar a la expansión del gas acumulado en el espacio muerto, hasta conseguir de nuevo una presión inferior a la de aspiración y continuar un nuevo ciclo.

Características esenciales:

Se denomina desplazamiento o cilindrada, es el volumen barrido en su recorrido por el émbolo. Es un dato que normalmente aparece en los catálogos, aunque su utilidad es relativa, según veremos.

Se denomina volumen muerto o espacio perjudicial, al volumen residual que existe entre la cara superior del émbolo en el PMS, y la parte interior de la culata. Normalmente se indica en tanto por ciento de la cilindrada y suele rondar entre el 3 y el 10%.

Este volumen provoca, que debido a la expansión del aire comprimido en este espacio, en la carrera de aspiración el volumen de aire realmente entrado al cilindro, sea manifiestamente inferior a la cilindrada.

Se denomina caudal teórico, al producto de la cilindrada por el numero de revoluciones por segundo:

Siendo D el diámetro del cilindro, n el r.p.m., C la carrera.

Se

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