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DISEÑO DE EQUIPOS EQUIPOS E INSTAL INSTALACIONES ACIONES  

TEMA TEM A 5 

B OMBAS OMBA S Y COMP COMPRESO RESORES RES ÍNDICE 5.- BOMBA BOMBAS S Y COMPR COMPRESOR ESORES....... ES................... ........................ ....................... ....................... ........................ ....................... ............. 1  OBJETIVO. ............................................................................................................................... ................................................................ .......................................................................................... ........................... 1  5.0.- INTRODUCCIÓN........................................................................................................................................1  5.1.- BOMBAS, DESCRIPCIÓN. .......................................................................................................................2   5.1.1.- Bombas centrífugas.................................................................................................................................2  5.1.2.- Bombas Alternativas...............................................................................................................................4  5.1.3.- Bombas Rotativas. ...................................................... ........................................................................................................................... ............................................................................ ....... 5  5.1.4.- Bombas De Diafragma............................................................................................................................5  5.2.- BOMBAS, TERMINOLOGÍA....................................................................................................................5  5.3.- ECUACIONES PARA EL DISEÑO DE BOMBAS................................................................................11  5.3.1.- Balance De Energía. .............................................................................................................................11  5.3.2.- Perdidas Por Fricción............................................................................................................................12  5.3.3.- Potencia De La Bomba ......................................................................................................................... ............................................................. ............................................................ 12  5.3.4.- Altura Neta Positiva de Aspiración disponible (NPSHA) ..................................................................... ...................................................... ............... 12  5.3.5.- Temperatura De Descarga.....................................................................................................................13  5.3.6.- Leyes de Semejanza..............................................................................................................................13   5.3.7.- Procedimiento De Diseño. .......................................................... .................................................................................................................... .......................................................... 14  5.4.- COMPRESORES, DESCRIPCIÓN.........................................................................................................15  5.4.1.- Compresores De Movimiento Alternativo............................................................................................15  5.4.2.- Compresores Rotatorios........................................................................................................................16  5.4.3.- Compresores Centrífugos. ....................................................................................................................17  5.5.- SELECCIÓN DE COMPRESORES........................................................................................................20   5.6.- ECUACIONES PARA EL DISEÑO DE COMPRESORES. ................................................................. ......................................................... ........ 22  5.6.1.- Modelo Isotérmico e Isentrópico. ....................................................... ......................................................................................................... .................................................. 22  5.6.2.- Modelo Politrópico. ........................................................................................................................ .......................................................... .................................................................... ...... 25  5.7.- PROBLEMAS. ........................................................................................................................... ................................................................ ........................................................................... ................ 26 

 

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Índice de Figuras Figura 5. 1. Esquema de bomba centrífuga.............................. centrífuga.......................................................... ............................................. ................. 2  Figura 5. 2. Bomba Centrífuga Multietapa Multietapa......................... ..................................................... .................................................... ........................ 3  Figura 5. 3. Bomba axial .......................... ...................................................... ........................................................ .................................................. ...................... 3  Figura 5. 4. Instalación Bomba - Motor... Motor............................... ......................................................... ................................................... ...................... 4  Figura 5. 6. Bombas De Husillo Doble.... Doble................................. ......................................................... .................................................. ...................... 5  Figura 5. 7. Curva característica (cambio de rodete)..................................................... rodete)......................... .................................... ........ 8  Figura 5. 88.. Curva característica (cambio de velocidad)........................................................ velocidad)................................... ..................... 8  Figura 5. 9. Curva característica Típica .......................... ..................................................... ...................................................... ............................. 9  Figura 5. 10. Mapa de área de trabajo de bomba bombass .......................... ...................................................... ....................................... ........... 9  Figura 5. 5. 11. Conexión de bom bombas bas en serie y en paralelo ......................... ................................................... .......................... 10  Figura 5. 112. 2. Cri Criterios terios de selección de Bombas ......................... ..................................................... .......................................... .............. 11  Figura 5. 12. Leyes de semejanza............................................. semejanza................ ......................................................... ........................................... ............... 13  Figura 5. 14 14.. Compre Compresor sor ddee Mov Movimiento imiento alternativo ........................... ......................................................... .................................. .... 15  Figura 5. 115. 5. S Sistemas istemas de control del compresor ............................ ....................................................... ..................................... .......... 16  Figura 5. 16. Soplante de Lóbulos Lóbulos......................... .................................................... ...................................................... .................................... ......... 16  Figura 5. 17. Compresor de Tornillo ........................... ........................................................ ......................................................... .............................. 16  Figura 5. 18. 18. Compresor ddee paletas y de anillo líquido................................ líquido......................................................... ......................... 17  Figura 5. 19. Ventilador...................................................................... Ventilador......................................... ......................................................... ................................... ....... 17  Figura 5. 20. Compresor axial......................... axial..................................................... ........................................................ .......................................... .............. 18  Figura 5. 21. Compresor Centrifugo .......................... ...................................................... ........................................................ ............................... ... 19  Figura 5. 22. 22. Tabla de sselección elección en función de presión de descarga y caudal .................... 20  Figura 5. 23. Curvas de compresión................. compresión............................................. ......................................................... ........................................ ........... 22  Figura 5. 224. 4. Di Diagrama agrama presión entalpía.............................. entalpía......................................................... ................................................. ...................... 23 

BIBLIOGRAFÍA [1] [2] [3] [4]

INGENIERIA INGENIERIA QUIMICA TOMO 1 Coulson & Richarson . Capitulo 5 “Bombeo de Liquidos”. De Reverté SELECCIÓN SELECCIÓN DE BOMBAS, BOMBA S, SISTEMAS SISTEMAS Y APLICACIO APL ICACIONES NES   R. H. Warring,Manuales técnicos Labor Nº 27 PROCESS COMPONENT COMPONENT DESIGN. DESIGN. P. Buthod & all, Capítulo 7 “Pumps and Compresors”. Universidad de Tulsa .Oklahoma BOMBAS BOMBA S CENTRÍF CENTRÍFUGAS, UGAS, E. Carnicer, C. Mainar Ed. Paraninfo; Biblioteca del instalador

 

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5.- BOMBAS BOMB AS Y COMP COMPRESOR RESORES. ES.  OBJETIVO. 1.2.3.4.5.6.-

Establecer las reglas básicas en la selección y dimensiona dimensionado do de bombas y compresores a utilizar en una industria química. Presentar las características de los distintos tipos de bombas y compresores Presentar las Relaciones Básicas de Diseño de Bombas y establecer el procedimiento estándar de diseño. Conocer y aplicar las curvas características de las bombas y aplicarlas en la selección de la más apropiada. Presentar las reglas básicas de selección de materiales de construcción de bombas en función de las características de lo fluidos bombeados. Presentar las Relaciones Básicas de Diseño de Compresores y establecer el procedimiento estándar de diseño.

5.0.- INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN. Las bombas y compresores cumplen la función de generar el movimiento de los fluidos desde un punto a otro del proceso. La diferencia fundamental entre bombas y compresores es que los líquidos se bombean, mientras que los gases se comprimen, y por lo tanto, no hay una distinción clara si una máquina es una bomba o un compresor en ciertas aplicaciones. Los tipos básicos de bombas y compresores son: DESPLAZAMIENTO POSITIVO ALTERNATIVOS ROTATORIOS CONTINUOS CENTRÍFUGOS EYECTORES Las técnicas básicas de cálculo de bombas y compresores difieren. Para bombas se utiliza el balance de energía mecánica o ecuación de Bernouilli, ya que la diferencia de temperatura en bombas es moderada. Para compresores se utiliza el balance de energía térmica. En general en el compresor el trabajo es equivalente al cambio de entalpía. Las unidades básicas utilizadas para bombas y compresores son: Característica Capacidad de una bomba Capacidad de un compresor Trabajo por unidad de masa Carga Potencia

Bombas y Compresores

Sistema Ingles gal/min ft3/min ft-lbf/lbm ó ft of “head” C.V.

Sistema Internacional m3/h m3/h kJ/kg ó Altura manométrica m W

Factores de conversión 0.227124 1.699 4.448 10-3  0.3048 745

5.1

 

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5.1.- BOMBAS, DESCRIPCIÓN. Los tipos principales de bombas son: CENTRIFUGAS ALTERNATIVAS ROTATORIAS DIAFRAGMA

5.1. 5.1.1. 1.-- Bombas Bo mbas centrífugas. centrífu gas. Las bombas centrífugas consisten en un rodete montado sobre una carcasa o voluta. El líquido entra en el centro del rodete (“impeller”: la parte que rota en la bomba centrífuga) y es acelerado por el giro de este, la energía cinética del fluido se transforma en energía potencial en la salida.

Figura 5. 1. Esquema de bomba ce centr ntrífuga ífuga MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN: Generalmen Generalmente te de fundición de hierro o acero al carbono. Para información adicional consultar el capítulo 9 “Materiales y su compatibilida compatibilidad” d” del libro SELECCIÓN DE BOMBAS. SISTEMAS Y APLICACIONES de R.H. WARRING. SELECCIÓN DE BOMBAS CENTRIFUGAS Los criterios más importantes en la selección de bombas incluyen:

•  • 

Condiciones de operación Características del fluido

• 

Rango de Capacidad

(temperatura y presión) (viscosidad, densidad, presión de vapor, o ebullición, propiedadess corrosivas, toxicidad, inflamabilidad, limpropiedade pieza) (caudal normal y máximo)

•  • 

Condiciones de aspiración Presión de descarga Prácticas operatorias

(Presión aspiración, (simple ode múltiple etapa)NPSH) (continuo, intermitente)

Bombas y Compresores

5.2

 

DISEÑO DE EQUIPOS EQUIPOS E INSTAL INSTALACIONES ACIONES     Dentro de las bombas centrífugas podemos encontrar diferentes tipos como son las MULTIETAPA, las AXIALES,....

Figura 5. 2. Bomba Centrífuga Multietapa Mult ietapa

Figura 5. 5. 3. Bomb a axial

Bombas y Compresores

5.3

 

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  Figura 5. 4. Instalación Bomba Bo mba - Motor MOTORES Los motores habituales en bombas centrifugas son eléctricos de corriente alterna y potencias entre 1 y 100 CV, con revoluciones revoluciones variables en funció funciónn de frecuencia y voltaj voltajee de la línea ( p.e. 1450 r.p.m. a 50 Hz y 1740 r.p.m. a 60 Hz ó 1900 y 3480 r.p.m. respectivamente) Si utilizamos motores de velocidad variable pueden mejorarse las respuestas de las curvas características. También pueden utilizarse motores de combustión o turbinas de vapor si se dispone de este.

5.1. 5.1.2. 2.-- Bombas Bo mbas Alternativas. Alt ernativas. Las bombas alternativas se utilizan para caudales de bajos a moderados, con elevadas alturas manométricas. Consisten fundamentalmente en un pistón y un cilindro, con las apropiadas válvulas de aspiración y descarga. Se pueden utilizar pistones simples, o dobles o triples o pistones de doble acción. Poseen motores de velocidad variable o sistemas de recirculación para regular el caudal. Tienen una válvula de seguridad para protección ante una válvula cerrada en descarga. Se distinguen tres tipos de Bombas alternativas: POTENCIA VOLUMEN CONTROLADO (medidoras o proporcionales) CORRIENTE (impulsada por aire comprimido)

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5.4

 

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5.1.3.- Bombas Rotativas. Son bombas que están provi provistas stas de elementos rotativos que comprimen comprimen el fluido en el interior de una carcasa proporcionando un caudal sin pulsaciones. Los tipos de bombas rotativas son: BOMBAS DE ENGRANAJES EXTERNOS BOMBAS DE ENGRANAJES INTERNOS BOMBAS DE ROTOR LOBULAR BOMBAS DE PALETAS (Deslizantes , Oscilantes, Flexibles) BOMBAS DE HUSILLO SIMPLE (estator flexible) BOMBAS DE HUSILLO DOBLE BOMBAS DE ANILLO LIQUIDO

Figura 5. 5 Bomba de rot rotor or lo lobul bular ar

5.1.4. 5.1 .4.-- Bo Bomb mbas as De Diafragma. Diafragm a.

Son bombas alternativas o de pistón en las que el pistón está separado del fluido por un diafragma. Se utilizan para trabajar con fluidos muy corrosivos.

Figura 5. 6. Bom Bombas bas De H Husil usil lo Doble Dobl e

5.2.- BOMBAS, BOMBA S, TERMI TERMINOLOGÍA. NOLOGÍA. La terminolo gía bá básica sica utilizada en la selección y cálculo de bombas bombas es  es la siguiente. 1. Presión. Presión. Entendemos por presión la fuerza ejercida por unidad de superficie por un fluido. Pero debemos distinguir entre: a. Presión barométrica barométrica o  o presión atmosférica Bombas y Compresores

5.5

 

DISEÑO DE EQUIPOS EQUIPOS E INSTAL INSTALACIONES ACIONES   b. Presión absoluta absoluta   c. Presión relativa  relativa  2. Presión o tensión de Va Vapor  por   3.  Al  Altu tura ra  Geométrica Geométrica.. Es la altura vertical comprendida desde el nivel de líquido a elevar hasta el punto más alto. 4.  Al  Altu tu ra de d e As Aspi pirac ració ión n . Comprende la distancia desde el nivel del líquido hasta el eje de la bomba. 5.  Al  Altu tu ra de d e im impu puls lsió ión n . Se mide desde el eje de la bomba hasta el punto de máxima elevación. 6.  Al  Altu tu ra Manom Man ométr étric ica a. Es la suma de la geométrica más las pérdidas de carga. 7. Pérdida de carga. Son las pérdidas debidas al rozamiento del líquido con las paredes de la tubería y sus accesorios (válvulas, codos, ...) 8. Caudal Caudal o Ca Capacid pacidad ad de una bomba es el volumen de líquido elevado por unidad de tiempo. 9. NPSH = Altura Neta Positiva de Aspiración (del ingles Net positive Suction Head) es la diferencia la presión líquido a bombear referida al eje impulsor y la presión de vaporentre del líquido a la del temperatura de bombeo, referida en del metros. Hay que distinguir entre: NPSH Disponible NPSH Requerido a. NPSH NPSH disp disponi onible ble (NPSH A) depende del conjunto de la instalación elegida para la bomba y es una particularidad independiente del tipo de bomba. Es por tanto calculable. b. NPSH requerido (NPSHR) es un dato básico peculiar de cada tipo de bomba, variable según modelo, tamaño y condiciones de servicio, que se determina por prueba o cálculo, siendo un dato a facilitar por el fabricante el cual lo ha obtenido a través de ensayos. Para que una bomba funcione correctamente sin cavitación, cavitación, ha  ha de cumplirse que el NPSH disponible en la instalación, sea igual o mayor que el NPSH requerido por la bomba. 10. Cavitación. Ruido que se oye en el interior de la bomba causado por la explosión de las burbujas de vapor cuando la bomba opera con una aspiración excesiva. En general la cavitación indica un NPSH disponible insuficiente. 11. Núme Número ro de Revoluc Revoluciones. iones. En  En las bombas centrífugas la relación de caudal suministrado a la altura de impulsión hace que el rodete tenga una forma determinada. Esta relación se expresa por el número específico de revoluciones (velocidad específica) Ns.  N S 

=

 N Q ws 3/ 4

 

Donde: N es Velocidad de rotación (rpm); ws carga de la bomba (ft) y Q caudal (gpm) en el punto de máximo rendimiento.

Bombas y Compresores

5.6

 

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  12. Potencia hidráulica. hidr áulica. Es la potencia precisada por la bomba exclusivamente para bombear el líquido. 13. Potencia absorbida (o potencia de freno). Es la potencia en el eje de la bomba y equivale a la potencia hidráulica más la potencia consumida en compensar los distintos tipos de pérdidas que se ocasionan en la bomba. Por consiguiente es mayor que la potencia hidráulica. 14. Potencia absorbi absorbi da por el motor. motor. Es  Es mayor que la potencia absorbida por la bomba, pues hay que añadirle las pérdidas internas del motor eléctrico. 15. Re Rendimi ndimi ento mecánico o rendim rendimiento iento de la bomba: bomba: equivale  equivale al cociente de dividir la potencia hidráulica y la potencia absorbida. Se expresa en porcentaje y es siempre menor que la unidad. 16. Curva característica. Una bomba no tiene un único punto de funcionamiento, sino una infinidad de ellos. La curva que une todos los puntos de funcionamiento posibles de una bomba (dado las revoluciones, tipo y diámetro del rodete,...), acoplada a un motor concreto, recibe el nombre de curva característica o curva de la bomba, siendo los fabricantes los que suministran tal información. En concreto, la curva característica de una bomba muestra la relación entre la carga y la capacidad de una bomba en concreto Otras curvas de funcionamiento nos funcionamiento  nos indican el rendimiento de la bomba y entre este el BEP (Best-efficiency point), point), punto de mayor rendimiento, lugar recomendado de trabajo de la bomba. La curva característica de una bomba centrífuga (carga versus capacidad) y otras curvas de funcionamiento se muestran en las siguientes figuras. En la tercera figura, también podemos ver el valor de  de   NPSHR  (altura neta positiva de aspiración que no se puede rebasar si se desea evitar cavitación) y la potencia absorbida (considerand (considerandoo agua como fluido bombeado). En la cuarta figura se nos da información del área de funcionamiento de varias bombas (identificadas con números) con una velocidad constante.

Bombas y Compresores

5.7

 

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  Figura 5. 7. Curva característica (cambi (cambio o de rodete)

Figura 5. 8. Curva característi característica ca (cambio (cambio de velocid ad)

Bombas y Compresores

5.8

 

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  Figura 5. 9. Curva característi característica ca T Típica ípica

Figura Figu ra 5. 10. Mapa de á área rea de trabajo tr abajo de bomb as

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5.9

 

DISEÑO DE EQUIPOS EQUIPOS E INSTAL INSTALACIONES ACIONES   Las curvas características de bombas conectadas en serie o paralelo son:

Figura 5. 11. 11. Conexión Conexión de bombas bomb as en serie y en paralelo En el caso de bombas en serie el resultado es una carga que es la suma de las cargas producidas poreslaslabombas de bombas en paralelo el resultado es un caudal que suma deindividuales. los caudalesEn deellascaso bombas individuales. Criterios de selección de bombas

Bombas y Compresores

5.10

 

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Figura 5. 12. 12. Crit Criterios erios d e selecció selecció n de Bomb as

 

5.3.- ECUACIONES ECUACIONES PARA EL DISEÑO DISEÑO DE BOMBAS. BOMBA S. 5.3.1.- Balance De Energía. Balance de energía mecánica o ecuación de Bernouilli Bernouilli   Energía de presión + Energía potencial, + Energía cinética + Energía de bomba + Energía por fric fricción ción = 0 m

  ( v − v ) + mgw + mF =  0   mg ( z − z ) + m ( P − P ) + mg 2 2

2

1

2

2 1

 

1

s

2

 ρ 

Todos los términos están expresados en J (Joules) S.I. Si trabajamos por unidad de masa J/kg

( P2 − P1 )  ρ 

  ( v − v ) + gw + F =   0   + g (z − z ) + 2 2 2

2

2 1

 

1

s

Dividiendo cada término por (g), tenemos la expresión en cargas (“head”):

( P2 − P1 )  ρ g

  (v − v ) + w + h = 0   + ( z − z ) + 2g 2 2

2

1

2 1

 

S

f 

Si trabajamos en el sistema ingles tendremos (energía/mas (energía/masa): a):

Bombas y Compresores

5.11

 

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  ( v − v ) + gw + F  = 0   + ( z − z ) + g 2g 2 2

144 ( P2 − P1 )   g

2

 ρ 

2 1

1

 

c

s

c

Donde: P (psia); ρ (lbm/ft3); g (ft/s2); v(ft/s); gc ( = 32,174 ft-lbm/s 2-lbf); ws  y F (ft-lbf/lbm)

5.3.2.- Perdidas Por Fricción: se calculan para cada sistema de tubería+accesorios con un diámetro concreto.  concreto.  h f 

= ⎛⎜ f ⎝

L+ D

∑

K ⎞⎟ v ⎠ 2g 2

 

5.3.3.- Potencia De La Bomba (potencia absorbida): calculada la carga de la bomba, se calcula la potencia absorbida como el cociente de la potencia hidráulica y el rendimiento:  ws g Potencia hidraúlica  m Pb

Con

=

 

=

Rendimiento

η 

  = flujo másico (kg/s) m

ws = carga de la bomba (m) η  = rendimiento Pb = Potencia (W)

En el sistema ingles será: Pb

Con

=

m ws

550 η 

 

m (lb(s); ws (ft lbf/lbm); Pb (HP)

Se pueden utilizar las siguientes fórmulas Pb [ kW ] =

  ws ρ  Q

367η    ws ρ  Q

 

Pb [CV ] = 270η   

Con Q en m3/h ; ws en m; ρ en kg/dm3

5.3.4.- Altura Neta Positiva de Aspiración disponible (NPSH A): es la

diferencia entre la carga de presión a la entrada de la bomba (punto de succión) y la presión de vapor del fluido a la temperatura de trabajo. Aplicando el balance de energía mecánica desde la superficie del fluido en el tanque de almacenamiento (punto 1) y el punto de succión (punto 2):

 NPSH  A

= ( z1 − z2 ) + CENTRIFUGA

P 1 − PV   ρ g

P1 − P V  donde

 NPSH  A

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 ALTERNATIVA

= ( z1 − z2 ) +

 ρ g

2

−  h f  − v 2   2g

v

 

2 2

− h − 2 g − ha    f

5.12

 

DISEÑO DE EQUIPOS EQUIPOS E INSTAL INSTALACIONES ACIONES   ha  =

 L V  n C  K  g c

 

Es un término de aceleración que tiene en cuenta el flujo pulsado. Con

L: longitud de tubería (pies) n: (rpm) V: Velocidad en tubería (pies/s) C: Cte. Bomba 0.200 simple 0.115 doble K Cte. Fluido

0.066 triple 1.4 agua 2.0 hidrocarburos 2.5 aceites calientes

5.3.5. 5.3 .5.-- Temperat Temperatur ura a De Descarga. Descarg a. El incremento de temperatura del bombeo es la suma del incremento por fricción más el de compresión del líquido:

∆TTotal = ∆TFricción + ∆T Compresión ∆TFricción = ws

⎛1 ⎞ ⎜ η  − 1⎟ ⎝ ⎠

 

778C  p

( P De − PAs )

∆TCompresión =

1000

3.77−3.729 G

e

Donde todas las unidades están en sistema ingles, T (ºF), w s (pies), Cp (BTU/lbºF), P (psi) , G (densidad específica = 1 para agua).

5.3.6.- Leyes de Semejanza Las leyes de semejanza se utilizan para expresar la influencia en el caudal bombeado, en la carga (head) o en el consumo de potencia de: a) La velocidad del impulsor b) El diámetro del impulsor

Figura Figu ra 5. 13. Leyes de d e semejanza Donde Q: caudal volumétrico; H: carga de la bomba; BHP: potencia absorbida; N: velocidad del impulsor (rpm); D: diámetro del impulsor. Bombas y Compresores

5.13

 

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5.3.7.- Procedimiento De Diseño. 1.-

Definir el esquema del proceso (Diagrama de flujo esquemático o constructivo).

2.-

Calcular los balances de materia y energía

3.-

Determinar el diámetro y altura de los recipientes de proceso y estimar el nivel de líquidos.

4.5.-

Definir la distribución y elevación para los equipos y tuberías. Construir el diagrama tridimension tridimensional al de tuberías, incluyendo las válvulas, uniones y accesorios.

6.-

Estimar la longitud de las tuberías.

7.-

Determinar los niveles bajo, normal y máximo de los líquidos en los recipientes de proceso ante las condiciones de aspiración y descarga de las bombas.

8.-

Calcular los requisitos de flujo: Velocidad, temperatura y presión (para condicione condicioness normales y límites).

9.-

Determinar el diámetro de las tuberías

10.-

Estimar los coeficientes de resistencia de válvulas y accesorios.

11.-

Estimar la perdida de carga en los equipos del tipo de intercambiado intercambiadores res de calor.

12.-

Calcular la potencia de las bombas

13.-

Calcular NPSHA 

14.-

Seleccionar la bomba basándonos en el BEP.

15.-

Calcular la potencia del motor

16.-

Completar el diseño preliminar del proceso y enviar a los ingenieros mecánicos para definir los planos (incluyendo fijaciones, estructuras,...)

17.-

Preparar las curvas de altura manométrica vs caudal del sistema para análisis.

Bombas y Compresores

5.14

 

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5.4.- COMPRESORES, COMPRESORES, DESCRIPCIÓN. Los tipos de compresores más utilizados son: CENTRÍFUGOS ALTERNATIVOS Todos los compresores deben tener un separador de líquidos y sólidos antes de la etapa de compresión

5.4. 5.4.1. 1.-- Comp Compresor resores es De Movimiento Movimi ento Altern A lternativo ativo..

Se utilizan ampliamente en la industria química, son flexibles en caudal y rango de presión de descarga. Rangos: Potencia motor : de 1 a 10.000 C.V. Presión descarga: de 1 a más de 700 atm Velocidad: de 125 a 1000 r.p.m. COMPONENTES MECÁNICOS

Figura 5. 14 14.. C Compr ompresor esor de Movimiento Movimi ento alternativo alternativ o PISTÓN CILINDRO VÁLVULAS ESPACIO MUERTO DEPÓSITOS AMORTIGUADORES MOTORES  ACEITE LUBRICANTE L UBRICANTE CONTROLES RELACIÓN RELA CIÓN DE COMPRESIÓN (5:1, por ∆T y fallo mecánico pistón) MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

Bombas y Compresores

5.15

 

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Figura 5. 15 15.. S Sist istemas emas de cont control rol d el compr compresor esor

5.4. 5.4.2. 2.-- Compresores Compr esores Rotatorios. Rotatori os. Los tipos principales son: SOPLANTE DE LÓBULOS COMPRESORES DE TORNILLO COMPRESORES DE PALETAS COMPRESORES DE ANILLO LIQUIDO

Figura 5. 16. 16. Sopl Soplante ante de Lóbulos Lóbul os

Figura 5. 17. 17. Compr Compr esor de Tornil lo Bombas y Compresores

5.16

 

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Figura 5. 18. 18. Compresor de paletas paletas y de anill anillo o líquido líqui do

5.4. 5.4.3. 3.-- Compresor Comp resores es Centr Centrífugo ífugos. s. Los compresores dinámicos dependen de la conversión de energía cinética en energía de presión. Pueden ser de tres tipos: COMPRESORES CENTRÍFUGOS, que aceleran el fluido en la dirección radial. COMPRESORES AXIALES, que aceleran el fluido en la dirección del eje (VENTILADORES y SOPLANTES) COMPRESORES DE FLUJO MIXTO.

Figura 5. 19. Ventilador

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5.17

 

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Figura 5. 20. 20. Compresor axial Los compresores centrífugos operan con velocidades de flujo de hasta 140 m3/s y presiones de hasta 700 bars. DETALLES MECÁNICOS RODETES PARTES FIJAS ESTRUCTURA COJINETES SELLAMIENTO EQUILIBRADO RELACIÓN RELA CIÓN DE COMPRE COMPRESIÓN SIÓN 1,2 a 1,5 por etapa MOTORES CONTROLES

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5.18

 

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  Figura 5. 21. 21. Compresor Ce Centr ntrifu ifu go

Bombas y Compresores

5.19

 

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5.5.- SELECCIÓN SEL ECCIÓN DE COMPRESORES. COMPRESORES.

La selección de los compresores se realiza por consideraciones prácticas, más que por técnicas o económicas.

Tabla bla de selección en fu nción de presión de descarga y caudal   Figura Figu ra 5. 22. Ta Bombas y Compresores

5.20

 

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Comparación entre compresores Alternativos y Centrífugos Tipo Alternativo

Centrifugo

Ventajas - Gran flexibilidad en rango operacional - Maneja menor caudal a altas presiones - Mayor efic eficiencia iencia ad adiabática iabática y menor coste de potencia - Menos sensible a cambios en la composición del gas - Menor coste inicial - Menor coste de mantenimiento - Menor tiempo parado - Menor tamaño y masa - Motores de alta velocidad y bajo mantenimiento

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Desventajas - Alto coste Inicial - Alto coste de mantenimiento - Mayor tiempo de parada - Tamaño y peso elevado - Motores de baja velocidad y alto mantenimiento - Rango operativo limitado por golpe de ariete - Limite inferior de caudal - Alto coste de potencia de motor - Sensible a cambios en composición y densidad del gas

5.21

 

DISEÑO DE EQUIPOS EQUIPOS E INSTAL INSTALACIONES ACIONES  

5.6.- ECUACIONES PARA EL DISEÑO DE COMPRESORES. El diseño de compresores está basado en la aplicación de la primera y segunda ley de la termodinámica. Considerando en el balance de energía estado estacionario, cambios en energía cinética y potencial despreciables, así como las pérdidas de calor con los alrededores, queda: W

donde: W  :

= h2 − h1  

Trabajo del compresor Entalpía de descarga h2 : h1 : Entalpía de entrada

Para calcular h2   es necesario conocer el modelo de la compresión, ya que el trabajo de compresión del gas responde a la ecuación: W

=∫

P2

P1

VdP  

En función de la funcionalidad de V con P podemos distinguir entre compresiones isotérmicas, isentrópicas politrópicas. Por otra parte, se puedeyutilizar directamente información de diagramas de presión-entalpía.

Figura 5. 23. 23. Curvas Curvas d e compr compresión esión

5.6. 5.6.1. 1.-- Modelo Isotérmico Isotérm ico e Isentr Isentrópi ópico. co. Tenemos en una transformación isotérmica (T= isotérmica (T= cte) que: P •V P2

W

= P1 • V1 = cte   dP

P2

V dP = P = ∫P Vd ∫ 1

1

PV PV P 1 1

⎛ P2 ⎞ = nRT  ln ⎜⎝ P1 ⎟⎠

(J )  

En una transformación isentrópica  isentrópica  se considera un proceso adiabático y reversible (no se consideran pérdidas de carga por fricción): W IS

= h2, S  − h1  

( J / kg )  

Donde h2, IS   es la entalpía a la salida del compresor del gas considerando que el proceso se realiza a entropía constante. El trabajo real del compresor se puede calcular mediante la eficiencia isentrópica ( η S  ), un factor empírico que se calcula como:

Bombas y Compresores

5.22

 

DISEÑO DE EQUIPOS EQUIPOS E INSTAL INSTALACIONES ACIONES   η S 

=

Trabajo Isentropico Trabajo Real

=

W IS Wa

=

∆hS  h2, S  − h1 =   ∆h h2 − h1

La eficiencia isentrópica tiene en cuenta irreversibilidades que tienen lugar dentro del compresor así como ineficiencias del compresor. La potencia del compresor será: P g

donde

Pg =   = m

   =  mW  a

Potencia (kW) Flujo másico (kg/s)

El cálculo de las entalpías se puede realizar: 1._ Si tenemos los diagramas Presión- Entalpía se puede sustituir los valores de los diagramas.

Figura 5. 24. Diagrama presión entalpía Bombas y Compresores

5.23

 

DISEÑO DE EQUIPOS EQUIPOS E INSTAL INSTALACIONES ACIONES   .Metodología 1) Localizar el estado 1 (entrada al compresor) en el diagrama. 2) Utilizar la línea de entalpía constante para situar en el diagrama el punto 2 y obtener el valor de h2, S  . 3) Calcular el valor del trabajo isentrópico. 4) Utilizar el valor de la eficiencia isentrópica para calcular el trabajo real. Calcular h2 . 5) Identificado el punto 2 (salida del compresor), obtener otras propiedades que se puedan necesitar (temperatura, densidad…). 2._ Suposición de gas ideal: el modelo isentrópico responde a la ecuación k 

P •V

= P1  • V1k  = cte  

Donde k es el coeficiente isentrópico (k) se define por

= c p  / cv  

k

donde c p es la capacidad calorífica a presión constante y c v   es la capacidad a volumen constante, y se calculan para un gas ideal como cv

Y por tanto:

 

= cp −

c p   =

 

R  M 

 

Rk 

 

[ M ( k  − 1)]

Por otro lado teniendo en cuenta la ecuación de los gases ideales tenemos para las temperaturas la relación T2, IS 

⎛P ⎞ = T   1 ⎜ 2 ⎟ ⎝ P1 ⎠

k −1 k 

 

(*)

Ahora podemos integrar para obtener la ecuación del trabajo en una transformación isentrópica: W IS 

P2

= ∫P

1

1

∫

VdP = P1 k V1  

P2

dP

P1  

1

 

k 

P

Resolviendo la integral y sustituyendo la expresión de la temperatura se tiene: k −1 ⎡ ⎤  RkT1 ⎢ ⎛ P2 ⎞ k  − 1⎥   W  IS  = ⎜ ⎟ ⎢ ⎥  M ( k − 1)  ⎝ P1 ⎠ ⎣⎢ ⎦⎥

También podríamos calcular el trabajo isentrópico considerando las entalpías: W IS

= h2,S − h1 = cP ( T2,IS  − T1 )   

donde c p = Capacidad calorífica media entre T1  y T2. Teniendo en cuenta la ecuación que define cp y la temperatura isentrópica, es evidente, por otro lado, que las dos últimas ecuaciones son iguales.

Bombas y Compresores

5.24

 

DISEÑO DE EQUIPOS EQUIPOS E INSTAL INSTALACIONES ACIONES   3._ Para gases no ideales: siendo z el factor de compresibilidad del gas  zav

W IS

   z − z = 1 2

 

2

k −1 ⎡ ⎤  RkT1 ⎢⎛ P2 ⎞ k  = zav − 1⎥   ⎜ ⎟ ⎥  M ( k − 1)  ⎢⎝ P1 ⎠ ⎢⎣ ⎥⎦

Temperatura Temperatur a De Descarga. La ecuación (*) se utiliza erróneamente para calcular la temperatura de descarga, pues las pérdidas del compresor aumentan la temperatura siendo:

T2

k −1 ⎡ ⎤   ⎢ ⎛  P  ⎞ k  ⎥  1 = T1 + T 1 ⎢⎜ 2 ⎟   − 1⎥   ⎢⎝  P1 ⎠ ⎥ η s ⎣ ⎦

5.6. 5.6.2. 2.-- Modelo Politr Pol itrópi ópico. co. Se utiliza un coeficiente politrópico (n (n ) en lugar del coeficiente isentrópico (k), con lo que las ecuaciones quedan: P •V n

= P1  • V1n = cte   n −1

T2

  ⎛   P  ⎞ = T 1 ⎜ 2 ⎟ ⎝  P1 ⎠

Se define el coeficiente de eficiencia politrópica

η  p

η  p

n

 

como:

n  ⎞ ⎛  k    ⎞  = n(  k  − 1)   = ⎛  ⎜⎝   ⎠⎟ ⎝  ⎜ ⎟ n −1 k  − 1 ⎠ k (n − 1)

Y las ecuaciones a desarrollar son las mismas que las anteriores, pero cambiando k por n. El trabajo politrópico, absorbido por el gas durante la compresión vale:

⎡⎢⎛ P2 ⎞ nn−1 ⎤⎥ W p = zav ⎜ ⎟ − 1⎥    M ( n − 1)  ⎢ ⎝ P1 ⎠ ⎢⎣ ⎥⎦  RnT1

Y el trabajo real y la potencia del compresor valen, respectivamente: Wa =

W  p η  p

;

Pg

= mWa  

 

La eficiencia isentrópica y la eficiencia politrópica están relacionadas a través de la siguiente equación: k −1

η s

k −1

⎛  P  ⎞ k  ⎛  P 2 ⎞ k  ⎜ ⎟   −1 ⎜ 2⎟   −1 ⎝  P  ⎠ ⎝  P  ⎠ = 1 k −1 = 1 n−1   η  ⎛  ⎜ P 2 ⎟⎞ k    p − 1 ⎜ P 2 ⎟⎞ n  − 1 ⎛  ⎝  P1 ⎠ ⎝  P1 ⎠

Bombas y Compresores

5.25

 

DISEÑO DE EQUIPOS EQUIPOS E INSTAL INSTALACIONES ACIONES  

5.7.- PROBL PROBLEMAS. EMAS. 5.7.1.   Se comprime gasolina de peso específico 0.7014 desde 20 a 1020 psia en una bomba 5.7.1. con una eficiencia de 0.55. La altura manométrica de la bomba es 3290 ft-lbf/lbm. Determinar el incremento de temperatura. Calor especifico de la gasolina es 0.53 Btu/lb ºF. 5.7.2

Seleccionar la bomba para el sistema de la figura

5.7.3   Se desea 5.7.3 comprimir 50.000 lbm/hr de propano desde psia(Capacidad a 80ºF a 100 psia en del un compresor centrífugo. La eficiencia adiabática se estima en200.75 calorífica propano 19.52 Btu/lbmole-ºF) a.b.-

Resolver el problema utilizando el diagrama Presión -Entalpía. Resolver el problema suponiendo gas ideal y compresión isentrópica.

CUESTIONES DEL EXAMEN DE 1996/97

Bombas y Compresores

5.26

 

DISEÑO DE EQUIPOS EQUIPOS E INSTAL INSTALACIONES ACIONES     01.-

¿Necesitamos un compresor para comprimir 200 m3/hora de Nitrógeno desde desde 1 atm. atm. a 200 atm. En condiciones de trabajo continuas, ¿qué modelo seleccionarías? A C

02.-

Compresor Axial Compresor centrífugo multietapa

B D

Compresor Compresor alternativo multietapa Compresor centrífugo una etapa

¿Qué temperatura de descarga tendremos tras la compresión de un fluido desde 25ºC y 1 atm a 25 atm, si utilizamos un compresor centrífugo con rendimiento politrópico 0,78 y k =1,15 ? A C

03.-

453 ºK 224 ºC

244 ºC 460 ºK

B D

43.3 ºC 133,5 ºF

¿Cual será la altura máxima de aspiración desde un depósito abierto a l atmósfera para un derivado del petróleo con peso especifico 0.80 y presión de vapor 300 mmHg a 20 ºC de una bomba centrífuga con las siguientes características: NPSHR = 2,0 m, Perdidas por fricción y velocidad = 1,0 m A C

05.-

297 ºC 510,5 ºK

¿Qué temperatura de descarga tendremos tras la compresión de un fluido desde 25ºC y 1 atm a 15 atm, si utilizamos un compresor centrífugo con rendimiento isentrópico 0,78 y k =1,15 ? A C

04.-

B D

1,0 m 4,8 m

B D

3,25 m 6,25 m

¿Cual será la diferencia diferencia de altura máxima entre el nivel de un depósito cerrado y la bomba para un derivado del petróleo con peso especifico 0.80 y presión de vapor 300 mmHg a 20 ºC de una bomba centrífuga con las siguientes características: NPSHR = 3,60 m, Perdidas por fricción y velocidad = 1,0 m A C

Nivel depósito a más de 3.2 m por encima de la bomba Nivel depósito a menos de 3.2 m por debajo de la bomba

Bombas y Compresores

B D

Nivel depósito a más de 4,6 m por encima de la bomba Nivel depósito a menos de 4.6 m por debajo de la bomba

5.27

 

DISEÑO DE EQUIPOS EQUIPOS E INSTAL INSTALACIONES ACIONES   05-FEB-1999 P02.P02 .-

Cálculo de bombas bomb as Determinar la perdida de carga de la válvula de control ( A) ( A) de  de la figura (en m.c.a.) si la bomba centrífuga que utilizamos es el modelo 50/250 a 1450 rpm y diámetro de rodete 256 mm). Cavitará la bomba en esas condiciones?.

Tubería de aspiración: ASTM A103 grado B sin costura Diámetro 4 inch SCH 40 Longitud 20 metros 3 codos cortos 1 válvula compuerta abierta Tubería de Descarga: ASTM A103 grado B sin costura Diámetro 3 inch SCH 40 Longitud 20 metros 4 codos cortos 3 válvula compuerta abierta Perdida de carga en intercambiador = 0.3 bar

Caudal 30 m3/hr Densidad 1000 kg/m3  Viscosidad 1.14 cp  A

(3)

(2) (1)  

Condiciones punto 1 : Altura 0 metros; Presión 1 bar Condiciones punto 2 : Altura 3 metros; Presión de vapor 0.050 bar Condiciones punto 3 : altura 7 metros; Presión 1.5 bar

04-SEP-1999 C06.C06 .- Selección Selección de bomba en en función de sus características (15 (15%) %) Caudal 100 m3/hr Densidad 950 kg/m3  Viscosidad 1.14 cp

Seleccionar de entre las indicadas la bomba para la instalación de la figura si tenemos tene mos las sig uientes características: características:  

(3)

 A

LINEA DE ASPIRACION, Tubería: ASTM A103 grado B sin costura Diám. 6 inch SCH 40 Longitud 20 metros Perdida de carga total: 0,5 m LINEA DE DESCARGA, Tubería : ASTM A103 grado B sin costura Diám. 4 inch SCH 40 Longitud 30 metros. Perdida de carga total = 0.5 bar

(2) (1)  

Condiciones punto 1 : Altura 0 metros; Presión 1 bar Condiciones punto 2 : Altura 6 metros; Presión de vapor 0.10 bar Condiciones punto 3 : Altura 12 metros; Presión 1.5 bar A C

Q= 100 m3/h; H =24 m; NPSH = 6 m Q= 120 m3/h; H =25 m; NPSH = 2 m

B D

Q= 100 m3/h; H =20 m; NPSH = 6 m Q= 100 m3/h; H =24 m; NPSH = 2 m

05-FEB-2000

Bombas y Compresores

5.28

 

DISEÑO DE EQUIPOS EQUIPOS E INSTAL INSTALACIONES ACIONES   P02.P02 .-

Cálculo Cálcul o de bombas bom bas en serie seri e (potencia (potenc ia y NPSH NPSH).(1 ).(12,5 2,5%) %) Tenemos una instalación de bombeo que necesita una elevada altura manométrica y hemos decidido utilizar dos bombas iguales conectadas en serie. Las características de la línea se resumena continuación

Tubería de aspiración: ASTM A103 grado B sin costura Diámetro 4 inch SCH 40 Perdida de carga; hfa = 0.5 m Tubería de Descarga: ASTM A103 grado B sin Diámetro inch SCH 40 Perdida costura de carga; hfd = 6.03m Condiciones punto 1 : Altura 0 metros; Presión 1 bar Condiciones punto 2 : Altura 4 metros; Presión de vapor 0.050 bar Condiciones punto 3 : Altura 100 metros; Presión 2.5 bar

Caudal 30 m /hr Caudal Densidad 1000 kg/m3  Viscosidad 1.14 cp  A

(3)

(2) (1)  

Estimar el valor de la potencia y NPSH requerido para estas bombas (Las dos son iguales)

Bombas y Compresores

5.29

 

DISEÑO DE EQUIPOS EQUIPOS E INSTAL INSTALACIONES ACIONES  

Bombas y Compresores

5.30

 

DISEÑO DE EQUIPOS EQUIPOS E INSTAL INSTALACIONES ACIONES   17-SEP-2003 P02.P02 .-

Cálculo de comp resores (25%) (25%)

Queremos especificar un compresor para amoniaco que funcione entre las siguientes condiciones: Peso molecular gas (gr/mol) 17.03 Caudal entrada (m3/hr) 500 Presión de aspiración (bar) 1 Presión de descarga (bar) 20 Temperatura aspiración (K) 300 Cp  (cal/ºC mol) 8.6 Determinar si consideramos que el gas se comporta como gas ideal   el modelo del compresor   la potencia potencia del compresor ssii su ren rendimiento dimiento iisentrópico sentrópico es de 0.75   la potencia del motor del compresor   La temperatura temperatura ddee salid salidaa del amoniaco del com compresor presor

Verificar estas condiciones, suponiendo el comportamiento real dado en el siguiente diagrama.

Bombas y Compresores

5.31

 

DISEÑO DE EQUIPOS EQUIPOS E INSTAL INSTALACIONES ACIONES   12-01-2002 P01.P01 .-

Condiciones Condic iones de salida de un compresor. comp resor.

Tenemos un compresor centrífugo de 100 HP y rendimiento politrópico de η  p =0,74 Si utilizamos este compresor para comprimir 1.000 kg/hr de etileno (M =28 kg/kmol; k =1,4) con condiciones iniciales P= 10 bar y 15ºC. ¿Cuales serán las condiciones de salida(Presión y Temperatura)?

Bombas y Compresores

5.32

 

DISEÑO DE EQUIPOS EQUIPOS E INSTAL INSTALACIONES ACIONES  

 

Bombas y Compresores

5.33