Informe Laboratorio de Compresores

Maquinas y Motores – Ensayo de Compresores de Aire

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ÍNDICE



Índice

1



Introducción

2



Objetivo

3



Resumen teórico

4



Datos y Resultados

9



Análisis

15



Conclusión

16



Ejemplo de calculo

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INTRODUCCION Los compresores son maquinas que tienen por finalidad aportar una energía a los fluidos compresibles (gases y vapores) sobre los que operan, para hacerlos fluir aumentando al mismo tiempo su presión. Un compresor admite gas o vapor a una presión P1 dada, descargándola a una presión P2 superior La energía necesaria la proporciona un motor eléctrico o una turbina a vapor. En el presente informe del ensayo de compresor de aire, se determinaran las curvas características mediante los cálculos obtenido por la tabla de datos, y luego se analizara los resultados

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OBJETIVOS 

Caracterizar el comportamiento de un compresor de pistones con acumulador de aire y accesorios, mediante curvas características.



Identificar aplicaciones industriales del compresor a ensayar.



Determinar el coeficiente politrópico del proceso de compresión.



Determinar la cantidad de condensado a obtener en el ensayo de compresión del aire y contrastarlo con la teoría.

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RESUMEN TEORICO Definición El compresor es una maquina que cumple el objetivo de entregar presión a un gas. La diferencia entre un ventilador y un compresor radica en el volumen desplazado y presiones mucho más altas. Clasificación de los compresores -Compresores de desplazamiento positivo Es una maquina en que se eleva la presión mediante sucesivas aspiraciones de gas que se expulsan a otro espacio menor mediante un elemento o dispositivo móvil. -Compresores dinámicos Son maquinas que se ocupan para la compresión del fluido cuyo caudal en (m3/s), en la aspiración es como mínimo 800 a 1200 veces más grande que la relación de compresión exigido. Procesos de compresión del aire 

Compresión isobárica



Compresión isométrica



Compresión isotérmica



Compresión isentrópica



Compresión poli trópica

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Trabajo técnico de la compresión En el diagrama P-V (Fig.1) se puede ver que cuando el pistón se mueve hacia la derecha, el aire es aspirado a una presión P 1 hasta que el pistón llega al extremo. Cuando hace el movimiento de retorno, la válvula de aspiración se cierra y el aire atrapado se comprime hasta alcanzar la presión P 2 de la tubería de descarga. Las válvulas de descarga se abren y el aire se envía a presión constante hasta que el pistón llega al extremo izquierdo. El trabajo de compresión será:

W = ∫21PV-P2V2+P1V1 = ∫21 V dP

Etapas de compresión Por lo general todos los procesos de compresión son politrópicos, los que significa que la temperatura se incrementa con la relación de compresión P2/P1. Para limitar la elevación de la temperatura y para mejorar el rendimiento de compresión, se efectúa generalmente en etapas, entre cada una de las cuales se refrigera el gas. La refrigeración intermedia es perfecta cuando la temperatura del aire a la salida del refrigerador posterior denominado “After-coller” es igual a la temperatura del aire de la aspiración. Cuando la refrigeración es perfecta, el consumo de potencia mínimo se consigue si las relaciones de compresión en todas las etapas son iguales. Incrementando él numero de etapas de la compresión, la aproximación a la isoterma es mayor. Por una parte el rendimiento de la compresión se incrementa, pero por otra, el compresor se hace más costoso y complicado.

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Ecuaciones para la determinación de parámetros en un compresor de pistones. Rendimiento volumétrico v

=

Va Vb

Va: Caudal aspirado por el compresor

Va =

ma

m3 /hr

a

a

=

Pa Ra T a

Ra = 287.1 (J/kg K) Ta : Temperatura ambiente Pa : Presión atmosférica ma : Caudal másico de aire. Es posible medirlo con un instrumento en la aspiración. -6

V b = C*10 *n*60

3

m /hr

C : Cilindrada del compresor. (cc) n : Velocidad de giro del compresor (rpm). Se puede medir con un lámpara estroboscópica

Calor de refrigeración, Qo Qo = ma cp T e - T s

kW

cp: Calor específico del aire (1004 J/kg K, sin considerar pérdidas al medio exterior). Te, Ts : Temperatura de entrada y salida del intercambiador

Coeficiente politrópico, n El coeficiente politrópico es posible determinarlo a través de un ensayo de compresión del aire. La idea es obtener la temperatura alcanzada durante la compresión. Con los datos de presión y temperatura se crea la tabla:

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Pi: P1, P2, P3,...,Pn Ti: T1, T2, T3,...,Tn Usando la relación: Ti Pi = Ta Pa

n-1 n

Aplicando logaritmo, se tiene:

log

Ti Ta

=

Pi n-1 log n Pa

Se transforma en una ecuación de una recta cuya pendiente es (n-1)/n. De aquí se despeja el valor del coeficiente politrópico, n. Potencia teórica absorbida por el compresor

N th

Pa V a n = 36 n-1

P Pa

n-1 n

-1

kW

Pa: Presión atmosférica a la entrada del compresor, (bar) P: Presión a la salida del compresor, (bar) Va: Caudal volumétrico a la entrada del compresor, (m3/hr) n: Coeficiente politrópico

Potencia media absorbida por el compresor Es una potencia que se puede medir directamente en el equipo, a través de algunos parámetros como voltaje e intensidad, potencia al freno, etc.. En el equipo del Laboratorio de Termofluidos del Departamento de Mecánica, se tiene la siguiente expresión para la determinación de esta potencia: Nc = 9

n kW t

n: Número de vueltas del medidor electrónico t: tiempo en dar las vueltas (s) Rendimiento total

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t

=

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N th Nc

Potencia específica absorbida por el compresor N esp . =

Nc Va

Contenido de humedad en el aire

X a = 0 . 622

Ps T a Pa

- Ps T a

Xa: Contenido de humedad a la entrada del compresor Pa: Presión atmosférica Ps(Ta) : Presión de saturación a la temperatura ambiente, Ta φ: Humedad relativa

Condensado de agua m cw = m L X a - X a

sat

mL: Masa de aire seco, (kg) Xasat: Humedad absoluta del aire a la salida del enfriador.

X a = 0 . 622 sat

P s T intercambiador

Xa =

P - P s T intercambiador mL

mW + m L = ma

mL

mcw =

+

ma 1+Xa

mW mL

=

mW mL

ma mL

Xa -X a

sat

1+Xa =

ma mL

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DATOS Y RESULTADOS Tabla 1 P (kpa) 0 150 250 350 450 550

ma (kg/hr) 14,26 14,51 15,93 14,78 14,51 14,51

3

Va

(m /hr)

n RPM 1380 1368 1369 1370 1363 1360

11,69 11,89 13,06 12,11 11,89 11,89

3

Vb

(m /hr) 28,15 27,91 27,93 27,95 27,81 27,74

Rend. Volumétrico 41,53 42,6 46,76 43,33 42,75 42,86

Tiempo por etapa (s) 360 252 288 324 288 288

Tabla 2. Intercambiador de Calor Pabs (bar) 1,02 2,52 3,52 4,52 5,52 6,52

Te aire (ºC) 35 62 80 86 100 108

Ts aire (ºC) 23 25 24 28 29 30

ln (Ti/Ta)

ln (p/p0)

0,05 0,14 0,19 0,21 0,25 0,27

0 0,9 1,24 1,49 1,69 1,86

ma (kg/hr) 14,26 14,51 15,93 14,78 14,51 14,51

Qo (Kw)

n (coef. Politrópico) 1,12 1,12 1,12 1,12 1,12 1,12

0,05 0,15 0,25 0,24 0,29 0,32

Tabla 3. Pabs (bar) 1,02 2,52 3,52 4,52 5,52 6,52

nº de vuelta s 29 36 42 48 49 51

tiempo por etapa (s) 180 180 180 180 180 180

I (A)

V (volt)

Nc (kw)

Nth (kw)

Nesp 3 (kw*hr/m )

3,8 4,2 4,5 4,9 5 5,1

380 380 380 380 380 370

1,45 1,8 2,1 2,4 2,45 2,55

0 0,32 0,49 0,55 0,62 0,69

0,12 0,15 0,16 0,2 0,21 0,21

NE

(kw)

1,44 1,6 1,71 1,86 1,9 1,89

ηTotal

0 17,75 23,3 23,04 25,41 27,07

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Tabla 4. Condensado de Agua Pabs (bar) 1,02 2,52 3,52 4,52 5,52 6,52

Te aire (ºC) 35 62 80 86 100 108

Ts aire (ºC) 23 25 24 28 29 30

Ps(Ts) [mbar] 26,87 31,66 28,04 39,59 41,01 42,42

(sat)

Xa

mcw [Kg/hr]

0.0168 0.0079 0.0050 0.0055 0.0047 0.0041

-0,11 0,02 0,07 0,06 0,07 0,08

Grafico Nº1: Caudal másico del aire versus presión de descarga

ma(kg/h) v/s p(bar) 16,5

ma (kg/h)

16 15,5 15 14,5 14 13,5 13 0

1,5

2,5

3,5

P (bar)

4,5

5,5

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Grafico Nº2: rendimiento volumétrico versus presión de salida

Va (%)

Va (% ) v/s P (bar) 48 47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 0

1,5

2,5

3,5

4,5

5,5

p (bar)

Grafico Nº3: Temperatura de salida versus presión de salida

T (ºc) v/s P (bar) 35 30

T(ºc)

25 20 15 10 5 0 0

1,5

2,5

3,5

P (bar)

4,5

5,5

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Grafico Nº4: determinación del coeficiente politrópico

Ln (Ti/Ta) v/s Ln (P/Po) 0,3

Ln (Ti/Ta)

0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0

0,9

1,24

1,49

1,69

1,86

Ln (P/Po)

Grafico Nº5: Potencia media absorbida versus presión de salida

Nc (kw) v/s P (bar) 3

Nc (kw)

2,5 2 1,5 1 0,5 0 0

1,5

2,5

3,5

P (bar)

4,5

5,5

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Grafico Nº6: Rendimiento total versus presión de salida

Rendimiento total (% ) v/s P (bar)

Rendimiento (%)

30 25 20 15 10 5 0 0

1,5

2,5

3,5

4,5

5,5

P (bar)

Grafico Nº7: Potencia especifica versus presión de salida

Nesp (kw*h/m^3) v/s p (bar) 0,25

P (bar)

0,2 0,15 0,1 0,05 0 0

1,5

2,5

3,5

Nesp (kw*h/m^3)

4,5

5,5

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Grafico Nº8: Potencia eléctrica versus presión de salida

Nelec (kw) v/s P (bar) 2

P (bar)

1,5 1 0,5 0 0

1,5

2,5

3,5

4,5

5,5

Nelec (kw)

Gráfico Nº9: Diagrama para el cálculo de condensado.

mcw (kg/h) v/s t (s) 0,1

mcw (kg/h)

0,05 0 0,1

0,1

0,7

0,7

0,8

0,8

0,9

-0,05 -0,1 -0,15 t (s)

0,9

0,8

0,8

0,8

0,8

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ANÁLISIS En el grafico N°1, a medida que aumenta la presión de descarga el flujo másico va decreciendo. Para el grafico N°2, debido a que ha medida que aumenta la presión de salida disminuye el caudal aspirado por el compresor (disminución del caudal másico de aire).en el grafico se observa en aumento de la presión de salida, el rendimiento volumétrico disminuye. Se observa en el grafico N°3 que mientras aumenta la presión de salida aumenta la temperatura de salida, esto se debe a que el compresor trabaja más a mayor presión. Con la curva del grafico N°4 obtenemos el coeficiente politrópico, mediante la ecuación que nos da: Tg θ = (y2-y1)/(x2-x1) = (0.206-0.137)/(1.489-0.904) = 0.118 0.118 = (n-1)/n n = 1.12 Por lo tanto el coeficiente politrópico será de 1.12 En el grafico N°5 se observa que el aumento de la presión de salida aumenta la potencia media absorbida (potencia real), esto se debe a que el compresor a mayor presión de salida trabaja más en menor tiempo. El grafico N°6 se observa que el rendimiento total aumenta a medida que se eleba la presion de salida y sigue aumentando hasta la presion de (5.5 bar) con esta presion alcanza su mejor rendimiento, podemos decir que el punto en que mejor funciona el compresor es de 5,5 (bar) aprox. por lo que es aconsejable trabajar en las proximidades de esta presión.

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CONCLUCION Según el grafico Nº1 se puede concluir que el flujo másico, cuando es menor la presión se demora menos tiempo en llegar a la presión requerida, esto se produce porque el pistón del compresor trabaja con mayor facilidad ya que no tiene tanta resistencia. La temperatura del aire en el compresor aumenta a medida que la presión aumenta esto se debe a la fricción que se produce en las partículas por tener que comprimirse a un mismo volumen pero con mayor masa, por esto es muy importante el enfriamiento del sistema, ya que con una alta temperatura en la salida del compresor podría provocar un accidente. Respecto al rendimiento de este compresor su mejor funcionamiento se produce a 5,5 bar, lo mas recomendable es que trabaje aproximadamente a esta presion para que tenga una mayor aprovechamiento de la potencia absorvida por el compresor. La potencia real aumenta a medida que aumenta la presión de salida, pero esto no quiere decir que el rendimiento total sube, esto se produce porque el compresor no absorberá esta potencia ,llegara a un limite y después empezara a disminuir el aprovechamiento de la potencia real lo que producirá una disminución de nuestro rendimiento.

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EJEMPLO DE CALCULO

Los cálculos serán realizados para los siguientes valores medidos por la tabla de datos : Presión admosferica = 1020 mbar Voltaje = 370 volt Amperaje = 3.5 Amper Intervalo de tiempo = 540s - 792s Tiempo por etapa = 180 s Número de vueltas = 36 Velocidad de giro del compresor = 1368 rpm m = 14,51(Kg/hr) Aire: Temperatura de entrada = 62 ºC Temperatura de salida = 25ºC Agua: Temperatura de entrada = 21ºC Temperatura de salida = 23ºC Calculo rendimiento volumétrico

ηV = Va/Vb Donde: Va = Caudal aspirado por el compresor. Vb = Volumen desplazado. ρaire = Pa/(Ra*Ta) Donde: Ra = 287.1 (J/Kg K) Ta = Temperatura ambiente (19ºC) Pa = Presión atmosférica (1020 mbar) 5

1 . 02 10 ρaire = 287 . 1 292

1 . 22 Kgm3

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3

Va =

11 .89 1 . 22

3

11 . 69 m Kg

Vb = C*10-6*n*60 (m3/hr) Donde: ma = masa de aire ρaire = densidad del aire a las condiciones del ensayo C = cilindrada del compresor (cm3) n = velocidad de giro del compresor (RPM) Vb = 340 10

6

3

1368 60 27. 9 m hr

Por lo que ηV = 42,6% Calculo del calor de refrigeración (Q0) Q0=ma*Cp*(Te-Ts) Donde: Cp = calor especifico del aire = 1004 KJ/(kg K) Q0 =

14.51 1004 62 25 3600

0.1497 (Kw)

Coeficiente politrópico (n) Se determina a través del grafico N°4 , usando la relación tg θ = (y2-y1)/(x2-x1) = (0.206-0.137)/(1.489-0.904) = 0.118 0.118 = (n-1)/n

n = 1.12

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Potencia teórica absorbida por el compresor (Nth)

Nth =

Pa Va n 36 n 1

Pi Pa

n 1 n

1

(KW)

Donde: Pa = presión atmosférica (bar) =1,02 (bar) Va = caudal volumétrico de entrada (m3/hr) = 11,89(m3/hr) n = 1.12 Pi= 2,52 bar Nth = 0,3195 (kw) Potencia media absorbida por el compresor (Nc) Nc = q*n/t

(KW)

Donde: n = numero de vueltas del medidor electrónico = 36 t = tiempo en dar las vueltas n = 180 (s) Nc = 1,8 (kw) Ne = V*I Ne= 1,6 8(kw) Rendimiento total (ηT) ηT = Nth/Nc ηT = 17,75 % Potencia especifica absorbida por el compresor (Nesp) Nesp = Nc/Va 3

Nesp = 0.151 (kw hr/m )

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BIBLIOGRAFIA Apuntes de clases Atlas copco, manual de compresores.

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