UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA MECNICA

LABORATORIO DE INGENIERA MECNICA III

COMPRESOR EXPERIMENTAL DE AIRE DE DOS ETAPAS.

ALUMNOS:Loza Mauricio, Percy.Mariluz Noel, DennisPea Pozo, julioVargas Mendiola, JulioNuez Cabello, CarlosPROFESOR:Ing. Villavicencio.

NDICE

INTRODUCCIN3

OBJETIVO 4

FUNDAMENTO TERICO4

EQUIPOS Y PROCEDIMIENTOS26

DATOS EXPERIMENTALES208

CLCULOS Y RESULTADOS30

OBSERVACIONES ...35

CONCLUSIONES...35

APNDICE.36

BIBLIOGRAFA44

INTRODUCCIN

Aire comprimido,aireapresinsuperior a una atmsfera. Puede emplearse para empujar un pistn, como en una perforadora neumtica; hacerse pasar por una pequea turbina de aire para mover un eje, como en los instrumentos odontolgicos o expandirse a travs de una tobera para producir un chorro de alta velocidad, como en una pistola para pintar. El aire comprimido suministra fuerza a las herramientas llamadas neumticas, como perforadoras, martillos, remachadoras o taladros de roca. El aire comprimido tambin se emplea en las minas de carbn para evitar que se produzcan explosiones por las chispas de las herramientas elctricas que hacen detonar las bolsas de gris. El aire comprimido aumenta grandemente la produccin en los ms grandes campos industriales, tales como la minera, metalurgia, ingeniera civil y arquitectura, en todas las ramas de la construccin de maquinarias, en las industrias del cemento, vidrios y qumicos.El desarrollo de mtodos econmicos para comprimir el aire u otros gases, requiere de los conocimientos de teora, diseo y operacin de mquinas que compriman estos gases.En la presente experiencia tendremos oportunidad de aplicar los conocimientos tericos aprendidos en los cursos de termodinmica sobre compresin de aire.

OBJETIVOEl objetivo del presente laboratorio es: Conocer en forma objetiva el funcionamiento de un compresor experimental de aire de dos etapas y adems aplicar los conceptos tericos. Conocer la disposicin del equipo y los instrumentos utilizados.

FUNDAMENTO TERICOCOMPRESORES Veremos algunas aplicaciones. Los gases a presiones mayores o menores que la atmosfrica son de uso muy comn y corriente en la industria. El proceso de compresin es una parte integral de los ciclos para refrigeracin y de los de turbinas de gas. Mas ampliamente usado es el aire comprimido con que trabajan los motores de aire y las herramientas, como martillos y taladradoras neumticos, aparatos para pintar por pulverizacin, limpieza por chorro de aire, elevadores neumticos, bombeo o elevacin de agua mediante aire y en un sinnmero de otros trabajos. Aunque este estudio se relaciona especficamente con la compresin de un gas casi ideal, las ecuaciones de energa bsicas y algunas de las deducidas de ellas bajo condiciones especificadas se aplican por igual a cualquier fluido compresible.

Diagrama de indicador para un compresorPara apreciar los eventos o pasos reales de un compresor de movimiento alternativo, considrese un diagrama de indicador (fig 9.1).

Las figuras 9.2 y 9.4, de un compresor funcionan tpicamente a base de una diferencia de presiones. Se necesita una diferencia de presiones relativamente grande para iniciar la accin que las mueva, debido al rozamiento y a la inercia, de manera que generalmente una apertura brusca seguida de una oscilacin o vibracin. La vlvula de admisin o aspiracin no se abre hasta que se alcance una presin un poco menor que la del medio circundante. Entonces a menudo se inicia una oscilacin como en 4, figura 9.1, producindose una parte ondulada en la lnea de aspiracin 4-1. Obsrvese que la presin de aspiracin es ligeramente menor que la presin del cilindro.La compresin 1-2, que a menudo se acerca a un proceso adiabtico, continua hasta que se alcanza una presin mayor que la que se entrega o produce, en cuyo punto se abre la vlvula de descarga o impulsin. Aqu nuevamente, tiene lugar la vibracin de la vlvula y la lnea de descarga o impulsin es ondulada. La reexpansin3-4 hasta la admisin o aspiracin completa el diagrama. El aire generalmente se entrega a un receptor o deposito, figura 9.3, en el que se almacena hasta que se necesita.

TRABAJO DE UN COMPRESOR

Los tipos de compresores, tanto de movimiento alternativo, as como los rotativos, pueden considerarse, sobre una base general, como maquinas de flujo estacionario para el fin de obtener la ecuacin del trabajo (para comprobarlo, comprese la ecuacin ( 9.2 ) con la ecuacin ( f ) siguiente . La ecuacin del flujo estacionario da:

( a) .

En general, hay poca diferencia entre las velocidades de entrada y de salida, de manera que para w Kg. (o bien, lb.) del fluido que circula por el compresor:

(9.1) .

(CUALQUIER SUSTANCIA, CUALQUIER PROCESO

DE FLUJO ESTACIONARIO; .

Si la sustancia es un gas ideal: . Si el proceso es internamente reversible: Q = 0, o bien, . Convienen otras formas de la ecuacin de trabajo en problemas relacionados con compresores.

a)

Trabajo para compresiones adiabticas o isentrpicas: Si el proceso es adiabtico: Q = 0 y W = (o bien,). Para un flujo a travs del compresor de w Kg. ( o bien, lb.), con calor especifico constante, tenemos

(b) Kcal. (o bien, Btu) (CUALQUIER ADIABTICO, GAS IDEAL, K)

(c) y .

Estos valores y sustituidos en la ecuacin de trabajo dan:

Kcal. (o bien, Btu)

( ISENTRPICO UNICAMENTE, GAS IDEAL, K)

donde es el volumen medido, a y , correspondiente a la masa w.

b) Trabajo para compresin politrpica. Recordaremos que el politrpico se define como un proceso reversible, que y

para un gas ideal; esto es :

Kcal. ( o bien, Btu )Durante una compresin politrpica a partir de temperatura atmosfrica, este valor de Q es normalmente negativo. Utilizando valores conocidos obtenemos

Kcal. (o bien, Btu),que se reduce a:

cuando, hacemos:

c)

Trabajo para compresin isotrmica. Si para un gas ideal la temperatura se mantiene constante, . En un proceso isotrmico, Kg.-m ( o bien, pie-lb.), y ; o bien

Kcal. (o bien, Btu), donde, como antes, V1 es el volumen de w Kg. (o bien, lb.) a p1 y T1.

d)

Trabajo para compresin adiabtica irreversible. Los tipos reales de compresores rotativos consumen trabajo acercndose al adiabtico de flujo estacionario. En la ecuacin ( 9.1), supongamos que el estado final real este representado por 2, ,y hallaremos: (d) ,

Donde hemos utilizado la relacin de gas ideal, . Los trabajos reales se calculan generalmente utilizando rendimientos.

TRABAJO A PARTIR DE UN DIAGRAMA CONVENCIONAL

Un diagrama convencional es uno de los indicadores idealizados, o sea, una grafica Vp. El anlisis del diagrama no revela mucho termodinmicamente, pero es til en otros aspectos.Consideremos primero un diagrama convencional que refleje apropiadamente el trabajo de un compresor en movimiento alternativo sin espacio muerto o perjudicial, Fig. adjunta.

El rea bajo 4-1 representa el trabajo p1V1 hecho sobre l embolo durante la carrera de aspiracin, y el rea bajo 2-3 representa el trabajo p2V2 realizado sobre la sustancia al impulsarla (entregarla) desde el cilindro. Otro punto de vista es dejar que la frontera del sistema este en las vlvulas B; entonces, p1V1 es la energa que entra al sistema como trabajo del flujo y p2V2 es el trabajo de flujo que sale. Para fines de ilustracin, supongamos que la curva de compresin sea isentrpica, pVk =C. Como el trabajo esta representado por el rea encerrada en 1-2-3-4, obtenemos

(e)

puesto que V3 y V4 son iguales a cero. Reduciendo a un comn denominador, la expresin precedente ser

para pVk =C. Como V2 / V1 = (p1 / p2)1 / k , esta ecuacin es

(f ) Kg.-m ( o bien, pie-lb.) ( AREA ENCERRADA PARA PVK=C )

Comparando la ecuacion , vemos que si se sustituye k por n, obtendremos el trabajo para un compresor politropico. El V1 de la ecuacion es el mismo que V1 y significa el el volumen que pasa por el compresor cuando es medido a p1 y T1 . Si la sustancia es un gas ideal, se puede utilizar wRT1 en lugar de p1V1 en la ecuacion.

Vale la pena observar que la ecuacion representa el area de un diagrama limitado por la recta de volumen cero ( eje p ), por dos rectas de presion constante por una curva de la forma pVk = C. Todas las ecuaciones de trabajo para compresores, dadas hasta ahora en este capitulo, deberan un numero negativo, porque estan deducidas sobre una base algebraica y el trabajo se realiza sobre la sustancia ( es decir, entra en el sistema ).

Para quienes tengan que hacer calculos repetidos de trabajo de compresores, las tablas de gases les seran de utilidad para la resolucion de las ecuaciones de trabajo de los compresores.

ESPACIO MUERTO Y VOLUMEN DEL ESPACIO MUERTO.

El volumen desplazado, o cilindrada, se define por el volumen barrido por la cara del embolo en una carrera. Para estar seguros de que el embolo no choque con la culata del cilindro al final de la carrera y para que quede espacio para las valvulas, es esencial dejar un volumen muerto (llamado tambien perjudicial) en los compresores de movimiento alterntivo. En los motores de combustion interna el volumen del espacio muerto tiene mas importancia, pero en los compresores conviene que dicho volumen sea el minimo posible.

En vista de que, como veremos en el articulo siguiente, el consumo de energia es teoricamente independiente de la cantidad de espacio muerto, no tendria objeto aumentar significativamente los costos de fabricacion solo para conseguir menores espacios muertos. La relacion:

es denominada la relacion de espacio muerto, porcentaje del espacio muerto o simplemente espacio muerto. Sus valores varian en la practica desde alrededor del 3% en algunos grandes compresores de movimiento alternativo, hasta mas del 12% en otros, con la mayoria de dichos valores comprendidos entre 6% y 12%.

TRABAJO DEL DIAGRAMA CONVENCIONAL CON ESPACIO MUERTO.

Los sucesos o etapas del diagrama con espacio muerto son los mismos que los del caso sin dicho espacio, aparte de que, como en el embolo no impulsa ( o descarga ) todo el aire del cilindro a la presion p2 , el aire que queda en el punto 3, tiene que reexpansionarse, 3-4, hasta la presion de entrada o aspiracion antes de que se inicie esta nuevamente en 4 . Como en la expansion 3-4 solo interviene una masa relativamente pequea, el valor de n en una curva de expansion politropica tiene poco efecto sobre los resultados y, por tanto, se considera igual para ambas curvas de compresion y de expansion, aunque realmente difieren. Sin espacio muerto, el volumen de aire introducido en el cilindro es igual al volumen dsplazado ( o cilindrada ).

Como se observa en la figura para el diagrama con espacio muerto, el volumen de aire aspirado dentro del cilindro es V1 V4 = V1 y es menor que el de la cilindrada, VD .

Para hallar el trabajo del diagrama con espacio muerto, imaginemos que este formado por dos diagramas, a-1-2-b ya-4-3-b. Cada unode estos diagramas es similar en todos respectos al diagrama del compresor sin espacio muerto, de ahi que la ecuacion ( f ) se pueda aplicar a cada uno de ellos. El trabajo del diagrama 1-2-3-4 sera igual al trabajo del a-1-2-b menos el trabajo del a-4-3-b. De modo que, obtendremos el trabajo isentropico, Ws , por:

,

puesto que p4 = p1 y p3 = p2 . V1 = V1 V4 , la ecuacion dl trabajo se convierte en

Kg.-m (o bien, pie-lb.),

que es la misma que la ecuacin (9.2), aparte de las unidades; V1 es el volumen del aire aspirado; w es la masa de aire que pasa por el compresor, correspondiente al volumen V1. La conclusin es que la cantidad de trabajo necesaria para comprimir una masa particular de aire bajo condiciones dadas, es independiente del espacio muerto, lo cual es perfectamente cierto en los diagramas convencionales. Sin embargo, en el compresor real, hay efectos adicionales de rozamiento. El desplazamiento o cilindrada debe ser mayor con espacio muerto que sin l, para una capacidad particular; esto debe requerir una maquina mayor, mas cara y con mas rozamiento mecnico.

AIRE LIBRE.

El aire libre es el que esta en condiciones atmosfricas normales en una situacin geogrfica particular. Como la presin y la temperatura varan con la altitud, un compresor proyectado y ajustado para que entregue una cierta masa de aire a una cierta presin instalado a nivel del mar, no la entregara si esta a una altitud de 2000 m (o bien, 7000 pies), y adems la presin a que la entregue ser menor. Por consiguiente, l compresor de un motor de chorro o reaccin aspira y entrega o impulsa menos masa de aire a altitudes elevadas que a bajas.

La variacin atmosfrica estndar de la NACA * se da en la figura 9.7. La temperatura estndar de la NACA varia linealmente desde 15C al nivel del mar (a 40 de latitud) hasta 55C a 10769 m de altitud, esto equivale a 0.0065 C /m, o sea dT / dz =0.0065.

La temperatura estndar del verano del ejercito de EE.UU. resulta poco mayor de 40 a una altitud particular. La temperatura estndar de la NACA en la estratosfera se supone constante en 55C (no hay lnea divisoria fija, pero primero es la atmsfera; y sigue la estratosfera). Obsrvese en la figura 9.7 que la presin tiende a cero casi asintrpicamente. A 640 Km. a partir de la superficie terrestre, una molcula recorre una distancia media (recorrido medio libre) de 64 Km. (o bien, 1 pulg.).

La entropa del aire atmosfrico a una altitud pueda calcularse, para calores especficos constantes, con la ecuacin con respecto a otra de referencia. Para compresores fijos, una temperatura estndar de 20C. (o bien, 68 F.) es utilizada algunas veces por los ingenieros.

CAPACIDAD Y RENDIMIENTO VOLUMTRICO.

La capacidad de un compresor es la cantidad real de gas entregada, medida, por medio de un orificio, a la presin y temperatura d entrada o aspiracin expresada en metros cbicos por minutos (o bien, pies cbicos por minuto). El rendimiento volumtrico real de un compresor de movimiento alternativo es la relacin

,

donde la cilindrada, o desplazamiento, se calcula como se explico. El valor del rendimiento volumtrico real, que puede variar de 50% a 85%, se obtiene nicamente mediante pruebas o ensayos del compresor real.

RENDIMIENTO VOLUMTRICO CONVENCIONAL

Una ecuacin del rendimiento volumtrico, hallado a partir del diagrama convencional, acenta determinados factores de los que dependen dicho rendimiento. El volumen del gas medido a la entrada o aspiracin en el diagrama convencional (Fig. 9.8), es V1=V1 V4

O sea,

En el proceso 3-4,

Asimismo, V1= VD + c VD, donde c VD es el volumen de espacio muerto, V3, y c es el tanto por uno (o porcentaje dividido por 100) del espacio muerto.

Tenemos, por tanto, que es el rendimiento volumtrico convencional. El rendimiento volumtrico real puede ser mucho menor que el convencional, debido al rozamiento fluido del flujo o corriente (la presin en el cilindro es menor que la presin del aire libre) y porque las paredes del cilindro, estando relativamente calientes, calientan el aire que entra (una masa menor de aire caliente puede ocupar un espacio dado). Como en la ecuacin anterior p2 es mayor que p1, el rendimiento volumtrico disminuye a medida que aumenta el espacio muerto; y a medida que disminuye el rendimiento volumtrico, disminuye la capacidad. El espacio muerto puede hacerse tan grande que el compresor no descargue o impulse aire. Esta caracterstica se utiliza para controlar la produccin de un compresor, incrementando el espacio muerto cuando se desea una produccin reducida. Obsrvese tambin por la ecuacin mencionada anteriormente que el rendimiento volumtrico disminuye a medida que p2 / p1 aumenta.

Ni el espacio muerto ni el rendimiento volumtrico son indicadores de la garanta de la calidad. Al usuario le interesan ms la energa o potencia real consumida para la capacidad deseada y los estados finales.

CURVAS DE COMPRESIN PREFERIDAS

Puesto que la curva isentrpica 1-a de la figura 9.9, es de pendiente mas pronunciada que la isoterma 1-2, se absorbe mas trabajo para comprimir y entregar el gas cuando la compresin es isentrpica que cuando es isotrmica, estando representada la diferencia por el rea rayada. Las curvas de compresin con n entre 1 y K caern dentro del rea rayada. Observemos que el trabajo para mover el compresor disminuye con n y que entre las presiones especificadas (figura 9.9)

Trabajo del proceso isentrpico < Trabajo del proceso isotrmicoTrabajo del compresor isotrmico < Trabajo del compresor isotrmicoSe consigue la compresin politrpica y valores de n menores que k circulando agua fra (figura 9.4), o bien alrededor del cilindro (figura 9.10). El agua o el aire de enfriamiento absorben el calor debido a que el trabajo ha elevado la temperatura de la sustancia por encima de la del medio ambiente. Con cilindros provistos de camisas de agua, el valor de n ser 1.34 o mayor.

No es necesariamente deseable un valor bajo de n en un compresor. El mejor proceso de compresin depende del uso que se le d al material comprimido. Stuart y Jackson han estudiado esta cuestin completamente.

Observaremos que el proceso adiabtico conduce a un aumento de la entalpa (en la cantidad del trabajo realizado). De ah que, si la sustancia comprimida se utiliza en una turbina de gas, por ejemplo, la porcin disponible de la energa que interviene, es posteriormente disponible para trabajo dentro de la turbina, y se aadir menos calor en la cmara de combustin.

Por otra parte, en la mayora de los diferentes usos, el aire atmosfrico comprimido, a pesar de estar caliente al entregarlo, esta fri cuando se usa, habiendo perdido su calor, cedindolo a los medios circundante, mientras estuvo en el receptor o en el refrigerador posterior o postrefrigerador, que es un cambiador de calor similar a un refrigerador intermedio como se ve en la figura 9.11. Dicho enfriamiento conviene para quitar el exceso de humedad del aire antes de que entre en el sistema de distribucin. A una temperatura determinada, el aire a alta presin no puede contener tanto vapor de agua como el aire a baja presin, y el H2O se condensa naturalmente a medida que el aire comprimido se enfra. De modo que desde el punto de vista del trabajo, la compresin isotrmica ser mejor en este caso; pero para el aire atmosfrico, que siempre contiene algo de vapor de agua, dicha compresin originara problemas de condensacin en el cilindro del compresor que podran hacerla intolerable aunque se pudiera lograr.

POTENCIA INDICADA

En las mquinas de vapor y los motores de combustin interna, la sustancia activa ejerce una fuerza neta sobre los pistones a medida que estos se mueven, y, por lo tanto, se desarrolla potencia a costa de la energa de la sustancia activa. Despreciando la friccin, esta potencia es transmitida a travs de la mquina hasta el eje de salida. En cambio, en los compresores y en las bombas reciprocas, se suministra potencia a la mquina por intermedio de su eje y se la transmite hasta los pistones. El pistn, a su vez entrega trabajo a la sustancia activa. El trabajo realizado sobre el pistn, o por l, es una medida de la eficacia del proceso experimentado por la sustancia activa.

La presin ejercida por el pistn por la sustancia activa varia con el tiempo. Por lo tanto, resulta necesario medir esta variacin para determinar la potencia entregada al pistn o por l. Para esta determinacin se utiliza un aparato llamado indicador. Por la tanto, la potencia determinada mediante el uso de unos indicadores le llama potencia indicada. Potencia indicada res igual a la potencia entregada a la cara del pistn o por ella. Hay muchos tipos de indicadores. Solo describiremos aqu algunos de los ms comunes:

INDICADOR DEL TIPO DE PISTN

Se le usa en mquinas alternativas de baja velocidad, tales como mquinas de vapor, bombas, compresores y motores de combustin interna. La presin de la sustancia activa acta hacia arriba sobre el pistn del indicador. Esta presin es resistida por un resorte calibrado. La posicin del pistn del indicador en un instante cualquiera es, as, una funcin de la presin de la sustancia activa y de la rigidez del resorte. El movimiento del pistn del indicador es transmitido por medio del vstago del pistn a una punta trazadora por medio de un sistema de palancas. Este sistema debe disearse de modo que la punta trazadora tenga solo un movimiento vertical. As, la posicin vertical e la punta trazadora es funcin de la presin de la sustancia activa.

El resorte utilizado en este indicador esta calibrado y especificado en Kg. La especificacin en Kg. Es la variacin de presin en Kg. Por cm2, que actuando sobre el pistn del indicador, produce un movimiento vertical de 1 cm de la punta trazadora. Dado que pueden variar los dimetros de pistn de los diversos indicadores, cada resorte debe ser calibrado en el indicador como conque ha de usarse.

Si el tambor, que es una parte del indicador, es movido de tal modo que su posicin angular es en todo momento directamente proporcional a la posicin del pistn del motor, la punta trazadora describe un diagrama de las variaciones de presin en funcin del volumen dentro del cilindro de la mquina. Este diagrama se conoce con el nombre de diagrama indicador. Para la mayora de las mquinas y compresores, la longitud de carrera es tan grande que resulta necesario reducir el movimiento con el fin de mantener el tambor en un tamao razonable. El requisito esencial de un mecanismo reductor no es solo el de reducir el movimiento en la proporcin conveniente, sino asegurar que el desplazamiento angular del tambor sea en todo momento proporcional al desplazamiento del pistn de la mquina.

Debido a la inercia y la friccin de las partes mviles del indicador de pistn, se obtendrn diagramas muy deformados cuando se lo utilice con mquinas de alta velocidad. Adems si la velocidad es muy alta, pueden existir deformaciones adicionales por la vibracin sincrnica del resorte del indicador. Por esta razn, el indicador comn del tipo de pistn no es adecuado para mquinas de ms de unas 400 rpm., dependiendo el lmite exacto del tamao y diseo del indicador.

El diagrama obtenido por medio del indicador es un grfico de la presin en funcin de la posicin del pistn de la mquina, o de la presin en funcin del volumen. Por lo tanto, el rea de este diagrama es proporcional al trabajo neto realizado sobre la cara del pistn o por ella. El trabajo se calcula determinando la presin media efectiva del ciclo (pme.). Defnase la pme. como la presin equivalente que debe actuar sobre la cara del pistn durante toda su carrera para producir el trabajo neto indicado realmente producido por ciclo. La pme. indicada puede obtenerse del diagrama del indicador. El rea del diagrama dividida por su longitud es igual a la ordenada media. La pme. es igual al producto de esta ordenada media por el factor de escala del resorte del indicador. As, rea del diagrama pme. indicada = ---------------------------- * factor del resorte Longitud del diagrama

El producto de la pme. por el rea del pistn es igual a la fuerza neta equivalente que acta sobre el pistn. Multiplicando este producto por la longitud de la carrera y por el nmero de ciclos por minuto y dividiendo por 4500, se obtiene la potencia en H.P. indicada (H.P.I.). La potencia total es igual a la suma de las potencias individuales desarrolladas sobre cada cara del pistn. As

( P *A * L * n)H.P.I. = ----------------------------------4500

Donde P = pme. Kg./cm2 A = rea efectiva del pistn, cm2 L = longitud de la carrera, mn = nmero de ciclos por minuto para la cara de un pistn. Para una mquina de dos tiempos n = rpm. para una mquina de cuatro tiempos, n = rpm./2.Cuando la cara del pistn que se considera tiene vstago, el rea efectiva del pistn es igual al rea bruta menos la seccin transversal del vstago. En algunos casos, puede obtenerse una pme. para todos los cilindros. Si se desprecia el rea de los vstagos, los H.P.I. estn dados aproximadamente por (P *A * L * n)H.P.I. = ---------------------------- * N4500

Donde A = rea bruta del pistn, cm2N = nmero total de caras de pistn activas

Adems de la determinacin de la pme. el diagrama indica las partes del ciclo en que se producen los distintos eventos. En los motores de explosin con vlvulas de ajuste fijo, el diagrama demostrara los efectos de los distintos grados de adelanto de la chispa y otras variables. En los motores Diesel, el diagrama es til para ajustar la fase de inyeccin del combustible.

INDICADORES DE DIAGRAMA:Se usan para mquinas alternativas de alta velocidad.Indicadores electrnicos:-Son tiles para un rango ms amplio de velocidades, estando libre de los efectos de la inercia.Indicadores pticos:-Son tiles para un rango de velocidades de 2000 rpm. o mayores.

POTENCIA AL FRENO Y POTENCIA EN EL EJE

La potencia de salida de las mquinas de vapor se determinaba antes por medio de un freno. Por lo tanto la potencia entregada por las mquinas de vapor se llamaba potencia al freno (H.P.F.). El trmino ha persistido y tambin se lo usa en relacin con los motores de combustin interna. La potencia entregada por las turbinas y los motores se llama potencia en el eje (H.P.E.). Tambin se usa este trmino para indicar la potencia de entrada en el eje de compresores, ventiladores y bombas.

Hay dos mtodos bsicos para medir la potencia de salida de los motores, segn que se basen los instrumentos denominados dinammetros de absorcin o en los llamados dinammetros de transmisin. El tipo de absorcin absorbe toda la potencia producida y por lo tanto su uso debe restringirse a la prediccin de los que una mquina, turbina o motor har en circunstancias dadas. El tipo de transmisin, en cambio, es de valor para determinar la potencia realmente entregada en funcionamiento.Los dinammetros de absorcin pueden ser clasificados de la manera siguiente 1.-Tipos de friccin mecnica como el freno de Prony, el freno de cuerda, etc.2.-Dinammetro hidrulico. 3.-Dinammetro de aire.4.-Dinammetro elctrico:a.-De campo basculanteb.-De corrientes de remolino

DINAMMETRO DE FRICCIN MECNICA.-El dispositivo tpico de esta clase es el freno de Prony. Existen varios tipos de freno Prony. La potencia entregada es absorbida por la friccin existente entre la faja y la volante. El efecto de friccin lo controlamos por medio del cargado de pesas aumentando esta, conforme se aumenta el cargado.El freno Prony presenta grandes dificultades para la disipacin del calor y para mantener constante el par resistente, por ello su uso se limita para la medicin de bajas potencias.Hay muchas variantes del freno de Prony. En los de menor tamao pueden sustituirse cuerdas o bandas de lona o de cuero a la banda de acero y los tacos de madera.Se han construido frenos de Prony aptos para potencias de hasta centenares de H.P. y hasta 1000 rpm. A mayores velocidades este tipo de freno requiere una construccin muy cuidadosa, pues de lo contrario tiende a oscilar irregularmente. Esta tendencia puede disminuirse introduciendo unas gotas de lubricante entre el freno y el volante.

El clculo de la potencia es de acuerdo a la siguiente formula:

2LWn H.P.F. =--------------------- 4500

Donde L = longitud del brazo de palanca del freno, mW = peso, Kg. n =rpm.

DINAMMETROS HIDRULICOSEl cambio de cantidad de movimiento del agua sustituye a la friccin entre slidos.Se compone de un rotor consistente en dos platos y de una envuelta o estator.Las variaciones de carga se obtienen variando la separacin entre los platos del rotor.

DINAMMETRO ELCTRICOEl dinammetro de campo basculante consiste en una mquina de c.c. en derivacin que puede funcionar como motor o como generador.La fuerza aplicada al extremo del brazo basculante equilibra el estator, se mide por medio de una balanza. El dinammetro de campo ofrece la ventaja de poder funcionar como motor. SE lo utiliza para determinar la potencia de entrada absorbida por ventilad9res, bombas, compresores, etc.La potencia al freno se puede hallar aplicando la siguiente formula:

H.P.F. = F L W = V I/N

Donde F = carga, Kg.L = Brazo, mW = velocidad angular, rpm.V = voltaje, vI = amperaje, AN = eficiencia del generador.

EQUIPOS Y PROCEDIMIENTOS Datos tcnicos del compresor de aire de dos etapas:

Primera etapa (Baja presin)

Numero de cilindros 2Carrera101.6 mm.Dimetro interior101.6 mm.Volumen de desplazamiento 1.647 lVolumen muerto 29.5 cm3Presin mxima 10.3 barRelacin de velocidades motor / compresor 3 : 1Eficiencia de la transmisin 0.98Rango de velocidades 300 500 rpm

Segunda etapa (Alta presin)

Numero de cilindros 1Carrera101.6 mmDimetro interior 76.2 mmVolumen de desplazamiento 0.463 lVolumen muerto 28.2 cm3Presin mxima 13.8 barRelacin de velocidades motor / compresor 3 : 1Eficiencia de la transmisin 0.98Rango de velocidades 300 500 rpm

6 termmetros de bulbo sin corazaRango 0 200 CAprox. 1 C6 termmetros de bulbo con corazaRango -1 110 CAprox. 1 C2 Manmetros BourdonRango 0 14 Kg. / cm2; 0 20 Kg. / cm2 Aprox. 0.5 Kg. / cm2; 1 Kg. / cm2 2 Manmetros inclinados de lquidoRango 0 70 mm H2OAprox. 0.5 mm H2O 2 DinammetrosRango 0 30 Kg.Aprox. 100 g.2 TacmetrosRango 0 200 rpmAprox. 25 rpm2 ContmetrosRango 999.999 Rev.Aprox. 1 Rev.2 VoltmetrosRango 0 350VAprox. 10V2 AmpermetrosRango 0 25Aprox. 0.51 Indicador de diagrama NAIHACK

Procedimiento general del ensayo1)Antes del encendido:a)Observar si los manmetros inclinados se encuentran en cero.b)Llenar los pozos de aceite de los termmetros con aceite.c)Drenar el condensado del interenfriador, postenfriador y tanque de almacenamiento.2)Procedimiento del ensayo:a)Ubicar las vlvulas A, B y C en la posicin correcta.b)Ajustar los flujos de agua de refrigeracin, hasta obtener lecturas comprendidas entre 10 y 25 cm. En los medidores de flujo.c)Accionar las llaves de funcionamiento en vacod)Ubicar los reguladores de velocidades en su posicin mnima.e)Encender primero el compresor de alta presin y luego el de baja, manejando lentamente los arrancadores.f)Cuando la presin en el tanque de almacenamiento se acerque a la presin deseada, abrir lentamente la vlvula de estrangulamiento. La posicin correcta de la vlvula de estrangulamiento para obtener una presin constante en el tanque, ser aquella que produzca la misma cada de presin en la tobera de descarga con respecto a la cada de presin en el orificio de entrada.

DATOS EXPERIMENTALESPuntoPresin de Aire (Kg./cm2)Temperaturas del aire ( C )Manmetros (mm H2O)Dinammetro de Baja Presin

P6P2TA T1T2T3T4T5T6T7hohtRPMFza. (Kg)Volts.Amps.

18222.521942088253021131711255.317013

28322.5221083090332822151411506.317515

38422.5221113588342523221714507.222517

Dinammetro de Alta PresinAlturas de los medidores de agua (cm. de H2O)Temperaturas del agua de Refrigeracinreas de diagrama indicado

RPMFza. (Kg)Volts.Amps.C.B.PI.E.C.A.P.P.E.TiaT1aT2aT3aT4aC.B.P. (cm2)C.A:P (cm2)

13003.919310212452352224403030303.54

9003.251379.521242321.924423230313.52.2

9003.4136920.82422.821.824443330324.53.2

Diagramas indicados

CLCULOS Y RESULTADOSCondiciones Ambientales:

TA (C)=20

Po (bar)=0.99

Ti agua (C)=23.5

COMPRESOR DE BAJA

PTOVoltaje (v)Corriente (amp)R.P.M.FUERZA (Kg)

1170133755.3

217515383.3336.3

322517483.3337.2

AIREAGUA DE REFRIGERACINDIAGRAMA INDICADO

T ing (C)T sal (C)h agua ref (cm)T salida (C)REA (cm^2)LONGITUD (cm)K Resorte (bar/m)

219422.5040.003.53.90195.44

2210822.2039.503.53.90195.44

2211122.8050.004.54.00195.44

COMPRESOR DE ALTA

PTOVoltaje (v)Corriente (amp)R.P.M.FUERZA (Kg)

119310433.3333.9

21379.53003.25

313693003.4

AIREAGUA DE REFRIGERACINDIAGRAMA INDICADO

T ingreso (C)T salida (C)h agua ref (cm)T salida (C)REA (cm^2)LONGITUD (cm)K Resorte (bar/m)

208823.53043.90488.6

309023302.24.00488.6

358822.8303.24.10488.6

INTERENFRIADORPLACAORIFICIOPOSTENFRIADORTANQUE

AGUA DE REFRIGERACINAGUA DE REFRIGERACINAIRE

PTOh agua ref (cm)T salida (C)PRESIN INTERMEDIA (Kg/cm^2)T salida (C)h agua ref (cm)T salida agua (C)T salida aire(C)PRESIN (Kg/cm^2)TEMP. (C)

127.1027.002.0020.0025.5032.0032.008.0024.00

226.6027.001.7520.0025.5034.0036.008.0024.00

327.2030.004.0020.0026.0032.5037.008.0024.00

FLUJO DE AIRE

PTOh ent (mm)h sal (mm)

116.024.0

216.712.0

327.017.0

FLUJO DE AGUA DE REFRIGERACIN:

Comp BajaComp AltaInterenfriadorPostenfriador

PTOQ (l/hr)m (Kg/s)Q (l/hr)m (Kg/s)Q (l/hr)m (Kg/s)Q (l/hr)m (Kg/s)

153.65790.014945.83740.012764.55150.017957.94510.0161

253.27960.014845.61970.012763.95320.017857.94510.0161

354.03370.015046.16230.012864.67050.018058.50360.0163

FLUJO DE AIRE

Medidor de la Caja

PTOQ(m^3/s)m (Kg/s)

10.00790.0092

20.00800.0094

30.01020.0120

POTENCIAS Clculo de la potencia elctrica, potencia al eje y potencia entregada al compresorELCTRICA EJE COMPRESORTOTAL

PTOComp baja (KW)Comp Alta (KW)Comp baja (KW)Comp Alta (KW)Comp baja (KW)Comp Alta (KW)Por los 2 compresores (KW)

11.762.021.882.351.842.314.15

21.812.301.882.491.842.444.29

33.521.253.271.443.211.414.62

Clculo de la potencia indicadaPresin Media (bar)Vol Desp (m^3/s)Potencia (KW)

PTOComp bajaComp AltaComp BajaComp AltaComp BajaComp Alta

11.2532.5060.01050.00371.320.93

20.4012.5650.01080.00390.431.01

30.4892.9790.01410.00260.690.75

Clculo de los calores absorbidos por el agua de refrigeracin.PTOQ cbp Q cap Q interenf Q postenf Q total

11.0280.3730.26230.57192.23

20.9900.4770.25990.70642.43

31.6630.3480.48810.61143.11

Clculo de las prdidas de calor por radiacin y conveccin.PTOh ent Com Baja (KJ/Kg)h sal post enfr (KJ/Kg) h (KJ/Kg) H (KW)Q rad y conv (KW)

1295.029306.06811.03850.10211.81

2295.029310.08215.05250.14221.71

3296.033311.08515.05250.18081.32

Clculo de las eficiencias mecnicas y de las eficiencias volumtricas aparentesMECNICASVOLUMTRICAS APARENTES

PTO m CBP (%) m CAP (%) v CBP (%) v CAP (%)

171.5740.2497.2891.42

223.3741.1997.5990.37

321.4753.2894.8896.34

Clculo de las eficiencias volumtricas realesCompresor de BajaCompresor de Alta

PTOmd (Kgair/rev)md (Kg air/s)v r CBP (%)md (Kg air/rev)md (Kg air/s)v r CAP (%)

10.0019320.01234674.900.0015820.01265373.09

20.0019320.01261474.900.0014500.01228376.92

30.0019260.01647772.910.0025940.01440983.37

Clculo de la Potencia IsotrmicaCompresor de BajaCompresor de Alta

PTOV (m^3/s)Wisot (KW) isot (%)V (m^3/s)Wisot (KW) isot (%)

10.0078820.86506665.620.0027070.89221396.13

20.0080520.814425188.950.0030170.98371597.76

30.0102731.647117239.240.0021440.63023883.92

OBSERVACIONES Drenar el condensado del Inter-enfriador, post-enfriador y tanque de almacenamiento.

Durante la toma de los datos, esperar unos minutos para que las medidas de los instrumentos se estabilicen.

CONCLUSIONES El compresor de alta presin presenta una eficiencia mecnica mayor que el compresor de baja presin. Slo en el primer punto el compresor de alta presin presenta menor eficiencia mecnica menor que en el de baja.

La variacin del calor en los Inter-enfriadores es pequea, por lo que la eficiencia volumtrica vara en pequeo margen.

Los intercambiadores de calor absorben bastante cantidad de energa, logrando su objetivo en el cambio de temperatura del fluido.

APNDICE

Compresor de aireCompresor de aire, tambin llamado bomba de aire, mquina que disminuye el volumen de una determinada cantidad de aire y aumenta su presin por procedimientos mecnicos. El aire comprimido posee una gran energa potencial, ya que si eliminamos la presin exterior, se expandira rpidamente. El control de esta fuerza expansiva proporciona la fuerza motriz de muchas mquinas y herramientas, como martillos neumticos, taladradoras, limpiadoras de chorro de arena y pistolas de pintura.En general hay dos tipos de compresores: alternativos y rotatorios. Los compresores alternativos o de desplazamiento (ver Fig. 1), se utilizan para generar presiones altas mediante un cilindro y un pistn. Cuando el pistn se mueve hacia la derecha, el aire entra al cilindro por la vlvula de admisin; cuando se mueve hacia la izquierda, el aire se comprime y pasa a un depsito por un conducto muy fino.

Los rotativos (ver Fig. 2), producen presiones medias y bajas. Estn compuestos por una rueda con palas que gira en el interior de un recinto circular cerrado. El aire se introduce por el centro de la rueda y es acelerado por la fuerza centrfuga que produce el giro de las palas. La energa del aire en movimiento se transforma en un aumento de presin en el difusor y el aire comprimido pasa al depsito por un conducto fino.

El aire, al comprimirlo, tambin se calienta. Las molculas de aire chocan con ms frecuencia unas con otras si estn ms apretadas, y la energa producida por estas colisiones se manifiesta en forma de calor. Para evitar este calentamiento hay que enfriar el aire con agua o aire fro antes de llevarlo al depsito. La produccin de aire comprimido a alta presin sigue varias etapas de compresin; en cada cilindro se va comprimiendo ms el aire y se enfra entre etapa y etapa.

Aire comprimidoHISTORIALaprimeratransmisin neumtica data de 1700, cuando el fsico francs Denis Papin emple la fuerza de un molino de agua para comprimir aire que despus se transportaba por tubos. Aproximadamente un siglo despus, el inventor britnico George Medhurst obtuvo una patente para impulsar un motor mediante aire comprimido, aunque la primera aplicacin prctica del mtodo suele atribuirse al inventor britnico George Law, quien en 1865 dise un taladro de roca en el que un pistn movido por aire haca funcionar un martillo. El uso de este taladro se generaliz, y fue empleado en la perforacin del tnel ferroviario del Mont Cenis, en los Alpes, que se inaugur en 1871, y en el tnel de Hossac, en Massachusetts (Estados Unidos), inaugurado en 1875. Otro avance significativo fue el freno de aire comprimido para trenes, diseado hacia 1868 por el inventor, ingeniero e industrial estadounidense George Westinghouse.APLICACIONESLosmotoresdeairecomprimido se emplean en numerosas herramientas donde se requieren fuerzas intensas de carcter intermitente, como perforadoras neumticas; en herramientas de mano donde la fuerza de un motor elctrico podra ser demasiado grande, como por ejemplo las pistolas empleadas en los talleres para apretar o aflojar las tuercas en las ruedas (llantas)de los coches; por ltimo, en pequeos sistemas rotativos de alta velocidad que requieren entre 10.000 y 30.000 revoluciones por minuto. La fuerza neumtica tambin se emplea en numerosas mquinas automticas para la produccin industrial.Puedeconseguirseunmovimiento oscilante o rotativo mediante un mecanismo de biela o trinquete, aunque para el movimiento rotativo de alta velocidad resulta ms adecuado un motor de palas o similar. El motor acta como una turbina de aire, haciendo girar el rotor al expandirse ste, y se emplea para taladros y trituradores de alta velocidad y para sirenas de aire comprimido.Trascorrientesdeaire comprimido son tambin tiles para transportar otros materiales y pulverizarlos a travs de una tobera atomizadora. Por ejemplo, puede aspirarse pintura y mezclarse con una corriente de aire. El aire pasa a travs de un estrechamiento en un tubo, donde aumenta su velocidad a la vez que disminuye su presin (vase Teorema de Bernoulli); la pintura se aspira en ese punto, se mezcla con el aire, se vuelve a comprimir dinmicamente y se lanza a travs de la tobera. Las pulidoras de chorro de arena absorben y pulverizan arena de este mismo modo. Un aerosol tambin acta como un pulverizador neumtico.

MTODOS DE CONSTRUCCIN DE TNELES

Laconstruccinoperforacin de un tnel se realiza abriendo con explosivos o taladrando y excavando corredores. Los tneles submarinos y los que atraviesan montaas se suelen empezar por los dos extremos a la vez. Cuando se construyen tneles muy largos, es necesario excavar conductos verticales a ciertos intervalos para perforar el tnel desde ms de dos puntos. La mejora de la maquinaria para taladrar y perforar permite construir un tnel de cuatro a cinco veces ms rpido que con las tcnicas antiguas.Lataladradoradeaire comprimido es el avance que ms ha acelerado el proceso de construccin de tneles en los ltimos aos. Se suelen montar varias perforadoras en unos vehculos mviles llamados jumbos, que avanzan hacia la pared de roca y abren huecos en sitios predeterminados. Estos huecos se rellenan con cargas explosivas, se despeja la zona y se hacen detonar. Despus se eliminan los trozos de roca y se repite el proceso.Otrodesarrolloreciente de la maquinaria perforadora es el topo. Es una mquina alargada con una cabeza circular cortante que gira y avanza mediante energa hidrulica. En la cabeza cortadora hay unos discos de acero que arrancan la roca de la pared segn gira el conjunto. Estas mquinas presentan ventajas considerables sobre la utilizacin de explosivos. El tnel se puede abrir exactamente del tamao deseado y con paredes lisas, lo que es difcil de conseguir con explosivos, que con frecuencia abren huecos mayores que el precisado. Tambin se eliminan los riesgos de accidentes por explosiones y el ruido; los trabajadores no estn expuestos a humos y gases nocivos y pueden transportar los trozos de roca sin tener que parar para realizar explosiones. Un topo puede avanzar unos 76m por da, segn sea el dimetro del tnel y el tipo de roca en el que se excava.Apesardeestasventajas, los topos tambin presentan inconvenientes. Son muy costosos y la cabeza cortadora ha de fabricarse a la medida del tnel; no se pueden utilizar en suelos blandos, lodo o barro, ya que en vez de avanzar se hunden. Hasta hace pocos aos, durante los cuales se han desarrollado materiales especiales para las superficies cortadoras, los discos se desgastaban rpidamente en zonas de rocas especialmente duras.Ademsdetaladraryde utilizar explosivos, hay otros mtodos para construir tneles. El mtodo de corte y relleno consiste en excavar zanjas, construir las paredes, techo y suelo con hormign o instalar secciones de tnel prefabricadas, y rellenar despus la zanja por encima del tnel. Este mtodo no se suele emplear en superficies urbanas. En zonas hmedas o de suelo blando se introducen grandes cilindros, como tuberas, mediante sistemas de aire comprimido. Los trabajadores quitan la tierra para que el cilindro avance. Los tubos de los tneles submarinos se van montando por tramos cortos en una zanja excavada en el lecho del ro o en el fondo del mar. Cada seccin se sumerge, se acopla a la seccin anterior y se asegura con unas paredes gruesas de hormign.Otromtododeconstruccin submarina es el empleo de los escudos, que son cmaras hermticas realizadas con madera, hormign y acero. El escudo acta como un caparazn, en el interior del cual se construyen los cimientos. Hay tres tipos de escudo: de caja, abierto y neumtico. La eleccin de uno u otro depende de la consistencia del terreno y de las circunstancias de la construccin. En condiciones adversas se suele emplear el escudo neumtico, que utiliza aire comprimido para evacuar el agua que entre en la cmara de trabajo.RIESGOS EN LA CONSTRUCCIN DE TNELESLasnuevastcnicasde perforacin no han eliminado todos los peligros que implica la excavacin de tneles. El agua puede irrumpir en el interior del tnel si ste no est recubierto con hormign o selladores plsticos, a un ritmo de 72.000 litros por minuto. El agua tiene que bombearse al exterior porque retrasa la excavacin, molesta a los trabajadores, puede derrumbar las paredes y el techo del tnel y daa los equipos. En los proyectos ms recientes, se ha intentado congelar la zona del tnel donde se trabaja para prevenir las inundaciones que se pudieran producir antes de entibar y sellar las paredes. A excepcin de algunos tneles de transporte de agua y residuos, en los que las filtraciones no son un inconveniente, los tneles se entiban de modo permanente con maderas, hormign o acero, o una combinacin de los tres.Elpolvoquegeneranlas explosiones es otro problema, ya que retrasa la excavacin y puede producir enfermedades a los trabajadores. Se ha utilizado en fechas recientes una mquina que pulveriza una fina cortina de agua que asienta el polvo despus de la explosin. A pesar de las medidas de seguridad que se adoptan, se siguen produciendo accidentes, como el que tuvo lugar en Japn en 1960, en el que una explosin mat a 22 trabajadores.

TNELES FAMOSOS DEL MUNDOEltneldeSeikan,en Japn, comunica las islas de Honsh y Hokkaid por el estrecho de Tsugaru; mide 53,85km y es el tnel ferroviario ms largo del mundo.EltneldelCanalde la Mancha es un tnel submarino de tres galeras que comunica Coquelles (Francia) y Cheriton (Inglaterra) y mide 50,4km. Es el tnel submarino ms largo del mundo y el mayor proyecto de ingeniera de Europa.

EldelMontCenis(1871) es un paso alpino de 13,7km que comunica Francia e Italia. Fue el primer tnel ferroviario; en su construccin se emplearon perforadoras de aire comprimido.ElSimplon(1922)comunica Suiza e Italia a travs de los Alpes. Mide 19,8km y es el tnel ferroviario ms largo de los Alpes.ElYerba(1936)atraviesa la isla de Yerba Buena en la baha de San Francisco, California (Estados Unidos). Mide 165km de largo, 23m de ancho y 15m de alto; es el tnel de mayor dimetro del mundo y tiene dos pisos.ElacueductoDelaware (1944), en el estado de Nueva York (Estados Unidos), mide 137km. Comienza en Roundout Reservoir, en las montaas Catskill, y termina en Hillview Reservoir, Yonkers; es el tnel de distribucin de agua ms largo.EltneldelMontBlanc (1965) es un tnel para automviles que atraviesa los Alpes entre Chamonix (Francia) y Courmayeur (Italia), y mide 11,6 kilmetros.ElPlanSnowyMountains (1972), en Australia, incluye una compleja red de 145km de tneles que comunican centrales hidrulicas con embalses. Entre ellos destaca el Eucumbene-Snowy (1965), de 23,5km de longitud.EltneldeFrjus(1980) es un paso alpino de 13kmentre Francia e Italia.EltneldeLrdal,en Noruega, mide 24,5km y es el tnel alpino para automviles ms largo del mundo.

BIBLIOGRAFA.

MANUAL PARA EL LABORATORIO DE INGENIERA MECNICA IIIUniversidad nacional de ingeniera.

Microsoft Encarta Biblioteca de Consulta 2002. 1993-2001 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos.

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