Informe Laboratorio de Compresores

Maquinas y Motores – Ensayo de Compresores de Aire 1

ÍNDICE

· Índice 1

· Introducción 2

· Objetivo 3

· Resumen teórico 4

· Datos y Resultados 9

· Análisis 15

· Conclusión 16

· Ejemplo de calculo 17


· 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


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.


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


· 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 P1 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 P2 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:

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.

W = ∫21PV-P2V2+P1V1 = ∫2

1 V dP


Ecuaciones para la determinación de parámetros en un compresor de

pistones.

Rendimiento volumétrico

ηv = V a

V b

Va: Caudal aspirado por el compresor

V a = ma

ρa

(m3 /hr )

ρa = Pa

Ra T a

Ra = 287.1 (J/kg K)Ta : Temperatura ambientePa : Presión atmosféricama : Caudal másico de aire. Es posible medirlo con un instrumento en la aspiración.

V b = C*10-6 *n*60 (m3 /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:


Pi: P1, P2, P3,...,PnTi: T1, T2, T3,...,Tn

Usando la relación:T i

Ta

= (P i

Pa

)n-1n

Aplicando logaritmo, se tiene:

log (T i

T a

) = n-1n

log (Pi

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

36n

n-1[ ( P

Pa

)n-1n - 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 = 9nt( kW )

n: Número de vueltas del medidor electrónicot: tiempo en dar las vueltas (s)

Rendimiento total


ηt = N th

Nc

Potencia específica absorbida por el compresor

Nesp . = Nc

V a

Contenido de humedad en el aire

X a = 0 .622P s(T a )

Pa

ϕ - Ps (Ta )

Xa: Contenido de humedad a la entrada del compresorPa: Presión atmosféricaPs(Ta) : Presión de saturación a la temperatura ambiente, Taφ: Humedad relativa

Condensado de aguamcw = mL( X a - X asat

)

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

X asat = 0 .622

Ps(T intercambiador )P - Ps (T intercambiador )

X a = mW

mL

mW + mL = ma

mL

mL

+ mW

mL

= ma

mL

1 + Xa = ma

mL

mcw = ma

1 + Xa

( Xa - Xasat)


DATOS Y RESULTADOS

Tabla 1

P (kpa)

ma (kg/hr)

Va (m3/hr) nRPM

Vb (m3/hr) Rend. Volumétrico

Tiempo por etapa (s)

0 14,26 11,69 1380 28,15 41,53 360150 14,51 11,89 1368 27,91 42,6 252250 15,93 13,06 1369 27,93 46,76 288350 14,78 12,11 1370 27,95 43,33 324450 14,51 11,89 1363 27,81 42,75 288550 14,51 11,89 1360 27,74 42,86 288

Tabla 2. Intercambiador de Calor

Pabs (bar)

Te aire (ºC)

Ts aire (ºC)

ln (Ti/Ta) ln (p/p0) ma (kg/hr)

Qo (Kw) n (coef. Politrópico)

1,02 35 23 0,05 0 14,26 0,05 1,122,52 62 25 0,14 0,9 14,51 0,15 1,123,52 80 24 0,19 1,24 15,93 0,25 1,124,52 86 28 0,21 1,49 14,78 0,24 1,125,52 100 29 0,25 1,69 14,51 0,29 1,126,52 108 30 0,27 1,86 14,51 0,32 1,12

Tabla 3.

Pabs (bar)

nº de vuelta

s

tiempo por

etapa (s)

I (A)

V (volt)

Nc (kw)

Nth (kw)

Nesp (kw*hr/m3)

NE (kw) ηTotal

1,02 29 180 3,8 380 1,45 0 0,12 1,44 02,52 36 180 4,2 380 1,8 0,32 0,15 1,6 17,753,52 42 180 4,5 380 2,1 0,49 0,16 1,71 23,34,52 48 180 4,9 380 2,4 0,55 0,2 1,86 23,045,52 49 180 5 380 2,45 0,62 0,21 1,9 25,416,52 51 180 5,1 370 2,55 0,69 0,21 1,89 27,07


Tabla 4. Condensado de Agua

Pabs (bar)

Te aire (ºC)

Ts aire (ºC)

Ps(Ts) [mbar]

Xa (sat)

mcw [Kg/hr]

1,02 35 23 26,87 0.0168 -0,112,52 62 25 31,66 0.0079 0,023,52 80 24 28,04 0.0050 0,074,52 86 28 39,59 0.0055 0,065,52 100 29 41,01 0.0047 0,076,52 108 30 42,42 0.0041 0,08

Grafico Nº1: Caudal másico del aire versus presión de descarga

ma(kg/h) v/s p(bar)

13

13,5

14

14,5

15

15,5

16

16,5

0 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5

P (bar)

ma (

kg

/h)


Grafico Nº2: rendimiento volumétrico versus presión de salida

Grafico Nº3: Temperatura de salida versus presión de salida

Va (%) v/s P (bar)

3839404142434445464748

0 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5

p (bar)

Va (

%)

T (ºc) v/s P (bar)

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5

P (bar)

T(º

c)


Grafico Nº4: determinación del coeficiente politrópico

Grafico Nº5: Potencia media absorbida versus presión de salida

Ln (Ti/Ta) v/s Ln (P/Po)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

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

Ln (P/Po)

Ln

(T

i/T

a)


Grafico Nº6: Rendimiento total versus presión de salida

Grafico Nº7: Potencia especifica versus presión de salida

Nc (kw) v/s P (bar)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5

P (bar)

Nc (

kw

)

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

0

5

10

15

20

25

30

0 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5

P (bar)

Ren

dim

ien

to (

%)


Grafico Nº8: Potencia eléctrica versus presión de salida

Gráfico Nº9: Diagrama para el cálculo de condensado.

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

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5

Nesp (kw*h/m^3)

P (

bar)

Nelec (kw) v/s P (bar)

0

0,5

1

1,5

2

0 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5

Nelec (kw)

P (

bar)


mcw (kg/h) v/s t (s)

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,1 0,1 0,7 0,7 0,8 0,8 0,9 0,9 0,8 0,8 0,8 0,8

t (s)

mcw

(kg

/h)


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.


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.


EJEMPLO DE CALCULO

Los cálculos serán realizados para los siguientes valores medidos por la tabla de datos :

Presión admosferica = 1020 mbarVoltaje = 370 voltAmperaje = 3.5 AmperIntervalo de tiempo = 540s - 792sTiempo por etapa = 180 sNúmero de vueltas = 36Velocidad de giro del compresor = 1368 rpmm = 14,51(Kg/hr)Aire: Temperatura de entrada = 62 ºC

Temperatura de salida = 25ºCAgua: 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)

ρaire =

1 .02∗105

287 . 1∗292=1. 22 ( Kgm3)


3

Va =

11.891 . 22

=11.69 (m3 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∗1368∗60=27 .9 ( m3 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


Potencia teórica absorbida por el compresor (Nth)

Nth =

Pa∗Va 36

nn−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

Nesp = 0.151 (kw hr/m3)


BIBLIOGRAFIA

Apuntes de clases

Atlas copco, manual de compresores.

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