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Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO F I M E E S F I M E E S Escuela Profesional De Escuela Profesional De Ingeniería Mecánica Eléctrica LABORATORIO DE ING. MECANICA III “COMPRESOR DE DOS ETAPAS” ENSAYO Nº 01 PRESENTADO POR: COLQUE MONJE, Omar Alex COD: 981506 DOCENTE:

CALCULOS REALIZADOS

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Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO F I M E E SF I M E E S

Escuela Profesional DeEscuela Profesional De

Ingeniería Mecánica Eléctrica

LABORATORIO DE ING. MECANICA III

“COMPRESOR DE DOS ETAPAS”

ENSAYO Nº 01

PRESENTADO POR:

COLQUE MONJE, Omar Alex

COD: 981506

DOCENTE: Ing. Julio Condori Argandoña

Puno- Perú

2012

Page 2: CALCULOS REALIZADOS

Laboratorio de Ing. Mecánica III Nombre: Omar Alex Colque Monje

COMPRESOR EXPERIMENTAL DOS ETAPAS

1.- RESUMEN:

En la presente experiencia tendremos oportunidad de aplicar los conocimientos teóricos

aprendidos en los cursos de termodinámica sobre compresión de aire.

Aire comprimido, aire a presión superior a una atmósfera. Puede emplearse para empujar un

pistón, como en una perforadora neumática; hacerse pasar por una pequeña turbina de aire

para mover un eje, como en los instrumentos odontológicos o expandirse a través 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 neumáticas, como perforadoras,

martillos, remachadoras o taladros de roca.

En el presente informe se calcula el balance térmico de un compresor de dos etapas,

calculando los parámetros de funcionamiento y comparándolos con los parámetros de un

compresor ideal.

2.-OBJETIVO :

Realizar un balance térmico de un compresor

Calcular los parámetros de funcionamiento

3.- TEORIA:

CONCEPTO:

Compresor de aire, también llamado bomba de aire, máquina que disminuye el volumen de

una determinada cantidad de aire y aumenta su presión por procedimientos mecánicos. El

aire comprimido posee una gran energía potencial, ya que si eliminamos la presión exterior,

se expandiría rápidamente. El control de esta fuerza expansiva proporciona la fuerza motriz

de muchas máquinas y herramientas, como martillos neumáticos, taladradoras, limpiadoras

de chorro de arena y pistolas de pintura.

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

aire, a la deseada.

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

funcionamiento:

- Compresores de desplazamiento positivo, en donde se comprime aire por una reducción de

su volumen. Son los más empleados por la industria.

- Turbocompresores, que funcionan según la ecuación de Euler.

COMPRESIÓN EN ETAPAS

El grado de compresión es el cociente entre la presión absoluta de descarga P2y la presión

absoluta de admisión o entrada P1. Puede tener cualquier valor pero en la práctica, en

compresores de una sola etapa no suele pasarse de relaciones de compresión de 3,5-4, ya que

relaciones de compresión más altas necesitan un compresor voluminoso que encarece el

equipo. Cuando la relación de compresión es muy grande, se aconseja el empleo de

compresores de varias etapas escalonadas con o sin refrigeración intermedia, cada una de las

cuales tiene una relación de compresión del orden de 3,5-4.

Según sea el nº de etapas, la relación de compresión en cada etapa es:

Siendo n el nº de etapas, que permite disponer de una relación de compresión ideal

idéntica en cada etapa. En un compresor de dos o más etapas se puede establecer

una relación de compresión total, que es la relación entre la presión absoluta final en la

descarga de la última etapa y la presión absoluta inicial en la aspiración de la primera

etapa.

DIAGRAMA DE UN COMPRESOR DE DOS ETAPAS

En la compresión en etapas, se puede refrigerar el aire entre cada una de ellas mediante un

sistema de refrigeración, cuya acción principal es la de dispersar el calor producido durante la

compresión.

La refrigeración intermedia perfecta se consigue cuando la temperatura del aire que sale del

refrigerador intermedio es igual a la temperatura del aire a la entrada en la aspiración del

compresor.

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Cuando las relaciones de compresión de todas las etapas sean iguales, se logra un consumo de

potencia mínimo.

Si aumentamos el número de etapas, la compresión se acercará a la isoterma del aire inicial, que

es la transformación de compresión que requiere menos trabajo.

La compresión en dos o más etapas permite mantener la temperatura de los cilindros de trabajo

entre límites razonables; temperaturas anormalmente altas llevan consigo el riesgo de

explosiones y carbonización del aceite lubricante y problemas en las válvulas.

Los compresores más usuales en el mercado tienen refrigeración intermedia, y son de dos

etapas.

El diagrama indicado en la Fig I.17 corresponde a un compresor de dos etapas, y en ella los

diagramas independientes de cada cilindro se consideran como si fueran de un compresor de

una etapa.

La superposición de los diagramas de trabajo correspondientes al cilindro de baja presión, que es

el que comprime el aire aspirado hasta una presión aproximada de 2 a 3 bars, y al de alta

presión, que comprime el aire recibido hasta la presión de trabajo o descarga, indica que la

energía que requiere el conjunto de cilindros es muy inferior a la que exigiría si toda la

compresión se hubiera realizado de una sola vez.

El área rayada corresponde a un trabajo perdido que se realiza dos veces sobre el aire, en la

expulsión del cilindro de baja presión y en la compresión del cilindro de alta presión.

De la observación de la Fig I.17 se deduce que, para compresores de una etapa, o de dos

etapas, de simple efecto, pero en la primera fase de compresión, la curva de compresión está

siempre comprendida entre la isotérmica y la adiabática, pero aproximándose más a la segunda

que a la primera, lo que refleja un proceso politrópico.

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Para un compresor de dos etapas, el trabajo teórico efectuado es mínimo cuando los dos

cilindros logran idéntica cantidad de trabajo.

Debido a que el cilindro de alta presión tiene que admitir todo el aire entregado por el cilindro

de baja presión, la presión del refrigerador intermedio viene fijada por el tamaño de los

cilindros.

El trabajo total es, TAP + TBP.

REFRIGERACIÓN

Durante la compresión se engendra calor, y si no se elimina, se eleva la temperatura del aire a

medida que se va comprimiendo. En la mayoría de las aplicaciones, la elevación de la

temperatura que sufre el fluido al ser comprimido T2 > T1, es perjudicial para su utilización.

Por lo tanto, los compresores se refrigeran para evitar este efecto y reducir el trabajo absorbido

por la compresión. Siendo poco práctico que el aire retenga todo su calor, se recurre a eliminarlo

a medida que se comprime mediante procedimientos apropiados.

REFRIGERACIÓN INTERMEDIA

Sabemos que para grandes relaciones de compresión hay que acudir a la compresión por

etapas. La principal ventaja de este tipo de compresión es que permite una refrigeración del

fluido (vapor o gas) entre etapa y etapa, que se traduce en un ahorro de la energía a aportar para

mover el compresor, tomando la precaución de no refrigerar en exceso, ya que pudiera ser que el

ahorro de energía de compresión fuese inferior al de los gastos de refrigeración.

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CLASIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES ALTERNATIVOS

POR EL NÚMERO DE ETAPAS

Los compresores se pueden clasificar, atendiendo al estilo de actuar la compresión, de una o

dos etapas.

Compresores de una etapa

Se componen básicamente de un cárter con cigüeñal, pistón y cilindro. Para su refrigeración

llevan, en la parte exterior, aletas que evacuan el calor por radiación y convección; se utilizan

en aplicaciones en donde el caudal está limitado y en condiciones de servicio intermitente, ya

que son compresores de pequeñas potencias. En estos compresores, la temperatura de salida

del aire comprimido se sitúa alrededor de los 180ºC con una posible variación de ±20ºC.

Compresores de una etapa.- Se componen básicamente de un cárter con cigüeñal, pistón y

cilindro.

Para su refrigeración llevan, en la parte exterior, aletas que evacúan el calor por radiación y

convección; se utilizan en aplicaciones en donde el caudal está limitado y en condiciones de

servicio intermitente, ya que son compresores de pequeñas potencias. En estos compresores,

la temperatura de salida del aire comprimido se sitúa alrededor de los 180ºC con una posible

variación de ±20ºC.

Compresores de dos etapas

El aire se comprime en dos etapas; en la primera (de baja presión BP) se comprime hasta una

presión intermedia pi = 2 a 3 bars, y en la segunda (de alta presión AP), se comprime hasta

una presión de 8 bars. Estos compresores son los más empleados en la industria cubriendo

sus caudales una extensa gama de necesidades. Pueden estar refrigerados por aire o por

agua. El aire comprimido sale a unos 130ºC con una variación de ± 15ºC.

POR EL MODO DE TRABAJAR EL PISTÓN

De simple efecto.- Cuando un pistón es de simple efecto, Fig I.19a, trabaja sobre una sola

cara del mismo, que está dirigida hacia la cabeza del cilindro. La cantidad de aire desplazado

es igual a la carrera por la sección del pistón.

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De doble efecto.- El pistón de doble efecto trabaja sobre sus dos caras y delimita dos cámaras

de compresión en el cilindro, Fig I.19b. El volumen engendrado es igual a dos veces el

producto de la sección del pistón por la carrera. Hay que tener en cuenta el vástago, que ocupa

un espacio obviamente no disponible para el aire y, en consecuencia, los volúmenes creados

por las dos caras del pistón no son iguales.

De etapas múltiples.- Un pistón es de etapas múltiples, si tiene elementos superpuestos de

diámetros diferentes, que se desplazan en cilindros concéntricos. El pistón de mayor diámetro

puede trabajar en simple o doble efecto, no así los otros pistones, que lo harán en simple

efecto. Esta disposición es muy utilizada por los compresores de alta presión, Fig I.19c.

De pistón diferencial..- El pistón diferencial es aquel que trabaja a doble efecto, pero con

diámetros diferentes, para conseguir la compresión en dos etapas, Fig I.19d. Su utilidad viene

limitada y dada la posición de los pistones está cayendo en desuso.

4.- APARATOS

INSTRUMENTACION INSTALADA

Cant. DESCRIPCION RANGO Aprox.6 Termómetro de bulbo con coraza -10 – 200 ºC 1 ºC2 Manómetros BOURDON 0-14, 0-20 Kg/cm² 0.5,1 Kg/cm²2 Manómetros inclinados de liquido 0-70 mmH2O 0.5 mmH2O2 Dinamómetros 0-30Kg. 100gr.2 Tacómetros 0-200RPM 25 RPM2 Contómetros 999 999Rev. 1 Rev.2 Voltímetros 0-350 V 10 V2 Amperímetros 0-25A 0.5 A

5.- PROCEDIMIENTO:

DATOS TECNICOS DEL COMPRESOR DE AIRE

DESCRIPCION / ETAPA 1º ETAPA 2º ETAPANº de cilindros 2 1Carreras (mm) 101.6 101.6Diámetro interior (mm) 101.6 72.2Volumen de desplazamiento (litros) 1.647 0.463Volumen muerto(cm³) 29.5 28.2Presión máxima (bar) 10.3 13.8Relación de velocidades motor/compresor 3:1 3:1Eficiencia de transmisión 0.98 0.98Rango de velocidades (RPM) 300-500 300-500

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CALCULOS REALIZADOS

FLUJOS DE AGUA DE REFRIGERACION

Compresor de Baja PresiónQ1 = 0.019289 kg/seg

Compresor de Alta PresiónQ2= 0.019313 kg/seg

InterenfriadorQ3= 0,023739 kg/seg

PostenfriadorQ4= 0,022225 kg/seg

Qtotal = 0.084566 Kg/seg

FLUJO DE AIRE

Utilizando el medidor de la caja de aire cuyo diámetro de orificio es 31.95mm.

PA = 0,9974 bar

ho = 0,0255 m de H2O

TA = ºk = (20+273) =293ºk

Qaire = 0, 0098788 m3/seg

maire = 0,0117178 kg/seg

POTENCIA ELECTRICA SUMINISTRADA A CADA MOTOR

Compresor de Baja PresiónPELCBP = 208*15.5 = 3.224 kw

Compresor de Alta PresiónPELCAP = 185*10.5 = 1.9425 kw

Total:PEL = 5,1665 kw

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POTENCIA AL EJE ENTREGADA POR EL MOTOR ELECTRICO(EM)

Compresor de Baja PresiónPEMCBP =6.6*1390/3.0592PEMCBP =2.9988 kw

Compresor de Alta Presión

PEMCAP =4.8*1151/3.0592PEMCAP =1,80596 kw

Total: PEM =4,80476 kw

POTENCIA ENTREGADA AL COMPRESOR (PE)

Siendo la eficiencia mecánica de la Transmisión 0.98.

Compresor de Baja PresiónPPECBP =0.98*2.9988 kwPPECBP =2.9388kw

Compresor de Alta PresiónPPECAP =0.98*1,80596 kwPPECAP =1.7698 kw

Total: PPE =4.7087 kw

POTENCIA INDICADA (PI)

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Donde:

KCBP =195,44 bar/mKCAP =488,6 bar/m

Determinación de P:

Compresor de Baja PresiónPCBP =((195.44*4.3*10^-4)/0.052 PCBP =1,61614 barPCBP =161614Pa

Compresor de Alta Presión

PCAP = ((488.6*3.6*10^-4)/0.049 PCAP = 3.58971 bar PCAP = 358971 Pa

Determinación del Vd:

Debido a que la relación de velocidades Motor/Compresores (3:1)

Compresor de Baja PresiónVd CBP =1.647*(1390)/3 m3/segVd CBP =0,01272 m3/seg

Compresor de Alta PresiónVd CAP = 0.473*(1151)/3 m3/segVd CAP = 0.0030246 m3/seg

Compresor de Baja PresiónPPI CBP =1,61614 bar*100000N/m2*0,01272 m3/segPPI CBP =2,05573 kw

Compresor de Alta PresiónPPI CAP =3.58971 bar *100000N/m2*0.0030246 m3/segPPI CAP =1.0857 kw

Total:PPI =3.1414 kw

CALORES ABSORBIDOS POR EL AGUA DE REFRIGERACION

RH2O =4,1800 KJ/kg ºC

Compresor de Baja PresiónQCBP =0.019289 kg/seg*4,1800 KJ/kg ºC*(44ºC - 21.5ºC)QCBP =1.81413 kw

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Compresor de Alta PresiónQCAP =0.019313 kg/seg*4,1800 KJ/kg ºC*(29ºC – 21.5ºC)QCAP =0,605 kw

InterenfriadorQIE = 0,023739 kg/seg *4,1800 KJ/kg ºC*(29.5ºC – 21.5ºC)QIE = 0.7938 kw

PostenfriadorQPE = 0,022225 kg/seg*4,1800 KJ/kg ºC*(35ºC – 21.5ºC)QPE =1.254 kw

Total:Q REF =4.4669 kw

ENERGÍA APROVECHABLE

Cp aire =1,0035 KJ/ºC kg

H5 - H1 =0,0117178 kg/seg*1.0035*(34ºC – 20ºC)

H5 - H1 =

PERDIDA DE CALOR POR RADIACION Y CONVECCION

0,1646 kw =4.7087 kw - 4.4669 kw

=0.0772kw

EFICIENCIA MECANICA

CALCULO DE LAS EFICIENCIAS MECANICAS

nm CBP =2,05573 kw/2.9388k

0,1646 kw

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nm CBP =69,95%

nm CAP =1.0857 kw/1.7698 kw

nm CAP =61,35%

EFICIENCIA VOLUMETRICA APARENTE

nV CBP =96,092%

nV CAP =94.44%

EFICIENCIA VOLUMETRICA REALES

Compresor de Baja Presión

La masa por unidad de tiempo maire =0,01172 kg/seg

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PA= 0.9974 barR=287 KJ/kgºkT1= 20ºCVd=1.647

Calculando

md= 0.001967Kg aire

mD=0.001967Kg aire*(1390/(3*60))mD=0.01519kg/seg

77.16 %Compresor de Alta Presión

La masa por unidad de tiempo maire =0,01172 kg/seg

PA= 4 barR=287 KJ/kgºkT1= 32ºCVd=0.463

Calculando

md= 0.00213Kg aire

mD=0.00213Kg aire *(1151/(3*60))mD=0.01362kg/seg

86.05 %

Perdidas del Motor Eléctrico

Pmotor eléctrico =5,1665kw - 4,80476 kw

Pmotor eléctrico =0.36174kw

DIAGRAMA DE SANKEY

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POTENCIA ISOTÉRMICA Y EFICIENCIA ISOTÉRMICA

Compresor de Baja Presiónv 1 =0,0094816 m3/s

wISOCBP= 1,5123096 KW

nISOTCBP =74,226422%

Compresor de Alta Presiónv 1 =0,0020115 m3/s

wISOCAP= 0,5806847 KW

nISOTCAP =73,002132%

TRABAJO DE AHORRO:

Trabajo del compresor de la primera etapa

4.7087kw

3.1414 kw

0.36174 kw

0.09606 kw

0.084566 kw

0.07722 kw

1.5673 kw

5.1665 kw

4.80476 kw

4.7087 kw

kw

0,1646

1.86 %

3.17 %

7.00 %

1.50 %

1.64 %

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nCBP =1,2W1 = 154,17795 KJ/kg

Trabajo del compresor de la primera etapa

nCAP =1,25 W2 = 54,869541 KJ/kg

Trabajo del compresor de 2 etapas

W de las 2 etapas = 209,04749 KJ/kg

Trabajo del compresor de 1 etapas

n 1 etapa = 1,2 W I = 221,64642 KJ/kg

CONCLUSIONES

El uso del compresor de dos etapas tiene como finalidad obtener presiones muy elevadas.

Es necesario el uso de intercambiadores de calor para poder disminuir la temperatura después de la

compresión.

El compresor de alta presión presenta una eficiencia mecánica mayor que el compresor de baja presión. Sólo

en el primer punto el compresor de alta presión presenta menor eficiencia mecánica menor que en el de baja.

RECOMENDACIONES:

Durante la toma de los datos, esperar unos minutos para que la medida de los instrumentos

se estabilicen.

Drenar el condensado del inter-enfriador, pos-enfriador y tanque de almacenamiento.