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Maquinaria y Equipos en Ingeniería Química
María Elena Tovar Moya
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Tema IV
MAQUINARIA DE TRANSPORTE DE FLUIDOS COMPRESIBLES
OBJETIVO GENERAL
UNIDADES DE COMPETENCIA DE APRENDIZAJE
CONTENIDO TEMATICO
4.1 Introducción
4.2 Clasificación de los ventiladores, sopladores y compresores
4.3 Aplicaciones
4.4 Condiciones de funcionamiento
4.5 Parámetros implicados en la selección
4.6 Leyes de afinidad para ventiladores
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
1. ROBERT L. MOTT, Mecánica de fluidos, Ed. Prentice Hall
2. RICHARD W. GREENE, Compresores: Selección, usos y mantenimiento.
3. CARLOS QUINTANA, Leyes de afinidad de ventiladores
4. JUAN CARLOS VILLASEÑOR R. Flujo de fluidos, Mexico
Proporcionar al estudiante de Ing. Química criterios teóricos y prácticos para la
selección de aparatos y máquinas de transporte de fluidos compresibles.
Capacidad de identificar los diferentes tipos de Ventiladores, sopladores y compresores.
Habilidad de utilizar manuales y gráficas especiales para hallar las especificaciones necesarias para Compresores, sopladores y
ventiladores.
Seleccionar y caracteriza el tipo de Compresor, soplador y ventilador
adecuado para una aplicación específica.
Realizar los formularios de especificaciones.
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4.1 INTRODUCCION
Los costes de conducciones y equipo necesarios para el flujo de fluidos constituyen un
gasto considerable en una instalación, que puede llegar a ser un tercio del coste total de
la planta. Además, el diseño de las conducciones y los sistemas hidráulicos determinan
los costes de energía, que también suponen un alto porcentaje del coste total. Sin
embargo los tipos de conducciones y las características de los accesorios y máquinas
encargadas de la circulación del fluido estarán supeditadas a las características de éste
y de su flujo. Considerando todos los factores, se tratará de reducir al mínimo el coste
de la instalación.
En la industria, en general y especialmente en la industria química en particular la
existencia de compresores, soplantes y ventiladores es muy frecuente, ya sea para
impulsar gases como materias primas o entre procesos o finalmente el producto
acabado. La diferencia entre estos equipos es la presión a que se somete a los gases,
que varía de 12 cm de agua hasta 40102 kN/m2.
Además de los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, se requiere
aire a presión alta para operar muchos de los procesos de la planta. El aire comprimido
se emplea para mover destornilladores, taladros, cilindros de aire (a los que también se
llama actuadores neumáticos lineales) y otros equipos neumáticos. Es común que las
grandes plantas utilicen compresores centrales para tener un suministro estable de aire
a aproximadamente 100 psi (690 kPa) en toda la fábrica.
Los ventiladores, sopladores y compresores se utilizan para incrementar la presión y
provocar un flujo de aire y otros gases en un sistema de flujo de gases. Su función es
similar a la de las bombas en un sistema de flujo de líquidos como el que vimos en el
anterior capítulo. Algunos de los principios que ya desarrollamos para el flujo de
líquidos y la aplicación de bombas, también se aplican al flujo de gases. Sin embargo,
la compresibilidad de los gases ocasiona algunas diferencias importantes.
4.2 CLASIFICACIÓN DE LOS VENTILADORES, SOPLADORES Y
COMPRESORES
Se utilizan todos los ventiladores, sopladores y compresores para incrementar la
presión y mover el aire y otros gases. Las diferencias principales entre ellos son su
construcción física y las presiones para las que están diseñados. Un ventilador está
diseñado para que opere a presiones estáticas pequeñas, de hasta 2.0 psi (13.8 kPa). Las
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presiones comunes de operación de los ventiladores van de 0 a 6 pulg H2O (0.00 a
0.217 psi, o 0.00 a 1500 Pa). Para presiones que van de 2.0 psi hasta 10.0 psi (69.0
kPa), aproximadamente, al impulsor de gas se le denomina soplador. Para desarrollar
presiones más elevadas, incluso de varios miles de psi, se emplean compresores.
4.2.1 Ventiladores
Los ventiladores son las máquinas más usadas para producir el movimiento del aire en
la industria. Su funcionamiento se basa en la entrega de energía mecánica al aire a
través de un rotor que gira a alta velocidad y que incrementa la energía cinética del
fluido, que luego se transforma parcialmente en presión estática. Se dividen en dos
grandes grupos: los ventiladores axiales y los ventiladores centrífugos.
Clasificación de Ventiladores
Los ventiladores se dividen en dos grandes grupos
Ventiladores axiales: Son aquellos en los cuales el flujo de aire sigue la dirección del eje del mismo. Se suelen
llamar helicoidales, pues el flujo a la salida tiene una trayectoria con esa forma. En líneas
generales son aptos para mover grandes caudales a bajas presiones. Con velocidades
periféricas medianamente altas son en general ruidosos. Suelen sub-clasificarse, por la
forma de su envolvente, de la siguiente manera:
VENTILADOR DESCRIPCION APLICACION
HELICOIDAL
Ventiladores aptos para
mover grandes caudales de
aire con bajas presiones. Son
de bajo rendimiento. La
transferencia de energía se
produce mayoritariamente en
forma de presión dinámica.
Se aplica en circulación y
extracción de aire en naves
industriales. Se instalan en
pared sin ningún conducto.
Utilizados con objetivo de
renovación de aire.
TUBE AXIAL
Tienen rendimiento algo
superior al anterior y es capaz
de desarrollar una presión
estática mayor. Por su
construcción es apto para
intercalar en conductos.
Se utiliza en instalaciones
de ventilación, calefacción
y aire acondicionado que
requieran altos caudales con
presión media a baja.
También se utiliza en
algunos sistemas
industriales como cabinas
de pintura y extracciones
localizadas de humos.
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VANE AXIAL
Con diseños de palas
AIRFOIL, permiten obtener
presiones medias y altas con
buenos rendimientos. Las
palas pueden ser fijas o de
ángulo ajustable
Tiene aplicaciones similares
a los TUBEAXIAL, pero
con la ventaja de tener un
flujo más uniforme y la
posibilidad de obtener
presiones mayores. Para
una determinada prestación
es relativamente más
pequeño que el ventilador
centrifugo equiparable.
CENTRIFOIL
Se trata de un ventilador con
rotor centrífugo pero de flujo
axial. Es decir reúne las
ventajas del ventilador
centrífugo y la facilidad de
montaje de un axial con el
consiguiente ahorro de
espacio.
Las mismas aplicaciones
que el ventilador
VANEAXIAL.
Ventiladores centrífugos: Son aquellos en los cuales el flujo de aire cambia su dirección, en un ángulo de 90°, entre
la entrada y salida. Se suelen sub-clasificar, según la forma de las palas o álabes del rotor,
de la siguiente manera:
VENTILADOR DESCRIPCION APLICACION
CURVADAS HACIA
ADELANTE
Rotor con palas curvadas
hacia adelante, apto para
caudales altos y bajas
presiones. No es
autolimitante de potencia.
Para un mismo caudal y un
mismo diámetro de rotor
gira a menos vueltas con
menor nivel sonoro.
Se utiliza en instalaciones de
ventilación, calefacción y aire
acondicionado de baja presión.
PALAS RADIALES
Rotor de palas radiales. Es
el diseño más sencillo y de
menor rendimiento. Es
muy resistente
mecánicamente, y el rodete
puede ser reparado con
facilidad. El diseño le
permite ser autolimpiante.
La potencia aumenta de
forma continua al
aumentar el caudal.
Empleado básicamente para
instalaciones industriales de
manipulación de materiales. Se
le puede aplicar recubrimientos
especiales anti-desgaste.
También se emplea en
aplicaciones industriales de alta
presión.
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INCLINADAS
HACIA ATRAS
Rotor de palas planas o
curvadas inclinadas hacia
atrás. Es de alto
rendimiento y
autolimitador de potencia.
Puede girar a velocidades
altas.
Se emplea para ventilación,
calefacción y aire
acondicionado. También puede
ser usado en aplicaciones
industriales, con ambientes
corrosivos y/o bajos contenidos
de polvo.
AIRFOIL
Similar al anterior pero
con palas de perfil
aerodinámico. Es el de
mayor rendimiento dentro
de los ventiladores
centrífugos. Es
autolimitante de potencia.
Es utilizado generalmente para
aplicaciones en sistemas de
HVAC y aplicaciones
industriales con aire limpio.
Con construcciones especiales
puede ser utilizado en
aplicaciones con aire sucio.
RADIAL TIP
Rotores de palas curvadas
hacia delante con salida
radial. Son una variación
de los ventiladores radiales
pero con mayor
rendimiento. Aptos para
trabajar con palas
antidesgaste. Son
autolimpiantes. La
potencia aumenta de forma
continua al aumento del
caudal.
Como los radiales estos
ventiladores son aptos para
trabajar en aplicaciones
industriales con movimiento de
materiales abrasivos, pero con
un mayor rendimiento.
4.2.2 SOPLADORES.
Es un dispositivo mecánico que consiste de aspas móviles que tiene la función de
forzar la circulación del aire a través de un venturí, que es una reducción que causa un
incremento den la presión del aire, que se mueve a través del mismo.
Clasificación.
Centrífugo: Se los denomina sopladores centrífugos por operar en aplicaciones donde
se requiera baja presión y alto caudal de funcionamiento.
Los sopladores centrífugos, se usan en sistemas de aire forzado de baja presión y
algunos de media y alta presión.
Axial: Estos contienen una rueda con un soplador que trabaja como una turbina de
rueda que se encuentra montada sobre un eje con sus ejes paralelos al flujo del aire. El
volante o rueda gira a alta velocidad. Los motores de este soplador y de los otros tipos,
son eléctricos y son los que proporcionan la potencia mecánica para accionar la rueda.
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Aspas Axiales: Son similares a los ventiladores de ducto descritos, con la excepción de
que en aquellos es común que los sopladores tengan aspas con forma de aeroplano e
incluyan paletas dentro de la carcasa para reencauzar el flujo en forma axial dentro del
ducto siguiente. Esto da como resultado una capacidad de presión estática mayor para
el soplador, y reduce los remolinos del aire.
De Desplazamiento Positivo: Son requeridos para crear una cantidad predecible de
gases químicos de manejo de flujos con varias propiedades, tales como gases
inflamables, corrosivos, peligrosos, de alta presión y de alta temperatura.
Fig. 4.1 Tipos de sopladores
4.2.3 Compresores
Clasificación
Desplazamiento Positivo: Las dimensiones son fijas y son utilizados para altas
presiones o poco volumen.
De Embolo: Es un compresor atmosférico simple, es impulsado para levantar y bajar
el émbolo dentro de una cámara. En cada movimiento hacia abajo el aire es introducido
a la cámara mediante una válvula. En cada movimiento hacia arriba se comprime el
aire y otra válvula es abierta para evacuar dichas moléculas de aire comprimidas.
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Fig. 4.2
Flujo de aire comprimido.
Tiene un propósito básico que es el de suministrar un gas a una presión más alta del que
originalmente existía. El incremento de presión puede variar de unas cuantas onzas a miles
de libras por pulgada cuadrada (PSI) y los volúmenes manejados de unos pocos pies
cúbicos por minuto (CFM) a cientos de miles. La compresión tiene variedad de propósitos:
Transmitir potencia para herramienta neumática. Aumentar procesos de combustión.
Transportar y distribuir gas. Hacer circular un gas en un proceso o sistema. Acelerar
reacciones químicas. Son aquellos que están construidos para aumentar la presión y
desplazar fluidos compresibles (Gases y Vapores). Todos los Compresores realizan el
mismo trabajo, toman aire de la atmosfera lo comprimen para realizar el trabajo y lo
regresan para ser reutizado.
4.3 APLICACIONES
Pocos equipos tienen una gama tan amplia de aplicaciones en las industrias de procesos
químicos como los ventiladores y los sopladores. Si se tiene en cuenta que tienen usos tan
variados como extraer o introducir aire u otros gases en reactores de proceso, secadores,
torres de enfriamiento y hornos rotatorios, de fluidización, ayudar a la combustrión en
hornos, prar transporte neumática, o simplemente ventilar para seguridad y comodidad. Así
mismo: para oxigenar en la producción de biogás, producir combustión sumergida (para la
cocción de alimentos u otros), agitación de baños electrolíticos y otros
Un compresor es una máquina capaz de elevar la presión del gas que maneja. En la
industria la misión de los compresores es:
Alimentar la red de aire comprimido para instrumentos;
Proveer de aire para combustión;
Recircular gas a un proceso o sistema;
Producir condiciones idóneas para que se produzca una reacción química;
Producir y mantener niveles de presión adecuados por razones de proceso de torres;
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Alimentar aire a presión para mantener algún elemento en circulación.
4.4 CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO
Se debe tener cierta información acerca de las condiciones de funcionamiento de
cualquier compresor o soplador, así también como las propiedades de los fluidos
compresibles (aire, gases o mezcla de gases) que se va a manejar en la aplicación
definida.
Las presiones y temperaturas se deben dar en las condiciones de succión y la presión en
las condiciones de descarga. La temperatura de descarga normalmente se calcula para
incluir los efectos del aumento de temperatura durante la compresión.
4.4.1 Flujos volumétricos y presiones de los gases
Cuando se trabaja en el Sistema Inglés de unidades, lo más frecuente es que el flujo
volumétrico de aire u otros gases se exprese en pie3/min, abreviado PCM. Y el flujo en
peso está dado en libras por hora o por min (lb/h o lb/min). Aunque éstas no son las
unidades estándar del Sistema Inglés, son convenientes para el rango de flujos que es
común encontrar en aplicaciones residenciales, comerciales e industriales. Cuando se
encuentra referido a las condiciones estándares (14.7 psia y 600F) se expresa como:
PCME: pies cúbico estándar por minuto
PCHE: pies cúbico estándar por hora
MMPCDE: millones de pies cúbicos estándar por día de 24 horas
No importa la forma en que se exprese la capacidad, pues hay que convertirla a la
capacidad en las condiciones de succión para seleccionar el compresor del tamaño
correcto.
Qs = W/ρ = Wυ (4.1)
Qs, Flujo condiciones de succión
W, flujo en peso
ρ, densidad del gas
υ , volumen específico del gas
En el Sistema Inglés se miden las presiones relativamente elevadas en libras sobre
pulgadas cuadradas (lb/pulg2, y se abrevia psi). Sin embargo, en la mayoría de sistemas
que manejan aire, las presiones son pequeñas y se miden en pulgadas de agua
manométricas (pulg H2O).
4.5 PARAMETROS IMPLICADOS EN LA SELECCIÓN
Los puntos que intervienen en la selección de un compresor, soplador son numerosos e
importantes. Una muestra elemental bastará para tomar una idea: presión máxima y
mínima pretendidas, caudal necesario, crecimiento previsto de la demanda, condiciones
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geográficas (altitud, temperatura, etc.), tipo de regulación, espacio necesario, tipo de
refrigeración y accionamiento.
Presión. La elección de la “presión máxima necesaria de utilización” es uno de los
parámetros principales que permitirá la acertada elección del compresor.
Caudal. Para seleccionar un compresor adecuado para la instalación, se deberá
contemplar la cantidad de unidoras consumidoras y consumo de aire de cada una,
duración de la conexión de estas unidades.
Siendo por lo tanto, para el cálculo de un sistema de transporte o aplicación de fluido
compresible por un compresor o un soplador los siguientes parámetros a ser calculados
o datos de la aplicación:
La presión máxima de régimen.
El caudal máximo a utilizar.
La pérdida de carga que se está dispuesta a tolerar en la instalación.
La forma y dimensión de la red.
4.5.1 Carga y potencia del compresor
Para cualquier compresor la potencia requerida es:
)(33000
HpWH
P
(4.2)
kk
rT
M
zzH
kk
cs
w
ds
/)1(
11545
2
/)1(
(4.3)
Donde: W,(lb/min)
η, rendimiento
H (pies-lb/lb)
zs: zd , factor de compresibilidad del gas en el succión y descarga respecitamente
Mw , peso molecular del gas
Ts , temperatura de succión en grados absolutos (0R)
rc, relación de compresión, rc=pd/ps; pd y ps , presión de descarga y succión
respectivamente.
k , razón de calores específicos
Para condiciones adiabáticas: se usan las mismas expresiones incluyendo subíndices a la
Potencia, (Pad) a la carga adiabática (Had) y a la eficiencia adiabática (ηad)
La temperatura de descarga adiabática se calcula por:
;/)1(
)(
kk
csadd rTT
(4.4)
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Cuando las condiciones presentan desviaciones importantes de las adiabáticas, y el ciclo de
compresión se debe considerar como politrópico, se utiliza subíndices:
Potencia, (Ppoli) a la carga adiabática (Hpoli) y a la eficiencia adiabática (ηpoli)
La temperatura de descarga politrópico se halla por:
;/)1(
)(
nn
cspolid rTT
(4.5)
El valor de la cantidad η en las diversas relaciones politrópicas se obtiene con
polik
k
n
n
111 (4.6)
Cuando se utilizan las tablas de las propiedades de los gases o los diagramas de Mollier
para hacer los cálculos del compresor, la carga adiabática se obtiene con:
Had=778 ∆h (4.7)
4.5.2Velocidad específica y el diámetro específico
Son parámetros que permiten la selección inicial de un tipo definido de compresor de una
etapa (Fig. 4. ). Parámetros definidos como:
;4/3
H
QNN s (4.8)
Q
DHDs
4/1
(4.9)
Donde:
Ns; velocidad específica de succión
N; velocidad el impulsor (RPM)
Q; caudal o flujo (PCS)
H; cabeza total o carga (pies)
Ds; diámtro específico
D; diámetro del impulsor (pies)
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Fig. 4.3 Velocidad específica versus diámetro específico (Balje, citado por R.Greene)
4.6 LEYES DE AFINIDAD PARA BOMBAS CENTRIFUGAS
Si un ventilador debe funcionar en condiciones diferentes de las ensayadas, no es práctico
ni económico efectuar nuevos ensayos para determinar sus prestaciones. Mediante el uso de
un conjunto de ecuaciones designado con el nombre de Leyes de afinidad de los
ventiladores es posible determinar, con buena precisión, las nuevas prestaciones a partir de
los ensayos efectuados en condiciones normalizadas. Al mismo tiempo, estas leyes
permiten determinar las prestaciones de una serie de ventiladores geométricamente
semejantes a partir de las características del ventilador ensayo.
Las leyes de los ventiladores están indicadas, bajo forma de relación de magnitudes, en
ecuaciones que se basan en la teoría de la mecánica de fluidos y su exactitud es suficiente
para la mayoría de las aplicaciones, siempre que el diferencial de presión sea inferior a 3
kPa, por encima del cual se debe tener en cuenta la compresibilidad del gas.
Variación de la velocidad Variación del diámetro Variación de densidad
;2
1
2
1
N
N
Q
Q
3
2
1
2
1
D
D
Q
Q 21 QQ
2
2
1
2
1
N
N
p
p
2
2
1
2
1
D
D
p
p
2
1
2
1
D
D
p
p
3
2
1
2
1
N
N
P
P
5
2
1
2
1
D
D
P
P
2
1
2
1
D
D
P
P
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Siendo: Q, caudal, p, presión, P, potencia, D, diámetro del impulsor.
Por lo tanto a la hora de seleccionar el tipo de máquina que debe utilizarse hay que saber
primero el tipo de gas que se va a impulsar (características y propiedades) y las condiciones
de impulsión. Existen gráficas comparativas de los diversos tipos de ventiladores,
sopladores y compresores en función del caudal y de la carga total, de donde se puede
concretar el aparato más indicado en cada caso. También se tienen en cuenta factores como
forma y dirección de las aspas, el ruido, la contaminación del gas, el mantenimiento, etc.
