Instituto Tecnológico de

Ciudad Madero.

Ing. Mecánica.Compresor Flujo Axial.

Al igual que las bombas y los ventiladores, los compresores son dispositivos que seutilizan para incrementar la presión de un fluido. A estos dispositivos el trabajo sesuministra desde una fuente externa a través de un eje giratorio, por lo tanto loscompresores requieren entrada de trabajo. Aún cuando estos tres dispositivosfuncionan de manera similar, difieren en las tareas que llevan a cabo.

Compresor de dos etapas con estudio de diafragma

Un ventilador se usa sobre todo para movilizar un gas y sólo incrementaligeramente la presión, mientras que un compresor es capaz de comprimir el gas apresiones muy altas. Las bombas funcionan de manera muy parecida a loscompresores excepto que manejan líquidos en lugar de gases.

Compresores de tornillo.

Las turbinas producen potencia mientras que los compresores, bombas yventiladores requieren entrada de potencia. La transferencia de calor desde lasturbinas por lo general es insignificante (Q≈ 0) ya que normalmente están bienaisladas. La transferencia de calor es también insignificante para los compresores, amenos que haya enfriamiento intencional. Los cambios de energía potencial soninsignificantes para todos estos dispositivos ( ∆ EP ≅ 0); mientras que lasvelocidades, con excepción de turbinas y ventiladores, son demasiado bajas paracausar algún cambio importante en su energía cinética (∆EC ≅ 0).

Se designa por compresor a la máquina útil conducida, que realiza el trabajo de elevar la presión de un gas.

Estas máquinas se pueden clasificar de distintas formas;

1) Compresor de desplazamiento positivo: confina sucesivamente los volúmenesdel gas dentro de un espacio cerrado y eleva su presión.

2) Compresor reciprocante (alternativo): eleva la presión mediante desplazamientopositivo mediante un émbolo con movimiento alternativo.

3) Compresor rotativo: la compresión y desplazamiento del gas se efectúa por laacción positiva de los elementos rotatorios.

Otros: a) paletas deslizantes. b) anillo. c) rotor helicoidal. d) diafragma centrífugo.

El proceso de compresión del aire, responde a las leyes generales de compresión y expansión de los gases, fundamentalmente establecidas por Boyle y Mariotte y Guy

Lussac.

A temperatura constante (isotérmica), la presión absoluta de un gas ideal, es inversamente proporcional al volumen.

constanteVp

VpVp 2211

Robert Boyle, (Waterford, 25 de enero de 1627-

Londres, 31 de diciembre de 1691) fue un filósofo-

natural, químico, físico e inventor irlandés.

También fue un prominente teólogo cristiano.

Como científico es conocido principalmente por la

formulación de la ley de Boyle, además de que es

generalmente considerado hoy como el primer

químico moderno, y por lo tanto uno de los

fundadores de la química moderna. Su obra TheSceptical Chymist (El químico escéptico) es

considerada una obra fundamental en la historia

de la química.

Edme Mariotte (1620 - Dijon (Francia); 12 de mayo de 1684-

(París)), abad y físico francés. Estudió la compresión de los gases

y llegó a descubrir la ley hoy conocida como ley de Boyle –

Mariotte. Ambos científicos Boyle y Mariotte, de forma

independiente llegaron a la misma ley. Como curiosidad, Boyle en

sus escritos no especificó que la temperatura debía ser constante

para que la ley fuese válida, seguramente realizó sus

experimentos y así lo daría por hecho. Mariotte si especificó esta

constante. Edme Mariotte fue un pionero de la física

experimental y profesor de física en 1654-1658, y uno de los

fundadores de este dominio en Francia. Estudió también la

óptica, las deformaciones elásticas de los sólidos y

la hidrodinámica.

A presión constante (isobárica), el volumen de un gas ideal, es directamente proporcional ala temperatura.

2

1

2

1

T

T

V

V

Jacques Alexandre César Charles (Beaugency-sur-Loire, 12

de noviembre de 1746 - 7 de

abril de 1823) inventor, científico y matemático francés.

Rompió el récord de globo aerostático, el 27 de

agosto de 1Ainé Roberts, logró elevarse hasta una altura de

1.000 metros. Inventó varios dispositivos, entre ellos

un densímetro (también llamado hidrómetro), aparato que

mide la gravedad específica de los líquidos.

Cerca del 1787 descubrió la ley de Charles. Su

descubrimiento fue previo al de Louis Joseph Gay-Lussac,

que publicó en 1802 la ley de expansión de los gases.

Charles fue electo en 1793 como miembro de la Académie desSciences783. El 1 de diciembre de ese año, junto con ,

instituto real de Francia. Fue profesor de Física hasta su

muerte el 7 de abril de 1823.

Louis Joseph o Joseph-Louis Gay-Lussac (Saint-

Léonard-de-Noblat, Francia 6 de diciembre de 1778 –

París, Francia, 9 de mayo de 1850) fue

un químico y físico francés. Es conocido en la actualidad

por su contribución a las leyes de los gases. En 1802,

Gay-Lussac fue el primero en formular la ley según la

cual un gas se expande proporcionalmente a

su temperatura (absoluta) si se mantiene constante

la presión (Ley de Charles) y que aumenta

proporcionalmente su presión si el volumen se mantiene

constante (Ley de Gay-Lussac).

W

Q

ent.

sal.

Variables que comprenden un

compresor para el balance.

Entrada

𝑚1

𝑉1𝑣1𝑉1𝑍1𝑇1𝑃1𝐷1

Salida

𝑚2

𝑉2𝑣2𝑉2𝑍2𝑇2𝑃2𝐷2

Q – W = m(∆𝐻 + ∆𝐸𝑃 + ∆𝐸𝐶)

1ª Ley de la termodinámica

Su función es

comprimir un fluido

comprensible, por

lo tanto:

𝑣2<<𝑣1 → 𝜌2 ≫ 𝜌1

Suposiciones:

𝑍1 ≈ 𝑍2𝑇1 ≠ 𝑇2𝑃2 ≫ 𝑃1

𝑚1 = 𝑚2 (edo estable)

Las velocidades

tienden a ser muy

parecidas

W

Q

ent.

sal.

Variables que comprenden un

compresor para el balance.

Entrada

𝑚1

𝑉1𝑣1𝑉1𝑍1𝑇1𝑃1𝐷1

Salida

𝑚2

𝑉2𝑣2𝑉2𝑍2𝑇2𝑃2𝐷2

Q – W = m(∆𝐻 + ∆𝐸𝑃 + ∆𝐸𝐶)

1ª Ley de la termodinámica

Su función es

comprimir un fluido

comprensible, por

lo tanto:

𝑣2<<𝑣1 → 𝜌2 ≫ 𝜌1

Suposiciones:

𝑍1 ≈ 𝑍2𝑇1 ≠ 𝑇2𝑃2 ≫ 𝑃1

𝑚1 = 𝑚2 (edo estable)

Las velocidades

tienden a ser muy

parecidas

Q ≈ 0 → η > 0

0

𝑍1 ≈ 𝑍2 → ∆𝐸𝑃 ≈ 0 ≪ ∆𝐻

0

Como las velocidades

tienden a ser muy

parecidas ∆𝐸𝐶 ≈ 0

0Nuestro Balance De Energía Queda:

-W = m(∆𝐻)

15

A volumen constante (isocórica), las presiones son directamenteproporcionales a las variaciones de las temperaturas absolutas.

2

1

2

1

T

T

p

p

16

Si en un gas de peso P que ocupa un volumen V1 a una presión p1

manteniendo constante la temperatura, hacemos variar su presión ap2 su volumen adquiere el valor V2 por lo que el peso específicorespectivo asume el valor:

2

2

1

1

2

2

1

1

PV

PV

V

P

V

P

17

Se debe recordar que el calor específico del gas varía con la temperatura y con la presión a que está sometido.

Calor específico a volumen constante cv

Calor específico a presión constante cp

18

A volumen constante, el calor específico "cv" de un gas, es el cocienteentre la cantidad de calor entregado al mismo y el producto de sumasa por el salto de temperatura y representa la cantidad de calorque es necesario para que un kg de dicho gas eleve su temperaturaen 1°C, manteniendo constante su volumen e incrementando supresión.

Cºkg/kcaltm

Qc v

v

(kJ𝑘𝑔 𝐾

;𝑏𝑡𝑢

𝑙𝑏 °𝐹)

19

A presión constante, el calor específico "cp" de un gas, es el cocienteentre la cantidad de calor entregado al mismo y el producto de sumasa por el salto de temperatura, y representa la cantidad

de calor que es necesario para que un kg de dicho gas eleve sutemperatura en 1 ºC manteniendo constante su presión eincrementando su volumen.

Cºkg/kcaltm

Qc

p

p

(kJ𝑘𝑔 𝐾

;𝑏𝑡𝑢

𝑙𝑏 °𝐹)

20

En los gases, el valor de "cv" es menor que el de "cp" y, por ejemplo,para el aire vale:

Cºkg/kcal237,0c

Cºkg/kcal169,0c

p

v

Si bien estos valores varían con la

temperatura,

hasta los 100° C – 373.15 K – 212 °F – 671.67

°R

pueden considerarse constantes.

0.7076 kJ𝑘𝑔 𝐾

= 0.169 𝑏𝑡𝑢

𝑙𝑏 °𝐹

0.9923 kJ𝑘𝑔 𝐾

= 0.237 𝑏𝑡𝑢

𝑙𝑏 °𝐹

21

En toda transformación de calor a trabajo que se formula en una masa de gas, la cantidad de calor entregado al sistema es igual al trabajo realizado por el mismo, más la variación de energía interna.

Al respecto, cabe consignar las equivalencias de toda transformación de calor a trabajo mecánico o viceversa.

UWQ

1𝑘𝐽 = 101.972 𝑘𝑔 −𝑚

22

Otra variación importante se formula mediante "p", "V", "T", ya que la presión, el volumen y la temperatura de un gas establecen su estado térmico y conforman la ecuación de estado.

La relación entre estos tres parámetros es tal que si dos de ellos se modifican, el tercero varía, en consecuencia, manteniendo constante el valor de la relación.

RT

Vp

T

Vp

2

22

1

11

23

En cuanto a la constante R, si la relacionamos con los caloresespecíficos, se establecen las siguientes expresiones:

1k

1

R

c

1k

k

R

c

Rcckc

c

vp

vp

v

p

Siendo k el

exponente

adiabático

24

En cuanto a las transformaciones posibles durante unacompresión, cabe recordar que, cuando la misma es a temperaturaconstante se denomina isotérmica y cumple con la ley de Boyle yMariotte, siendo su representación una hipérbola equilátera.

CVp

25

Cuando la transformación es adiabática, el sistema no transfiere calor al exterior y su representación está dada por una hipérbola que no es equilátera.

CVp k donde el exponente adiabático k, es la relación

entre los calores específicos a presión constante y

a volumen constante, como se vio anteriormente

26

Cuando la transformación es politrópica, implica que existe transferencia de calor desde elmedio al exterior, o a la inversa, y que el incremento o reducción de temperatura esproporcional a la cantidad de calor añadida o disipada.

La curva difiere de las otras dos y la expresión asume la forma; CVp n donde n es el exponente politrópíco cuyos valores, en la

práctica,

están entre 1,2 y 1,3 y que, por lo general, son menores que

"k".

v

p

cc

ccn

donde "c" es la cantidad de calor que debe absorber un kg

de gas para obtener, además del trabajo realizado, un

incremento de temperatura de 1 ºC.

27

28

Compresor alternativo - Aspiración

29

Compresor alternativo - Impulsión

30

31

Trabajo de compresión (L1)

Trabajo de aspiración (L2)

Trabajo de impulsión (L3)

321 LLLL

32

33

34

35

36

37

Termodinámica, Cengel, 7ma Edición.

http://es.slideshare.net/luisbiglieri/termodinmica-compresores-8505102