UNIDAD IV COMPRESORES

Transcripción

1 INSTITUTO TECNOLÓGICO NACIONAL INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TUXTLA GUTIÉRREZ INGENIERÍA MECÁNICA DEPARTAMENTO DE METAL-MECÁNICA MÁQUINAS DE FLUIDOS COMPRESIBLES UNIDAD IV COMPRESORES INTEGRANTES: CRUZ SANTIAGO IVÁN FLORES VÁZQUEZ JORGE ISAÍN GIRÓN GÓMEZ AGUSTÍN HERNÁNDEZ DÍAZ ITZEL EFIGENIA MELCHOR NARCÍA CALEB MEZA SORIA GERARDO DANIEL PÉREZ GARCÍA MOISÉS

2 4.1 DEFINICIÓN COMPRESORES Es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tales como gases y vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido, en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir.

3 4.1 CLASIFICACIÓN Según el método de intercambio de energía: Hay diferentes tipos de compresores atmosféricos, pero todos realizan el mismo trabajo: toman aire de la atmósfera, lo comprimen para realizar un trabajo y lo regresan para ser reutilizado.

4 Compresor de desplazamiento positivo Las dimensiones son fijas. Por cada movimiento del eje de un extremo al otro tenemos la misma reducción en volumen y el correspondiente aumento de presión (y temperatura). Normalmente son utilizados para altas presiones o poco volumen. Por ejemplo el inflador de la bicicleta. También existen compresores dinámicos. El más simple es un ventilador que usamos para aumentar la velocidad del aire a nuestro entorno y refrescarnos. Se utiliza cuando se requiere mucho volumen de aire a baja presión.

5 Compresor de émbolo Es un compresor atmosférico simple. Un vástago impulsado por un motor (eléctrico, diésel, neumático, etc.) es impulsado para levantar y bajar el émbolo dentro de una cámara. En cada movimiento hacia abajo del émbolo, el aire es introducido a la cámara mediante una válvula. En cada movimiento hacia arriba del émbolo, se comprime el aire y otra válvula es abierta para evacuar dichas moléculas de aire comprimidas; durante este movimiento la primera válvula mencionada se cierra. El aire comprimido es guiado a un tanque de reserva. Este tanque permite el transporte del aire mediante distintas mangueras.

6 Compresor de pistón Es en esencia una máquina con un mecanismo pistón-biela-cigüeñal. Todos los compresores son accionados por alguna fuente de movimiento externa. Lo común es que estas fuentes de movimiento sean motores, lo mismo de combustión como eléctricos. En este caso, cuando el cigüeñal gira, el pistón desciende y crea vacío en la cámara superior, este vacío actúa sobre la válvula de admisión (izquierda), se vence la fuerza ejercida por un resorte que la mantiene apretada a su asiento, y se abre el paso del aire desde el exterior para llenar el cilindro. El propio vacío, mantiene cerrada la válvula de salida (derecha).

7 Compresores a membrana Son de construcción sencilla y consisten en una membrana accionada por una biela montada sobre un eje motor excéntrico; de este modo se obtendrá un movimiento de vaivén de la membrana con la consiguiente variación de volumen de la cámara de compresión en donde se encuentran alojadas las válvulas de admisión y descarga, accionadas automáticamente por la acción del aire. Permiten la producción de aire comprimido absolutamente exento de aceite, puesto que el mismo no entra en contacto con el mecanismo de accionamiento, y en consecuencia el aire presenta gran pureza. Utilizados e medicina y ciertos procesos químicos donde se requiera aire sin vestigios de aceite y de gran pureza. No utilizados en general para uso industrial.

8 Compresores a paletas Constan de una carcasa cilíndrica en cuyo interior va un rotor montado un excéntricamente de modo de rozar casi por un lado la pared de la carcasa formando así del lado opuesto una cámara de trabajo en forma de media luna. Esta cámara queda dividida en secciones por un conjunto de paletas deslizantes alojadas en ranuras radiales del rotor. Al girar este ultimo, el volumen de las secciones varía desde un máximo a un mínimo, produciéndose la aspiración, compresión y expulsión del aire sin necesidad de válvula alguna. Este tipo de compresor es muy adecuado para casos en que no es problema la presencia de aceite en el aire comprimido, fabricándose unidades de hasta m /h de capacidad y hasta presión de 8 bar en una sola etapa y de 30 bar en dos etapas

9 Compresores de tornillo La compresión de estas maquinas es efectuada por dos rotores helicoidales, uno macho y otro hembra que son prácticamente dos tornillos engranados entre sí y contenidos en una carcasa dentro de la cual giran. El macho es un tornillo de 4 entradas y la hembra de 6. El macho cumple prácticamente la misma función que el pistón en el compresor en el compresor alternativo y la hembra la del cilindro. En su rotación los lóbulos del macho se introducen en los huecos de la hembra desplazando el aire axialmente, disminuyendo su volumen y por consiguiente aumentando su presión. Los lóbulos se llenan de aire por un lado y descargan por el otro en sentido axial. Los dos rotores no están en contacto entre sí, de modo tal que tanto el desgaste como la lubricación resultan mínimas. Esto se logra a través de un juego de engranajes que mantiene el sincronismo de giro de los rotores y evita que estos presionen unos contra otros, asegurándose la estanqueidad necesaria por la estrecha tolerancia de los juegos que existen entre ellos y la de estos con la carcasa.

10 Compresores roots Solo transportan el volumen de aire aspirado del lado de aspiración al de compresión, sin comprimirlo en este recorrido. No hay reducción de volumen y por lo tanto tampoco aumento de presión. El volumen que llega a la boca de descarga, todavía con la presión de aspiración, se mezcla con el aire ya comprimido de la tubería de descarga y se introduce en la cámara llegando este a la presión máxima siendo luego expulsado. Un juego de engranajes accionan los rotores en forma sincrónica y evita que se rocen entre sí. Resultan apropiados cuando se requiera aire comprimido a bajas presiones completamente libre de rastros de lubricante.

11 Turbocompresores Funcionan bajo el principio de la dinámica de fluidos, en donde el aumento de presión no se obtiene a través del desplazamiento y reducción de volumen sino por efectos dinámicos del aire.

12 Compresores radiales Se basan en el principio de la compresión de aire por fuerza centrifuga y constan de un rotor centrifugo que gira dentro de una cámara espiral, tomando aire en sentido axial y arrojándolo a gran velocidad en sentido radial. La fuerza centrifuga que actúa sobre el aire lo comprime contra la cámara de compresión. Pueden ser de una o varias etapas de compresión consecutivas, alcanzándose presiones de 8 bar y caudales entre y m /h. Son maquinas de alta velocidad, siendo esta un factor fundamental en el funcionamiento ya que esta basado en principios dinámicos, siendo la velocidad de rotación del orden de las a r.p.m., y aun más.

13 Compresores axiales Se basan en el principio de la compresión axial y consisten en una serie de rodetes consecutivos con alabes que comprimen el aire. Se construyen hasta 20 etapas de compresión (20 rodetes). El campo de aplicación de este tipo de compresor alcanza caudales desde los a m /h y presiones de 5 bar, raramente usados en neumática industrial.

14 4.1 Funcionamiento Los compresores son ampliamente utilizados en la actualidad en campos de la ingeniería y hacen posible nuestro modo de vida por razones como: Son una parte importante de muchos sistemas de refrigeración y se encuentran en cada refrigerador casero. Se encuentran en sistemas de generación de energía eléctrica, tal como lo es el ciclo Brayton. Se encuentran en el interior de muchos motores de avión, como lo son los turborreactores, y hacen posible su funcionamiento. Se pueden comprimir gases para la red de alimentación de sistemas neumáticos.

15 4.2 SISTEMAS AUXILIARES. SISTEMA DE LUBRICACION: Los sistemas de lubricación más comunes para compresores son: Lubricación para salpicadura. Lubricación por gravedad. Lubricación por presión. Lubricación por eyección.

16 Lubricación por salpicadura: En su forma más simple, la biela lleva un vástago que se sumerge dentro del deposito de aceite. De esta forma se crea una niebla de aceite que suministra lubricación a las superficies de los cojinetes y de los cilindros.

17 Lubricación por presión. El mejor sistema para lubricar las partes móviles de un compresor es por medio de la presión creada por una bomba de lubricación de embolo o de engranajes. La bomba se diseña siempre con exceso de capacidad de forma que la presión del aceite de lubricación se pueda mantener siempre, incluso cuando el compresor está ya muy gastado

18 Lubricación por anillo. El aceite es transportado por un anillo desde el fondo del deposito hasta una ranura en el cigüeñal, a través de la cual el aceite se distribuye a los diferentes puntos de lubricación. El anillo se encuentra montado sobre el cigüeñal de manera tal que su parte inferior queda sumergida en el aceite depositado en el Carter. Al girar el cigüeñal, este conduce el anillo por efecto de la fricción. La fuerza centrifuga creada, comunica al aceite la suficiente presión para que este alcance los puntos de lubricación.

19 Lubricación por inyección. Algunos tipos de compresores rotativos emplean inyección de aceite para lubricar las piezas que sufren desgaste en la cámara de compresión. Normalmente la presión del aire de descarga se emplea para inyectar el lubricante dentro del compresor. Sin embargo, frecuentemente se emplee una bomba para el transporte interno del aceite

20 SISTEMAS DE REGULACIÓN. La capacidad de un compresor debe ajustarse a la demanda real del sistema en todo momento Existen varios sistemas para controlar el flujo de descarga de los compresores. Ahora bien, el tipo de control a elegir dependerá de las características del compresor, del motor, y desde luego del sistema de aire comprimido. Los sistemas de regulación se clasifican: a. Control a velocidad constante (carga y descarga). b. Control a velocidad variable. c. Control por arranque y parada. d. Control mixto

21 SISTEMAS DE SUPERVISIÓN Y PROTECCIÓN: Una forma de reducir costos de mantenimiento en una instalación de compresores estacionarios o transportables, es mantener bajo control los puntos críticos y provocara automaticamente la parada en caso de anormalidad.

22 Análisis de la compresión de un gas En un cilindro tenemos un volumen {V} de un gas ideal y está «tapado» por un pistón que es capaz de deslizarse verticalmente sin fricción. En un principio este sistema se encuentra en equilibrio con el exterior, es decir, la presión que ejerce el gas sobre las paredes del cilindro y sobre el pistón (que es la misma en todas las direcciones) {p_int} es igual a la presión que ejerce el peso del pistón sobre el gas {p_ext}, y más ninguna otra fuerza obra sobre nuestro sistema. Ahora imaginemos que repentinamente aumentamos la presión externa a {p'_ext} y como la presión que ejerce el gas sobre el pistón es {p_int} < p'_ext} el equilibrio se romperá y el cilindro deslizará hacia abajo ejerciendo un trabajo {W=fuerza*desplazamiento = {p'_int} *Delta V}. Esta energía, por la primera ley de la termodinámica, se convertirá instantáneamente en un incremento de energía interna del gas en el recipiente, y es así como el gas absorberá el trabajo del desplazamiento pistón.

23 Las variables termodinámicas conjugadas que se consideran más comúnmente son: Parámetros térmicos: Temperatura: T (K) Entropía: S (J K 1 ) Parámetros mecánicos: Presión: P (Pa) Volumen: V (m 3 ) De forma más general: Volumen deformación: V ε ij (m 3 ) Parámetros materiales: Potencial químico: μ (J) Número de partículas: N (partículas o mol) Variable conjugada (termodinámica) En termodinámica, la energía interna de un sistema está expresada en términos de pares de variables conjugadas como temperatura y entropía o presión y volumen. De hecho, todos los potenciales termodinámicos están expresados en términos de pares conjugados.

24 Boyle, Mariotte y Gay Lussac. El proceso de compresión del aire, responde a las leyes generales de compresión y expansión de los gases, fundamentalmente establecidas por Boyle, Mariotte y Gay Lussac. Responde a la ecuación de estado de gas ideal. La constante de proporcionalidad R es constante del gas especifico. P es presión absoluta, T la temperatura absoluta y v es el volumen especifico. Ley de Boyle y Mariotte A temperatura constante (isotermica), la presión absoluta de un gas ideal, es inversamente proporcional al volumen. Ley de Charles-Gay Lussac. A presión constante (isobarica), el volumen de un gas ideal, es directamente proporcional a la temperatura. De igual manera a volumen constante (isocórica), las presiones son directamente proporcionales a las variaciones de las temperaturas absolutas.

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

26 Isotérmica - El gas permanece a temperatura constante a través del proceso. La energía interna es removida del sistema en forma de calor a la misma velocidad que es añadida por el trabajo mecánico de compresión. La compresión o expansión isotérmica es favorecida por una gran superficie de intercambio de calor, un volumen pequeño de gas, o un lapso de tiempo largo. Con dispositivos reales, la compresión isotérmica generalmente no es posible. Por ejemplo incluso en una bomba de bicicleta calienta (genera calor) durante su uso

27 Ley de Charles-Gay Lussac. A presión constante (isobárica), el volumen de un gas ideal, es directamente proporcional ala temperatura

28 Adiabática En este proceso no hay transferencia de calor entre el sistema y su entorno, y todo el trabajo añadido es (producido) agregado (añadido) a la energía interna del gas, resultando un incremento de temperatura y presión. Teóricamente el incremento de temperatura es: T2 = T1 Rc((k-1)/k)), con T1 yt2 en grados Rankine o kelvin, k.- razón de calores específicos; k=1.4 para el aire estándar La compresión o expansión adiabática es favorecida por el buen aislamiento, un gran volumen de gas, o un lapso corto de tiempo, En la práctica siempre habrá una cierta cantidad de flujo de calor, pues hacer un sistema adiabático perfecto requeriría un perfecto aislamiento térmico de todas las partes de una máquina. Durante un proceso adiabático, la energía interna del fluido que realiza el trabajo debe necesariamente decrecer.

29 Eficiencia Isentropica De Compresores La eficiencia isotrópica de un compresor se define como la relación entre el trabajo de entrada requerido para elevar la presión de un gas a un valor especificado de una manera isentrópica y el trabajo de entrada real El calor de la eficiencia isentrópica depende en gran medida del diseño del compresor. Los compresores mejor diseñados tienen eficiencias isentrópicas de 80 a 90%.

30 4.4 tipos de compresores: reciprocantes y centrífugos (axial, radial)

31 Compresor reciprocante (axial) Un compresor alternativo, también denominado de pistón, recíprocante (transliteración demasiado directa del inglés reciprocating), recíproco o de desplazamiento positivo, es un compresor de gases que funciona por el desplazamiento de un émbolo dentro de un cilindro (o de varios) movido por un cigüeñal para obtener gases a alta presión. El gas a comprimir entra, a presión ambiental, por la válvula de admisión en el cilindro, aspirado por el movimiento descendente del pistón, que tiene un movimiento alternativo mediante un cigüeñal y una biela, se comprime cuando el pistón asciende y se descarga, comprimido, por la válvula de descarga. En estos compresores la capacidad se ve afectada por la presión de trabajo. Esto significa que una presión de succión baja implica un caudal menor; para una presión de descarga mayor, también se tiene un caudal menor. Se utiliza en refinerías de petróleo, trasporte de gases (gasoductos), plantas químicas, plantas de refrigeración. Uno de sus usos es la fabricación, por soplado, de envases de vidrio o plástico (Tereftalato de polietileno o PET), para líquidos.

32 PARTES DEL COMPRESOR RECIPROCANTE.

33 Tipos de compresores reciprocantes Simple Etapa: Son compresores con una sola relación de compresión, que incrementan la presión una vez; solo poseen un depurador interetapa, un cilindro y un enfriador inter etapa (equipos que conforman una etapa de compresión) generalmente se utilizan como booster en un sistema de tuberías Múltiples etapas: Son compresores que poseen varias etapas de compresión, en los que cada etapa incrementa progresivamente la presión hasta alcanzar el nivel requerido. El número máximo de etapas, puede ser 6 y depende del número de cilindros; no obstante, el número cilindros no es igual al número de etapas, pueden existir diferentes combinaciones; como por ejemplo, si se requiere un sistema de tres etapas, puede utilizarse 3, 4 o 6 cilindros, Balanceado - Opuesto: Son compresores separables, en los cuales los cilindros están ubicados a 180º a cada lado del frame.

34 ventajas Ventajas y desventajas del compresor reciprocante deventajas Mayor flexibilidad en capacidad de flujo y rango de presiones. Más alta eficiencia y costo de potencia más bajo. Capacidad de manejar pequeños volúmenes de gas. Son menos sensitivos a la composición delos gases y las propiedades cambiantes. Presentan menores temperaturas de descarga por su enfriamiento encamisado Pueden alcanzar las presiones más altas. Fundaciones más grandes para eliminarlas altas vibraciones por el flujo pulsante. En servicios continuos se requieren unidades de reserva, para impedir paradas de planta debido al mantenimiento. Los costos de mantenimiento son 2 a 3 veces más altos que los compresores centrífugos. El funcionamiento continuo es más corto que para los centrífugos Requieren inspección más continua. Cambios en la presión de succión pueden ocasionar grandes cargas en las barras del pistón

35 Aplicaciones de los compresores reciprocantes Refinerías y Petroquímica: Amoniaco, Urea, Metanol, Etileno, Óxido de Etileno, Polipropileno, Gas de Alimentación, Separación de Componentes de Gas Natura, Almacenamiento de GNL, Craqueo Catalítico Destilación Petróleo y Gas: Levantamiento artificial, reinyección, tratamiento de gas, almacenamiento de gas, transmisión, gas combustible, booster, distribución de gas. Sin embargo, existen aplicaciones específicas donde se requiere utilizar compresores reciprocantes.

36 Compresor centrífugo (radial) En un compresor centrifugo se produce la presión al aumentar la velocidad del gas que pasa por el impulsor, después se recupera en forma controlada para producir el flujo y presión deseada.

37 A este grupo pertenecen los compresores centrífugos tradicionales. En estos equipos, el aire entra directamente en la zona central del rotor, guiado por la campana de aspiración. El rotor, girando a gran velocidad, lanza el aire sobre un difusor situado a su espalda y es guiado al cuerpo de impulsión. En la figura de, se ve la sección de un compresor centrífugo de levitación neumática de BOGE. En dicha sección, se aprecian con claridad las dos etapas de compresión donde se encuentran alojados los rotores.

38 Otro ejemplo se puede ver en la sección de una soplante centrífuga de SULZER, donde se aprecia con detalle el rotor centrífugo instalado en el extremo del eje. En estos compresores, el aire entra directamente por la campana de aspiración (1) hacia el rotor (2) y difusor (3), saliendo a la siguiente etapa o a la red por la voluta (4).

39 Un turbocompresor tradicional puede ser un equipo con dos o más etapas de compresión. Entre cada etapa, están instalados unos refrigeradores diseñados para reducir la temperatura de compresión antes de que el aire llegue al siguiente rotor. En la figura, podemos ver un turbocompresor, montado sobre una bancada común al motor, refrigeradores y cuadro de control. Los turbocompresores suelen ser equipos pensados para grandes caudales, aunque en los últimos años, los fabricantes se han esforzado para diseñar equipos de tamaños reducidos y caudales más pequeños. Con estas premisas, ha aparecido una nueva generación de compresores centrífugos de levitación magnética o de levitación neumática.

40 COMPRESORES CENTRÍFUGOS AXIALES: Estos equipos son menos comunes en la industria. Se diferencian de los anteriores en que el aire circula en paralelo al eje. Los compresores axiales están formados por varios discos llamados rotores. Entre cada rotor, se instala otro disco denominado estator, donde el aire acelerado por el rotor, incrementa su presión antes de entrar en el disco siguiente. En la aspiración de algunos compresores, se instalan unos álabes guía, que permiten orientar la corriente de aire para que entre con el ángulo adecuado.

41 En la figura, se puede ver un compresor axial, que trabaja en combinación con una etapa radial, donde se incrementa la presión a valores superiores. En general, todos los compresores descritos en los diferentes grupos, se pueden adaptar a múltiples aplicaciones o normativas, como API o ATEX. Los fabricantes añaden elementos adicionales para que cada equipo pueda trabajar en diferentes aplicaciones o estar equipados con los accesorios que el usuario final pueda requerir.

42 Ventajas y desventajas del compresor centrifugo ventajas desventajas Cuando se tiene de 2000 a 200,000 ft/ min. Según sea la relación de presión, el compresor es más económico, porque se puede instalar una sola unidad. Ofrece una variación bastante amplia en el flujo con un pequeño cambio en la carga. La ausencia de piezas rosantes permite trabajar más tiempo entre los intervalos de mantenimiento. Cuando el terreno es costoso, se pueden obtener mayores volúmenes en un lugar pequeño. Los compresores centrífugos son sensibles al peso molecular del gas que se comprime. ( Los cambios en el peso molecular pueden hacer que las presiones de descarga sean altas o bajas). Se requieren velocidades muy altas, por lo tanto hay que tener cuidado de balancear muy bien los rotores y con los materiales empleados en las componentes. Un aumento en la caída de presión en el sistema puede ocasionar reducción en el volumen del compresor. Se requieren sistemas para aceite lubricante y aceite para sellos.

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44 REFERENCIAS: