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“AÑO DEL BICENTENARIO DEL PERÚ: 200 AÑOS DE INDEPENDENCIA”UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICALABORATORIO #5: “COMPRESOR DE 2 ETAPAS”CURSO: LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA IIICODIGO DE CURSO / SECCIÓN: (MN-464) – BDOCENTE: AGUILAR VIZCARRA DUILIO LEONCIOINTEGRANTES:• ...

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“AÑO DEL BICENTENARIO DEL PERÚ: 200 AÑOS DE INDEPENDENCIA” UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO #5: “COMPRESOR DE 2 ETAPAS” CURSO: LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA III CODIGO DE CURSO / SECCIÓN: (MN-464) – B DOCENTE: AGUILAR VIZCARRA DUILIO LEONCIO INTEGRANTES: • CRESPO PADRÓN, GONZALO

CODIGO: 20162121B

• LARA CHAVEZ, EDUARDO

CODIGO: 20171039C

• MORE YARIN, ANGEL EVARISTO

CODIGO: 20072077D

FECHA DE PRESENTACION: 15/06/2021

LIMA – PERU 2021- I

Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica Laboratorio De Ingeniería Mecánica III

INDICE

Contenido INTRODUCCION ............................................................................................................ 3 OBJETIVOS ..................................................................................................................... 4 FUNDAMENTO TEORICO ............................................................................................ 4 EQUIPOS ......................................................................................................................... 8 PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO ............................................................................. 10 DATOS DEL LABORATORIO .................................................................................... 14 CALCULOS Y RESULTADOS .................................................................................... 15 OBSERVACIONES ....................................................................................................... 26 CONCLUSIONES .......................................................................................................... 27 BIBLIOGRAFÍA. ........................................................................................................... 27 ANEXOS ........................................................................................................................ 28

COMPRESOR DE 2 ETAPAS

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INTRODUCCION A pesar de la diversidad de equipos usados para la compresión de gases o vapores, su funcionamiento se fundamenta en algunos principios que les son comunes y se desprenden de la termodinámica aplicada. La importancia de los compresores se justifica por el rol que cumplen estos en la industria, en efecto, la evolución de las necesidades en el sector de los gases comprimidos esta caracterizado sobre todo por un incremento de caudales, y no por una elevación de las presiones necesarias. Los compresores tienen múltiples aplicaciones, destacando entre ellas; la refrigeración, turbo compresores de motores. Estos a la vez se derivan de las bombas ya que estas tienen por objeto aumentar la presión de un liquido.

El empleo de compresores en la industria es de gran importancia, debido al gran uso de gases comprimidos. Por lo que se busca presiones lo mas altas posibles y con una temperatura no muy grande, y es por ello que se necesita de la compresión en etapas para subir la presión y también se necesita de los intercambiadores de calor a presión constante (aproximadamente), para mantener la temperatura baja.

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OBJETIVOS 1.- Estudiar el funcionamiento del compresor de 2 etapas y realizar los cálculos característicos para dicha maquina. 2.- Reconocer las diferentes partes del compresor de 2 etapas

FUNDAMENT FUNDAMENTO O TEORIC TEORICO O Un compresor de dos etapas es una máquina donde se obtiene un aumento en la presión estática cuando se succiona sucesivamente un cierto volumen de aire dentro de un espacio cerrado para comprimirlo y luego expulsarlo, todo esto ocurre por el desplazamiento de un elemento móvil dentro del espacio cerrado (pistón).

En estos compresores alternativos podemos considerar a los flujos de trabajo y refrigeración (aire y agua), como flujos estables y que pueden ser analizados como FEES. La primera ley de la Termodinámica aplicada a un FEES es:

Hs - Hi = W - Q

(kJ)

Donde: Hi = entalpía del aire que ingresa al sistema. Hs = entalpía del aire que sale del sistema. W = trabajo del eje o indicado realizado sobre el sistema. Q = pérdida de calor del sistema. COMPRESOR DE 2 ETAPAS

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La ecuación anterior aplicada a compresores es:

H5 - H1 = W1 + W2 - Q1 - Q2 - Q3 - Q4 - Qrad

(kJ)

Donde: H1 = entalpía del aire a la entrada de la primera etapa. H2 = entalpía del aire a la salida de la primera etapa. H3 = entalpía del aire a la entrada de la segunda etapa. H4 = entalpía del aire a la salida de la segunda etapa. H5 = entalpía del aire a la salida del post enfriador. W1 = trabajo específico entregado a la primera etapa. W2 = trabajo específico entregado a la segunda etapa. Q1 = calor entregado al agua de refrigeración de la primera etapa. Q2 = calor entregado al agua de refrigeración del ínter enfriador. Q3 = calor entregado al agua de refrigeración de la segunda etapa. Q4 = calor entregado al agua de refrigeración de la postenfriador. Qrad = pérdidas de calor por convección y radiación. Se debe observar que se debe tomar a W1 y W2 como el trabajo entregado al compresor o como el trabajo indicado en el cilindro del compresor. En el primer caso incluimos las pérdidas mecánicas del compresor, en el segundo las excluimos; estas pérdidas aparecen como calores parciales en la camiseta de agua y parcialmente al medio ambiente.

Esquema simplificado de la instalación Consideremos un compresor ideal, sin volumen muerto y que no presente pérdidas de presión en la succión y descarga. Cuando se desea comprimir aire a altas presiones se utilizan compresores de varias etapas. Si no hubiese enfriamiento intermedio el proceso de compresión seguiría una trayectoria continua. La curva de compresión por etapas con interenfriamiento se acerca al proceso isotérmico. El trabajo y la potencia entregados a un compresor real son diferentes a los obtenidos en el compresor ideal, ya que un remanente de gas que queda en el volumen muerto se expande cuando las válvulas están cerradas. El volumen COMPRESOR DE 2 ETAPAS

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muerto reduce la capacidad del compresor, esta reducción aumenta a medida de que aumenta la relación de compresión.

diagrama P vs V de un compresor de 2 etapas Además debido a las perdidas de presión en las válvulas y tuberías, la presión del aire durante la succión es menor que la presión del medio de donde es succionado y durante la descarga la presión es mayor que la presión en la tubería de descarga. POTENCIA INDICADA Es una potencia aproximada que va a desarrollar el compresor y que se mide gracias a la ayuda del “Indicador de Diagrama” ( el cual es posible utilizar en maquinas de relativa baja velocidad como: bombas , compresores, etc). Este indicador de diagrama nos construye una grafica P vs volumen en el cilindro del compresor. Para el calculo de la potencia indicada sera necesario un parámetro característico del indicador, como lo es la constante de rigidez del resorte (k), la longitud (“De carrera”), del diagrama y el area del diagrama indicado, el cual se puede medir gracias a un planímetro. Usamos la siguiente formula en el caso de nuestro experimento.

PI = P  Vd ; [ watts ] ………….(θ) Donde. P : Presión media indicada en N/m2 Vd : volumen desplazado por unidad de tiempo m3/s Además:

P= COMPRESOR DE 2 ETAPAS

K A L

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Donde: K: constante del resorte del indicador de diagrama A: área del diagrama L: longitud del diagrama Las constantes de los resortes del indicador de diagrama son El funcionamiento de un compresor alternativo esta caracterizado por los siguientes parámetros: 1.- EL PORCENTAJE DE VOLUMEN MUERTO Es la relación entre el volumen muerto Vo y el volumen de desplazamiento Vd

=

Vo Vd

En compresores de baja presión ε (2 – 5%). En compresores de alta presión ε (5 – 10%). La eficiencia volumétrica aparente tomando en cuenta la perdida de presión la entrada se obtiene del diagrama indicado.

 P 2 1 / m  v = 1 −  .  − 1 1 P    2.- EFICIENCIA VOLUMÉTRICA REAL O TOTAL Esta eficiencia difiere de la anterior por los siguientes motivos: a) El fluido se calienta durante toda la carrera de succión cuando se pone en contacto con las válvulas, paredes del cilindro y pistón. b) Existen fugas por los anillos del pistón, válvulas y uniones. En compresores la disminución de la eficiencia volumétrica es más acentuada debido a la precipitación de la humedad en el ínterenfriador. Esta eficiencia se define como la relación entre peso de fluido descargado durante la revolución del eje del compresor y el peso de fluido a las condiciones de la línea de succión, que ocuparía un volumen igual al desplazamiento total de una revolución.

nVr =

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Se utilizan además las siguientes eficiencias para determinar la potencia realmente entregada al compresor. LA EFICIENCIA ISOTÉRMICA  isot. Es la relación de la potencia isotérmica Wisot y la potencia indicada PI.

nisot =

Wisot PI

LA EFICIENCIA MECÁNICA  m. Es la relación entre la potencia indicada Wi y la potencia en el eje del compresor Weje. PI nm = PE

EQUIPOS DATOS TECNICOS DEL COMPRESOR DE AIRE DE DOS ETAPAS COMPRESOR DE 2 ETAPAS

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PRIMERA ETAPA (BAJA PRESION) Número de cilindros ........................................................... 2 Carrera .................................................................................... 101.6mm Diámetro interior ................................................................... 101,6 mm Volumen de desplazamiento .................................................. 1,647 l lit Volumen muerto .................................................................. 29,5 cm 3 Presión máxima ...................................................................... 10,3 bar Relación de velocidades, motor / compresor ............................ 3 :1 Eficiencia de la transmisión .................................................... 0,98 Rango de velocidades .............................................. 300 - 500 RPM SEGUNDA ETAPA (ALTA PRESION) Número de cilindros ............................................................ 1 Carrera ..................................................................................... 101,6mm Diámetro interior ..................................................................... 76,2 mm Volumen de desplazamiento .................................................. 0,463 l lit Volumen muerto ................................................................. 28,2 cm 3 Presión máxima ...................................................................... 13,8 bar Relación de velocidades, motor / compresor ............................ 3:1 Eficiencia de la transmisión .................................................... 0,98 Rango de velocidades ............................................. 300 - 500 RPM

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PROCEDIMIENTO DEL ENSA ENSAYO YO 1)

Antes del encendido: a)

Observar si los manómetros inclinados se encuentran en cero.

b)

Llenar los pozos de aceite de los termómetros con aceite.

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c)

2)

Drenar el condensado del interenfriador, postenfriador y tanque de almacenamiento.

Procedimiento del ensayo: a)

Verificar que las válvulas de 3 vías estén en la posición correcta.

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b)

Ajustar los flujos de agua de refrigeración, hasta obtener lecturas comprendidas entre 18 y 20 cm de agua. En los medidores de flujo.

c)

Accionar las llaves de funcionamiento en vacío

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d)

Ubicar los reguladores de velocidades en su posición mínima.

e)

Cuando la presión en el tanque de almacenamiento se acerque a la presión deseada, abrir lentamente la válvula de estrangulamiento. La posición correcta de la válvula de estrangulamiento para obtener una presión constante en el tanque, será aquella que produzca la misma caída de presión en la tobera de descarga con respecto a la caída de presión en el orificio de entrada.

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DA DATTOS DEL LABORA LABORATTORIO Presión de Aire (bar)

Punto

1 2 3 4

P6 8 8 8 8

P2 2 2 3 3.5

Dinamómetro de Alta Presión RPM 1400 1100 980 850

Fza. (Kg) 2.5 2.7 2.6 2.6

Manómetros (cm H2O)

Temperaturas del aire ( ºC )

TA 18 18 18 18

T1 36 36 36 36

T2 87 95 110 122

T3 33 36 48 40

T4 102 94 96 85

T5 33 38 39 39

T6 33 30 29 30

T7 27 27 27 27

Alturas de los medidores de agua (cm. de H2O)

Volts. Amps. C.B.P I.E. C.A.P. 200 10.5 23.3 27.2 33 175 10 23.3 26.8 35.5 140 9.5 23.4 27 33 130 9.5 23.3 26.9 32.4

P.E. 20.5 20.2 20.4 20.3

ho 12.5 14 15.5 18

Dinamómetro de Baja Presión RPM 1327 1250 1150 1250

Fza. (Kg) 5 5.3 5.4 5.4

Temperaturas del agua de Refrigeración Tia T1a T2a T3a T4a 22.5 41 31 37 38 22.5 43 32 42 39 22.5 45 34 35 38 22.5 48 34 40 37

Volts. Amps. 180 12 195 13 205 15 230 16

Áreas de diagrama indicado C.B.P. (cm2) 3.61 3.64 4 3.75

Longitud de carrera En el diagrama CBP (cm)

CAP (cm)

3.62

4.12

3.53

4.22

3.2

4.21

3.61

4.36

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C.A:P (cm2) 3.52 3.52 3.25 2.99

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CALCUL CALCULOS OS Y RESUL RESULTTADOS Primero vamos a hallar los cálculos para un solo punto del total tomados en la experiencia; los cálculos para los demás puntos serán realizados en forma análoga y serán mostrados todos mediante tablas. 1.- CÁLCULO DEL FLUJO MÁSICO DE AGUA DE REFRIGERACIÓN: Las formulas para determinar los flujos en función de las alturas del agua alcanzada en los medidores tienen la siguiente forma:

Q = KH n ; [ lt/hr] (volumétrico) Para que sea flujo masico hay que multiplicarlo por la densidad y convertir las horas en segundos:

 = m

KH n  ; [ kg/s] (másico) 3600

- PARA EL COMPRESOR DE BAJA COMPRESIÓN:

m  CBP = m  CBP =

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10,4  H 0.527   H 2 O 3600

10,4  (23.3) 0.527 1 Kg lt 3600

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m  CBP = 0.01518 Kg s

- PARA EL COMPRESOR DE ALTA COMPRESIÓN:

8.3  H 0.545  H 2O = 3600 8.3  (33) 0.545 1 Kg lt = 3600

m  CAP m  CAP

m  CAP = 0.01550 Kg s - PARA EL INTERCAMBIADOR: 0.50

12,4  H   H 2O  Inter = m 3600 12.4 (27.2) 0.50  1 Kg lt = m  Inter 3600 m  Inter = 0.01796 Kg s - PARA EL POSTENFRIADOR:

 POS = m

11.7  H 0.494   H 2O 3600

11.7  (20.5) 0.494 1 Kg lt 3600 = 0.01445 Kg s

m  POS =

m  POS

2.- CÁLCULO DEL FLUJO DE AIRE Para calcular el flujo de aire vamos a usar la caja de aire cuyo diámetro del orificio es 40 cm y cuya fórmula de cálculo es:

Qaire = 36.904  10 −4 

H  TA ; [ m3/s] PA

 aire = 1.2577  10 −4  m

PA  H ; [ Kg/s] TA

Donde: H : en metros de agua PA: en bar TA : en K COMPRESOR DE 2 ETAPAS

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Reemplazando tenemos:

Qaire = 36.904 10 −4 

0.0125  291K 0.99

Qaire = 0.007073 m s 3

0.99  0.0125 291K = 0.008201 Kg s

m aire = 1.2577 

m aire

3.- CÁLCULO DE LA POTENCIA ELÉCTRICA SUMINISTRADA A CADA MOTOR Para ambos motores de corriente continua tenemos:

Pelect = V  I

; [ watts ]

Donde: V: en voltios I: en amperios Reemplazamos y tenemos:

Pelect CBP = 180 12 = 2160 watts Pelect CBP = 2. 16 Kw

Pelect CAP = 200 10 .5 = 2100 watts Pelect CAP = 2.1Kw 4.- CÁLCULO DE LA POTENCIA AL EJE ENTREGADA POR EL MOTOR ELÉCTRICO Para su cálculo utilizaremos la siguiente expresión:

Peje =

F N ; [watts] 3.0592

Donde: F: kilogramos fuerza N: en r.p.m. Reemplazando tenemos:

5  1327 = 2168.867Watts 3.0592 Peje CBP = 2.168 Kw PejeCBP =

2.5 1400 = 1144.089watts 3.0592 Peje CAP = 1.144 Kw Peje CAP =

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5.- POTENCIA ENTREGADA AL COMPRESOR Considerando que la eficiencia mecánica de la transmisión es 0.98

Pentregada CBP = 0.98  2.168 = 2.1246kW Pentregada CAP = 0.98  1.144 = 1.1211kW La potencia total entregada a ambos compresores es:

2.1246 +1.1211 = 3.247Kw

6.- CÁLCULO DE LA POTENCIA INDICADA (PI):

PI = P Vd ; [watts] ………….(θ) Donde. P : Presión media indicada en N/m2 Vd : volumen desplazado por unidad de tiempo m3/s Además:

P=

K A L

Donde: K: constante del resorte del indicador de diagrama A: área del diagrama L: longitud del diagrama Las constantes de los resortes del indicador de diagrama son: psi Kg = 19544202 3 pu lg m psi Kg CAP → K =180 = 48860504 3 pu lg m CBP → K = 72

Para un CBP:

(19544202)  (3.61 10− 4 ) N P= = 194902.1207 2 −2 m 3.62 10 Para un CAP:

(48860504)  (3.62 10−4 ) N = 417448.966 2 P= −2 m 4.12 10

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