R03-F: Cálculo de la eficiencia de un compresor PDF

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Práctica 3 de fenómenos de transporte de Laboratorio de Ingeniería Química II...

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Universidad de Sonora

Departamento de Ingeniería Química y Metalurgia

Laboratorio de Ingeniería Química II

Reporte 03-F: ”Cálculo de la eficiencia de un compresor”

Equipo 2 Juarez Rivera Luz Ivanna Molina Beltran Kevyn Vidal Moreno Encinas Zuhayl María Robles Martinez Angel de Jesus Ruiz Velarde César Arnoldo

Diana Patricia Teran Valdez

Realizada: 08-febrero-2021

Hermosillo, Sonora

13-febrero-2021

Introducción El aire comprimido a una cierta presión por encima de la atmosférica tiene muchos usos prácticos, como la operación de pequeños motores de aire y herramientas neumáticas, accionamiento de montacargas especiales, limpieza por chorro de aire, inflado de neumáticos de autos, rociado de pinturas, elevación de líquidos por medios neumáticos y muchas otras aplicaciones industriales especializadas. Un compresor es una máquina, cuyo trabajo consiste en incrementar la presión de un fluido. Al contrario que otro tipo de máquinas, el compresor eleva la presión de fluidos compresibles como el aire y todo tipo de gases, pero no lo hacen de la misma forma. Existen muchos tipos de compresores en función de su diseño. Por la manera de comprimir los gases se distinguen en dos tipos: volumétricos, y los de flujo. En los compresores volumétricos, el aumento de presión de logra por la disminución de volumen del gas confinado en una cámara y el proceso de compresión no es continuo, mientras que en los compresores de flujo, la elevación de la presión del gas se logra por la transformación de energía cinética que se le proporciona por medio de un rodete de forma adecuada, en energía de presión, cuando se hace que disminuya la velocidad del gas, de esta manera se puede decir que el proceso es continuo. Los compresores de flujo pueden clasificarse de varias maneras por la dirección del flujo principal como: axiales, diagonales, radiales,etc. Uno de los más comunes son los compresores a pistón o émbolo también llamados alternativo, son los de uso más difundido y por su diseño, los compresores de aire de pistón producen altas presiones en volúmenes pequeños, y generalmente se utilizan para aplicaciones domésticas e industriales. El compresor de pistón es uno de los más antiguos compresores que se diseñaron pero aun siendo de los más antiguos es el más versátil y eficaz. Funciona con un pistón que se desplaza hacia delante dentro de un cilindro donde el pistón está conectado a una biela y un cigüeñal. Si sólo se usa un lado del pistón para la compresión, se describe como una acción única. Si se utilizan ambos lados del pistón, las partes superior e inferior, es de doble acción. El compresor de pistón es el único que permite comprimir gases como también aire con pocas modificaciones. El compresor de pistón es el único diseño capaz de comprimir aire y gas a altas presiones, como las aplicaciones de aire respirable. Objetivos 1. Aplicar las ecuaciones de energía para encontrar el trabajo y la potencia y, con base en ellas, la eficiencia del compresor del laboratorio de ingeniería química de la Universidad de Sonora, en particular o la de cualquier compresor, en general. 2. Aplicar las leyes y ecuaciones básicas de la termodinámica a situaciones reales.

Materiales y métodos Reactivos utilizados Aire Equipo El equipo utilizado consta de las siguientes partes: ● Válvulas ● 2 pistones ● 1 filtro de entrada de aire ● 2 cilindros ● 2 válvulas de seguridad ● 1 depósito de aire comprimido ● 1 controlador automático de presión ● 1 descompresor ● 1 manómetro

Figura 1. Esquema del compresor

Procedimiento

Figura 2. Diagrama de flujo de “Cálculo de la eficiencia de un compresor” Análisis y discusión de resultados Tabla 1. Resultados obtenidos experimentalmente Propiedad

Inicio

Final

Tiempo (min)

0

15

Presión (psig)

14.7

70

Temperatura Tanque (°C)

22.7

28.3

Temperatura Pistón 1 (°C)

21.5

45

• • •

Temperatura Pistón 2 (°C)

20.8

53

Amperaje

0.14

2.41

Voltaje Volumen del Presión atmosférica

220 tanque Hermosillo

en

=227.15 = 1014

voltios L hPa

Primero calculamos las presiones absolutas, inicial y final, producidas por los pistones. 100 𝑃𝑎

1 𝑎𝑡𝑚

𝑃𝑎𝑡𝑛𝑏 = 1014 ℎ𝑃𝑎 ( 1 ℎ𝑃𝑎 ) ( 101325 𝑃𝑎) (

14.7 𝑃𝑠𝑖 1 𝑎𝑡𝑚

) = 14.710880 𝑝𝑠𝑖 (1)

𝑃1 = 14.7 𝑝𝑠𝑖𝑔 + 14.710880 𝑝𝑠𝑖 = 29.410880 𝑝𝑠𝑖𝑎 (2) 𝑃2 = 70 𝑝𝑠𝑖𝑔 + 14.710880 𝑝𝑠𝑖 = 84.710880 𝑝𝑠𝑖𝑎 (3) Relación de compresión total 𝑎=

𝑃2 𝑃1

=

84.710880 𝑝𝑠𝑖𝑎 29.410880 𝑝𝑠𝑖𝑎

= 2.88025651 (4)

Después tenemos que conocer la presión intermedia en el proceso que pasa del pistón 1 al pistón 2, calculándolo con la ecuación 5. 𝑃𝑖 = √𝑃1𝑃2 (5) 𝑃𝑖 = √(29.410880 𝑝𝑠𝑖𝑎)(84.710880 𝑝𝑠𝑖𝑎) = 49.9141425 𝑝𝑠𝑖𝑎 (6) Conociendo la presión intermedia procedemos a calcular los trabajos realizados por cada pistón, como indica la ecuación 7.

𝑊=

𝛾𝑅𝑇1 𝛾−1

𝑐𝑎𝑙

𝑊1 =

1.4(1.987 𝑔𝑚𝑜𝑙𝐾)(22.7°𝐶+273.15) 1.4−1 𝑐𝑎𝑙

𝑊2 =

1.4(1.987 𝑔𝑚𝑜𝑙𝐾)(22.7°𝐶+273.15) 1.4−1

𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =−335.664416

𝑐𝑎𝑙 𝑔𝑚𝑜𝑙

𝑃

[1 − ( 𝑃2 )

[1 − (

𝛾−1 𝛾

1

] (7)

49.9141425 1.4−1 29.410880

)

84.710880

[1 − ( 49.9141425)

1.4

1.4−1 1.4

𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =𝑊1 +𝑊2 (10) − 335.664416

𝑐𝑎𝑙

𝑔𝑚𝑜𝑙

] = −335.664416

𝑐𝑎𝑙 𝑔𝑚𝑜𝑙

(8)

𝑐𝑎𝑙

] = −335.664416 𝑔𝑚𝑜𝑙 (9)

𝑐𝑎𝑙

= −671.328833 𝑔𝑚𝑜𝑙 (11)

Ahora tenemos que calcular el número de moles en cada estado para calcular la potencia aprovechada del proceso.

𝑃𝑉

𝑛 = 𝑅𝑇 (12) 𝑛𝑖 =

14.7 𝑝𝑠𝑖𝑔(

1 𝑎𝑡𝑚 )(227.15 𝐿) 14,7 𝑝𝑠𝑖

𝑎𝑡𝑚𝐿

(0.08205 𝑚𝑜𝑙𝐾)(22.7°𝐶+273.15)

= 9.357559𝑔𝑚𝑜𝑙 (13)

1 𝑎𝑡𝑚

𝑛𝑓 =

70 𝑝𝑠𝑖𝑔(14,7 𝑝𝑠𝑖)(227.15 𝐿)

𝑎𝑡𝑚𝐿 )(28.3°𝐶+273.15) 𝑚𝑜𝑙𝐾

(0.08205

= 43.732023𝑔𝑚𝑜𝑙 (14)

Potencia aprovechada 𝑚=

𝑚=

𝑛𝑓 −𝑛𝑖

𝑡 43.732023𝑔𝑚𝑜𝑙−9.357559𝑔𝑚𝑜𝑙 60 𝑠 15𝑚𝑖𝑛( 1 𝑚𝑖𝑛)

(15) = 0.03819385

𝑐𝑎𝑙

𝑃𝑎 = 𝑊𝑚 = |(−671.328833 )(0.03819385 𝑔𝑚𝑜𝑙 𝑃𝑎 = 𝑊𝑚 = 25.6406322

𝑐𝑎𝑙 4.184 𝐽 ( ) 𝑠 1 𝑐𝑎𝑙

𝑔𝑚𝑜𝑙 )| 𝑠

𝑔𝑚𝑜𝑙 𝑠

(16)

= 25.6406322

𝑐𝑎𝑙 𝑠

(17)

= 108.692803 𝑊 (18)

Potencia proporcionada

𝑃𝑝 = √3(200𝑉)(

𝑃𝑝 = √3𝑉𝐼𝑓 0.14𝐴+2.41𝐴

(19)

)(0.86) = 417.822616 𝑊 (20)

2

Eficiencia 𝑁=

𝑃𝑎 𝑃𝑝

∗ 100% (21)

108.692803 𝑊

𝑁 = ( 417.822616 𝑊 ) ∗ 100% = 26.0141024% (22) Cuestionario 1. Investigar cuales son los compresores centrífugos, de chorro y de flujo radial.

alternativos,

rotativos,

Los compresores alternativos son los de uso más difundido y por su diseño, los compresores de aire de pistón producen altas presiones en volúmenes pequeños, y generalmente se utilizan para aplicaciones domésticas e industriales. Consta de uno o más cilindros con pistones accionados por un motor. El aire se aspira en el cilindro y se comprime, en una o más etapas, a la presión de trabajo. Después de la compresión, el aire comprimido pasa a través del refrigerador posterior y continúa hasta el depósito de aire

Figura 3. Compresor alternativo Un compresor rotativo es un dispositivo utilizado para mover un líquido a través de un sistema. Los compresores rotativos son utilizados para comprimir el aire, encender las bombas de vacío, mover líquido de la dirección dentro de un vehículo y muchos otros usos. A veces, varios compresores de paletas rotativas se combinan juntos en un compresor de etapas múltiples que puede crear más presión. Cuando una cuchilla rotativa gira más allá de la válvula de entrada, se crea un vacío. El líquido fluye fuera de la válvula detrás de él, llenando el vacío. A medida que se aproxima a la válvula de salida, reduce la cámara. Esto crea más presión sobre el líquido.

Figura 4. Compresor rotativo Un compresor centrífugo se caracteriza por su flujo de descarga radial, donde la energía cinética se transforma en energía de presión dentro del difusor. El aire se aspira al centro de un rodete giratorio con hojas radiales y las fuerzas centrífugas lo empujan hacia el perímetro del rodete. El movimiento radial del aire produce de manera simultánea un aumento de presión y genera energía cinética. Antes de dirigir el aire hacia el centro del rodete de la siguiente etapa del compresor, pasa a través de un difusor y una voluta donde la energía cinética se convierte en presión .

Figura 5. Compresor centrífugo Los compresores de chorro de vapor se emplean en la evaporación, destilación, refrigeración, cristalización, desodorización, desgasificación y secado al vacío. En el rango de presión positivo, los vapores de escape comprimidos se emplean para calentamiento (bomba de calor). Son máquinas cuyo trabajo se basa en la transmisión de energía por impacto de un chorro fluido a gran velocidad, contra otro fluido en movimiento o en reposo, para proporcionar una mezcla de fluido a una velocidad moderadamente elevada, que luego disminuye hasta obtener una presión final mayor que la inicial del fluido de menor velocidad.

Figura 6. Compresor de chorro de vapor En un compresor de flujo radial el aire se aspira al centro de un rodete giratorio con hojas radiales y las fuerzas centrífugas lo empujan hacia el perímetro del rodete. El movimiento radial del aire produce de manera simultánea un aumento de presión y genera energía cinética. Antes de dirigir el aire hacia el centro del rodete de la siguiente etapa del compresor, pasa a través de un difusor y una voluta donde la energía cinética se convierte en presión.

Figura 7. Compresor de flujo radial 2. Utilizando termopares mida las temperaturas a la entrada y salida de los pistones y explique, con fundamentos, ¿qué clase de proceso es realmente? Dado a los resultados que obtuvimos y a los cálculos empleados podemos decir que el proceso que se tiene aquí es un proceso adiabático, donde observamos y esperamos que haya cambio de temperatura 3. Utilizando el aire comprimido dentro del tanque recibidor, proponga un método para encontrar la eficiencia de expansión de la válvula de descarga. Considerando que la expansión ocurre en un proceso isotérmico, debido a que el gas comprimido solo sufrirá un aumento de volumen y disminución de presión. Si la válvula no funciona correctamente habrá pérdida de calor, por consiguiente, una diferencia de temperaturas; podemos medir esta diferencia de temperaturas con un dispositivo y calcular el trabajo real realizado por la válvula y compararlo con el trabajo ideal de un proceso totalmente isotérmico. 4. Determinar si se tiene un compresor eficiente. Para comparar la eficiencia del compresor utilizado en la práctica fue consultado el catálogo “ALMIG Compressor Systems”, el cual cuenta con un compresor similar a éste. Dicho compresor se muestra en la Figura 8

Figura 8. Compresor de pistón de “ALMIG Compressor Systems”

El compresor anterior posee una potencia máxima de 15 kW y mínima de 11 kW con una eficiencia de aprox. del 65%. El compresor utilizado en la práctica tiene una eficiencia del 26%, un poco más de ⅓ de la eficiencia del compresor comercial. Con esto concluimos que el compresor utilizado tiene muy baja eficiencia, en comparación a modelos similares que pueden encontrarse en el mercado. Conclusiones y observaciones La práctica llevada a cabo nos permitió el utilizar expresiones y procedimientos termodinámicos utilizados en la teoría para calcular datos como las presiones, trabajo y la eficiencia en base a datos experimentales obtenidos en la práctica refiriéndose a una situación real, por lo que pudimos lograr satisfactoriamente los objetivos planteados al inicio de esta práctica. Podemos concluir que la eficiencia resultada de 26.01 % es adecuada para un proceso específico de rango menor, pero puede llegar a ser insuficiente cuando se trate de procesos de mayor índole y exigencia; se piensa que esto se debe a posibles pérdidas de energía por calentamiento debido a la fricción y las pérdidas de las válvulas (caídas de presión en las válvulas). En este caso se tomó correctamente la presión atmosférica real, temperaturas finales que obedezcan las leyes de la termodinámica evitando así obtener un trabajo menor aprovechado y afectar directamente la eficiencia del compresor por lo que se descarta en estas afectaciones. Englobando lo puesto en práctica durante lo realizado anteriormente, logramos un resultado satisfactorio para los objetivos planteado en donde retomamos conceptos como presiones absolutas y nanométricas, relación de compresión, potencia aprovechada y por supuesto la eficiencia principalmente para conocer qué tan factible es el uso de nuestro compresor utilizado en esta práctica.

Bibliografía 1. Atlas Copco (s.f). Compresores dinámicos: compresores centrífugos y axiales. https://www.atlascopco.com/esRecuperado de: mx/compressors/wiki/compressed-air-articles/dynamiccompressors#:~:text=Un%20compresor%20centr%C3%ADfugo%20se%20ca racteriza,presi%C3%B3n%20y%20genera%20energ%C3%ADa%20cin%C3 %A9tica. 2. ALMIG Compressor Systems (s.f.). Compresor de pistón. Recuperado de: https://www.directindustry.es/prod/almig-kompressoren-gmbh/product-50218450477.html 3. Faires, V.M. & Simmang, C.M. (1983). Termodinámica (6ta ed.). Barcelona: UTEHA. 4. Gea (s.f.). Compresor de inyección de vapor. Recuperado de: https://www.gea.com/es/products/pumps-valves-flow-components/jetpumps/steam-jet-type-bv1.jsp

5. Luszczewsk, A. (2004).Redes industriales de tubería, bombas para agua,

ventiladores

y

compresores.

España:

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