Lab FINAL N°8 Compresores

download Lab FINAL N°8 Compresores

of 29

Transcript of Lab FINAL N°8 Compresores

  • UNIVERSIDAD TCNICA FEDERICO SANTA MARA DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA Y AMBIENTAL

    MECNICA DE FLUIDOS 2012

    Experiencia N8

    Compresores Segundo Semestre 2012

    Profesor:

    Adrin Rojo

    Ay. Laboratorio:

    Luis Magnata

    Bloque:

    Mircoles 16:20-17:00

    Integrantes:

    Nathalia Arismendi

    Diego Arteaga

    Ignacio Droguett

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 1

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    1. Resumen Ejecutivo

    En el presente informe se dar a conocer los resultados y anlisis de la experiencia de

    laboratorio, en esta se utilizan compresores los cuales entregan energa a los fluidos

    compresibles, generando su desplazamiento y variaciones en la presin del estanque

    pulmn. En el laboratorio se midi el tiempo de llenado del estanque pulmn, tambin el

    tiempo de descarga y caudal de salida. Utilizando estos valores y la informacin entregada

    por el fabricante del compresor, se puede obtener el tiempo de llenado terico, el trabajo

    real de compresin, el mximo trabajo que soporta el fluido considerando un caso

    isoentrpico, el trabajo en condicin isotrmica y la eficiencia mecnica.

    Tambin se obtuvieron graficas de presin versus tiempo, para la situacin de llenado y

    vaciado, comparando los resultados experimentales con los anlisis tericos.

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 2

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    2. Introduccin y Teora

    En la mayora de los procesos que se desarrollan en la industria es de vital importancia el

    transporte de fluidos de un equipo a otro y para transportarlos es necesario someterlos a

    diferencias de presin que incentiven su movimiento, en el caso de los gases se utilizan los

    compresores, es por esto que es de suma importancia conocer como funcionan, operan y la

    misin que tienen en la industria.

    Un compresor es una maquina que eleva la presin de un gas, vapor o una mezcla de gases

    o vapores reduciendo el volumen del mismo durante el proceso, a diferencia de los

    compresores los ventiladores y sopladores se utilizan para bajas presiones.

    En cualquier proceso de compresin la relacin entre la presin y el volumen es

    Y el trabajo se define mediante

    donde este valor aumentara a medida que

    aumenta el valor de n, para el caso en que n=1 se tiene el mnimo trabajo que corresponde a

    la compresin ideal isotrmica (ver figura 1).

    Figura 1. Curvas de compresin politrpica.

    En la realidad los procesos de compresin se asemejan mas al proceso adiabtico, pero

    mediante compresores multietapas y refrigeracin la potencia necesaria y por ende la

    energa total consumida va disminuyendo sustancialmente debido a que la descarga de una

    etapa sirve de succin en la siguiente haciendo que la compresin se asemeje a la del caso

    isotrmico.

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 3

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    3. Objetivos

    Comprender tanto los fundamentos tericos, como el funcionamiento de un

    compresor.

    Ser capaza de seleccionar el equipo adecuado para las especificaciones requeridas.

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 4

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    4. Datos experimentales

    Tabla I. Datos registrados en el laboratorio, llenado de estanque pulmn.

    Presin[bar] Tiempo

    0 0

    1 10,24[s]

    2 19,08[s]

    3 28,50[s]

    4 38,19[s]

    5 50,30[s]

    6 1,02[min]

    7 1,14[min]

    7,5 1,25[min]

    Tabla II. Datos registrados en el laboratorio, descarga de estanque pulmn.

    Presin [bar] Tiempo Caudal [lpm]

    7 0[s] 110

    6 9,17[s] 100

    5 22,39[s] 90

    4 39,17[s] 80

    3 1,01[min] 65

    2 1,32[min] 50

    1 2,14[min] 30

    0 3,08[min] 0

    Informacin Compresor

    -Potencia: 1,1 [kW]

    -RPM: 2800 [rpm]

    -Volumen: 24 [L]

    -Presin de corte: 8 [bar]

    -Voltaje 230 [V]

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 5

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    5. Materiales y mtodos

    - Materiales

    Tabla III. Materiales e implementos utilizados en la experiencia.

    Estanque de Pulmn

    (parte Verde)

    Compresor

    (Parte Negra)

    Rotmetro

    Manmetro de Bourdon

    Cronometro

    - Mtodo

    Una vez verificado que la vlvula de salida de aire esta cerrada, se enciende el compresor y

    se mide el tiempo con un cronometro digital, para presiones entre 0 y 7,5 [bar] hasta el

    llenado del estanque de pulmn, una vez finalizado se comprueba que el pistn este

    apagado y se abre la vlvula de salida, determinando el tiempo y caudales, mediante

    rotmetro, para presiones entre 7,5 y 0 [bar] durante la descarga del estanque de pulmn.

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 6

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    Preguntas Conceptuales

    1) Realice una descripcin para los siguientes equipos:

    Sopladores

    Ventiladores

    Compresores

    En esta pregunta se busca una descripcin global del equipo, criterios de utilizacin,

    rangos de eficiencia junto con correlaciones que permitan calcular la potencia

    desarrollada especificando cada trmino utilizado. Adems se debe incluir al menos

    dos ejemplos industriales para cada una.

    Soplador

    Descripcin general: Son maquinas de desplazamiento positivo que funcionan a volumen

    constante (solo cambia con modificacin de la velocidad) con presiones de descarga variable.

    Ejemplos industriales: Soplador rotatorio positivo ( industria de la harina), soplador rotatorio

    de las races ( industria del automvil para aumentar caballos de fuerza, soplador rotatorio de

    lbulo (plantas de tratamiento de agua)

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 7

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    Criterios de utilizacin:

    - P aproximadamente 35 psi

    - tipo centrifugo de flujo radial

    Potencia desarrollada: [-]

    Rangos de eficiencia: Es funcin

    de su diseo y del punto de

    operacin de la curva (Presin vs

    Caudal). Si aumenta la velocidad

    la curva de ventilacin cambia

    aumentando o disminuyendo el

    punto de operacin

    Ventilador

    Descripcin general: Se clasifican como tipo centrfugo o axial. Se utilizan para hacer circular

    aire en un espacio, para traer o liberar aire a este o para movilizar aire por un ducto en sistemas

    de calefaccin, ventilacin o aire acondicionado.

    Ejemplos industriales: Suministro de aire a hornos y calderas (industria del petrleo),

    suministro de aire para desecacin (alimentacin), transporte de material suspendido en

    corrientes de gas.

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 8

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    Criterios de utilizacin:

    -Bajas presiones ( P

    aproximadamente 0,5 psi)

    -Altos caudales

    Potencia desarrollada:

    Donde:

    Q: volumen de fluido[m3/h]

    P: presin de operacin (suma

    presin esttica y la carga de

    velocidad que sale del

    ventilador )[cm de agua]

    Rangos de eficiencia: Es funcin

    de su diseo y del punto de

    operacin de la curva (Presin vs

    Caudal). Si aumenta la velocidad la

    curva de ventilacin cambia

    aumentando o disminuyendo el

    punto de operacin

    En general la eficiencia varia entre

    40% a 70%.

    Compresor

    Descripcin general: Aparato mecnico que incrementa la presin de un gas por medio de la

    reduccin de su volumen, su accin es presurizar y transportar fluidos (compresibles).

    Los compresores pueden ser de desplazamiento positivo (recprocos o rotativos) y dinmicos

    (centrfugos o axiales). Las unidades motrices de un compresor son turbinas de vapor, turbinas

    de gas o motores elctricos.

    Un compresor puede ser utilizado en etapa simple o mltiple con refrigeracin intermedia o sin

    ella dependiendo el uso que se le quiera dar.

    Ejemplos industriales: impulsor de lnea (industria gas natural), abastecimiento de aire u

    oxigeno en hornos (industria de acero y hierro), compresor de gas en proceso (industria

    qumica) etc.

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 9

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    Criterios de utilizacin:

    -Altas presiones (desde 3,447

    KPa hasta varios centenares de

    KPa.

    -Bajos caudales

    Potencia desarrollada:

    Donde :

    IHP: potencia indicada

    BHP: potencia de freno

    FHP: potencia consumida por

    friccin

    Rangos de eficiencia:

    La eficiencia se define como la

    razn entre el trabajo entregado

    ( ) al fluido y el trabajo de eje o

    mecnico ( ).Tambin puede

    relacionar la potencia indicada

    (IHP) y la potencia de freno (BHP)

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 10

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    2) Refirase al ciclo de compresin. Esquematice y mencione las etapas del proceso.

    Qu representa el rea encerrada?

    El ciclo de compresin se puede representar a travs del siguiente grafico de Presin v/s

    Volumen, el cual contiene las diferentes etapas de un proceso de compresin y el trabajo

    que realiza el compresor sobre un fluido por ciclo al que es expuesto. Este nmero de ciclos

    por unidad de tiempo es expresado mediante el RPM, RPS, etc. que indique el compresor.

    (a) (b)

    Figura N2 Ciclo de compresin ideal (a) Con volumen muerto (b) Sin volumen muerto

    De esta manera para un ciclo ideal, se describen las siguientes etapas, considerando el caso

    (a):

    Admisin del gas al cilindro, a presin P1

    Compresin del gas, a presin P2 Descarga del gas, a presin P2

    Expansin del Volumen muerto (V4)

    Para el caso (b) cuando no se considera el volumen muerto, la descarga es total, por lo que

    en la ltima etapa se produce una disminucin de la presin del sistema. Como en la

    realidad la admision y descarga en cada ciclo esta regulado por valvulas, existen pequeas

    variaciones de presion en el ciclo de compresin real, dado las perdidas por friccion que

    estas provocan.

    El area encerrada representa el trabajo que el fluido requiere sobre l para el proceso de

    compresion, en el cual mediante la relacion de la presion absoluta P y el volumen V se

    expresa la cantidad de trabajo requerido atraves de la siguiente formula:

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 11

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    3) En base a la teora de compresin. bajo qu condiciones resulta conveniente

    realizar la compresin? Cul es la condicin que se acerca ms a la realidad?

    Adjunte correlaciones que le permitan calcular el trabajo realizado y la eficiencia

    en los distintos procesos.

    Considerando la teora de compresin la cual seala que para cualquier proceso continuo de

    compresin la relacin existente entre la presin absoluta P y el volumen V se expresa

    segn:

    Adems del grfico de presin versus volumen, cada valor que adopta n se conoce como la

    curva poli trpica, para obtener el trabajo realizado en la compresin desde hasta se

    utiliza la siguiente expresin:

    Por lo tanto cuando n adopta el valor 1, correspondiente al caso isotrmico, se considera el

    menor consumo de energa y resulta ms conveniente realizar la compresin. Sin embargo

    el caso que ms se asemeja a la realidad corresponde a un proceso isoentrpico.

    Para un proceso isotrmico la expresin del trabajo se expresa segn:

    (

    )

    Para un proceso isoentrpico la expresin del trabajo se expresa segn:

    [(

    )

    ]

    Adems se puede obtener ecuaciones para la eficiencia isotrmica e isotrpica,

    respectivamente:

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 12

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    Donde representa el trabajo efectivamente entregado al fluido (trabajo indicado),

    corresponde al trabajo en el proceso isotrmico y seala el trabajo en proceso

    isoentropico.

    4) Defina los siguientes trminos:

    Desplazamiento volumtrico

    Corresponde a la cantidad de fluido que el compresor es capaz de comprimir en cada etapa

    de revolucin o ciclo, normalmente se expresa en unidades de volumen por revolucin. A

    partir de la figura se obtiene como:

    Figura 3. Ciclo de compresin ideal con volumen muerto.

    Volumen Muerto

    Corresponde al volumen residual entre el pistn y el fondo del cilindro del compresor (en

    el cual estn las vlvulas), este volumen se debe a que el pistn no puede llegar hasta el

    final del cilindro ya que se generaran daos por el contacto con las lumbreras de las

    vlvulas. Esquemticamente se representa segn:

    Figura 4. Caracterstica de compresin con volumen muerto.

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 13

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    Claridad

    Corresponde la razn entre el volumen muerto y el desplazamiento volumtrico:

    Segn los parmetros de la figura 3, se obtiene la expresin:

    Capacidad

    Corresponde a lo que realmente se desplaza en las condiciones de succin, segn los

    parmetros de la figura 3, se obtiene la expresin:

    Eficiencia Volumtrica

    Se define como la razn entre la capacidad y el desplazamiento volumtrico:

    Segn los parmetros de la figura 3, se obtiene la expresin:

    (

    )

    ( )

    Razn de Compresin

    Corresponde a la relacin entre la presin de descarga ( ) y la presin de admisin ( ), se

    expresa segn:

    Eficiencia Mecnica

    Corresponde a la razn entre el trabajo que es entregado de manera efectiva al fluido, se le

    denomina trabajo indicado y el trabajo de eje o mecnico. Se expresa segn:

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 14

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    En algunos casos se emplea la relacin entre la potencia indicada (IHP) y la potencia al

    freno (BHP), segn:

    Eficiencia Global

    Se entiende como el rendimiento total o global del compresor, se distinguen dos casos:

    Condicin Isotrmica:

    Condicin Isoentrpica, reversible:

    5) Mencione los criterios ms importantes a considerar para la eleccin de un

    compresor.

    Los criterios de eleccin de un compresor se realizan sobre la base del caudal a suministrar

    y la presin de trabajo, normalmente se clasifican por tamaos en diferentes categoras. Los

    criterios ms distinguidos son:

    El rango de tamaos y su capacidad, ya sean pequeos con caudal de hasta 40 litros

    por segundo y una potencia de alrededor de 15kW, de clasificacin mediano con

    caudales entre 40 y 300 litros por segundo con potencia de entrada entre 15 y 100kW,

    o de clasificacin grandes con rangos ms altos de los ya mencionados.

    Requerimientos para la carga parcial, para poder implementarlo en periodos extensos.

    Condiciones de refrigeracin y enfriamiento.

    Eficiencia mecnica y volumtrica.

    Otros factores importantes son es el rendimiento energtico, el ruido de la instalacin,

    los requisitos de mantenimiento y reposicin.

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 15

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    6) Refirase a la compresin multietapas. Cuando se utilizan? Cul es su

    finalidad? Qu ocurre cuando se realizan refrigeraciones intermedias entre cada

    etapa? Qu es la presin intermedia ptima? Cmo se calcula? Adjunte una

    correlacin que le permita obtener la potencia adiabtica de un compresor

    multietapas especificando lo que significa cada trmino.

    Un compresor reciproco de una sola etapa se utiliza cuando la razn descompresin es

    inferior a 5 por lo tanto la compresin multietapas se utiliza para razones de compresin

    mayor debido a que la descarga de una etapa le sirve de succin a la siguiente

    disminuyendo considerablemente la energa necesaria para tales magnitudes de compresin

    y ayudando a su eventual ahorro (se aproxima al caso ideal isotrmico).

    La utilizacin de refrigeracin en etapas intermedias del proceso ayuda a enfriar

    parcialmente el gas comprimido hasta la temperatura deseada reduciendo la potencia

    necesaria en la compresin.

    La presin optima es aquella en que el trabajo total es mnimo, se utiliza debido a que si en

    un proceso la temperatura y presin de succin estn predeterminadas y adems la presin

    de descarga es un requerimiento de servicio entonces la nica variable modificable ser la

    presin intermedia la cual se obtiene derivando e igualando a cero la expresin del trabajo

    total dada por:

    ( ) ((

    )

    )

    ( ) ((

    )

    )

    Con la cual se obtiene el valor para presin intermedia optima P1:

    La potencia de un compresor se define mediante la multiplicacin de la carga adiabtica por

    el trabajo adiabtico donde:

    Carga adiabtica:

    (

    )

    As la potencia adiabtica en unidades SI queda definida mediante:

    (

    )

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 16

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    Donde

    -potencia [W]

    -W: flujo de masa [kg/s]

    -R: constante de los gases

    Al ser compresin adiabtica multietapas la formula de potencia puede simplificarse aun

    mas suponiendo que el modelo se acerca a uno isotrmico.

    (

    )

    7) En una planta de cido ntrico se desean comprimir 250 [m3/min] de aire desde

    103,42 [Kpa] abs. Hasta 1176,8 [KPa]. Evale cuales son los posibles tipos de

    compresores que podra utilizar. Obtenga la potencia isentrpica requerida en el

    caso de solo una etapa de compresin. Suponga ahora que utiliza un compresor de

    dos etapas, el cual incluye un inter-enfriador que lleva el aire a la temperatura

    inicial. Calcule la potencia ideal mnima. En base a un criterio de costo

    operacional, y considerando que el gasto que genera intercambiador del calor es

    despreciable con relacin al consumo de los compresores qu alternativa resulta

    ms rentable? Cunto calor retira el intercambiador de calor? Para una

    eficiencia del 78% Qu potencia de salida es necesaria en el motor utilizado?

    Datos:

    Cp (aire) = 1,0062 [KJ/Kg K]

    K = 1,4

    R = 8,313 [kJ/Kgmol K]

    Para resolver este problema es necesario darse una base de calculo, que para este caso se

    considerara de 1 minuto, por lo que tenemos lo siguiente datos

    Caudal de aire= V1=250[m3/min]

    P1=103,42[KPa]

    P2=1176,8[KPa]

    Considerando una etapa

    ((

    )

    )

    ((

    )

    )

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 17

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    ((

    )

    )

    [

    ]

    Dos etapas caso isentrpico ideal:

    ((

    )

    )

    ((

    )

    )

    ((

    )

    )

    [

    ]

    Si consideremos que los compresores en las plantas correspondientes se utilizaran durante

    un periodo de tiempo largo, se considerara que la opcin ms viable para el ciclo de

    compresin es en dos etapas porque:

    1) Este consume un 17,2% de menos de energa, lo que implica un menor costo

    operacional y si consideramos que la instalacin se usar por un largo periodo, el

    ahorro de energa compensa el mayor gasto en equipo debido al calefactor y el

    segundo compresor.

    2) Aun cuando el equipo de compresin, ocupe mas espacio y tenga mayores costos

    de inversin, se vera compensado en la prolongacin y reduccin en los costos de

    mantencin, ya que al utilizar el ciclo con una sola etapa, la razn de compresin

    ser de 11,37, y no se disean ni venden compresores de un precio conveniente que

    resistan tales condiciones, adems se desgastara mas rpido, en cambio en un ciclo

    de dos etapas la razn de compresin ser de 3,37, lo que se considera un rango

    viable de trabajo, permitiendo mayor disponibilidad de escoger equipos.

    Calor retirado por el intercambiador de calor

    ( )

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 18

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    Con T1 = T3 porque el intercambiador, devuelve el aire a su temperatura inicial.

    Como el compresor utiliza el aire del entorno, la T0 del aire es la del ambiente, por lo que

    T1 = 25C =298,15K, T2 se obtiene de una compresin isoentropica, mediante:

    (

    )

    (

    )

    [

    ]

    [

    ]

    [

    ]

    [

    ]

    Remplazando en la ecuacin anterior tenemos:

    ( )

    [

    ] [

    ] ( )

    [

    ]

    Para una eficiencia del 78%, en el proceso de dos etapas, la potencia de salida del motor a

    utilizar es de:

    En caso de inconvenientes es recomendable tener como mnimo un motor con un 20% ms

    de potencia.

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 19

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    Desarrollo del Informe

    1) Determine el tiempo de llenado terico del estanque suponiendo una claridad del 7,5 %. Contraste con el valor terico y comente.

    Datos

    Presin de admisin: 1 [atm],

    Temperatura 20C

    Adiabtico K=1,4

    P1 = 0 [bar] (Manomtrica) = 1,0 [bar] (Absoluta)

    P2 = 7,5 [bar] (Manomtrica) = 8,5 [bar] (Absoluta)

    Presin de corte: 8 [bar]

    Volumen estanque pulmn 24 [L]

    RPM: 2800

    pistn = 4,0 [cm], L = 7 [cm]

    Balance de materia dentro del estanque pulmn

    Mout = 0

    Min = VadmitidoRPM

    v = Vadmitido/Vdesplazado = 1+C-Cr(1/k)

    r= P2/P1

    As Min queda expresado en trminos conocidos segn la siguiente ecuacin

    ( (

    )

    )

    ( )

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 20

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    ( (

    )

    )

    Igualando ambas expresiones e integrando se obtiene:

    Calculando el % Error:

    | |

    Este error se puede deber a que la claridad ocupada es supuesta y no representa

    necesariamente a la experimental, tambin se supuso que se estaba trabajando con un gas

    ideal y a temperatura siempre constante, adems de los errores cometidos por el observador

    al medir el tiempo experimental de llenado.

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 21

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    2) Calcule el trabajo real de compresin.

    Para calcular el trabajo real se requiere de la siguiente relacin:

    ( )

    Como se trata de un trabajo de compresin, el signo del trabajo debe ser negativo, por lo

    tanto finalmente se obtiene:

    3) Determine el mximo trabajo que puede recibir el fluido. Utilice el diagrama temperatura entalpa para el aire, caso isotrpico.

    Para nuestro caso, la temperatura del sistema es de 20[C], lo que equivale a 68[F]

    529,67 [R]

    Para un sistema isentrpico, se tiene que

    Por lo tanto el trabajo es equivalente a:

    Mediante el Diagrama adjunto se obtuvo:

    [

    ] [

    ] [

    ]

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 22

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    Diagrama temperatura - entalpa para el aire

    Se conocen las siguientes equivalencias:

    Para luego:

    [

    ] [

    ] [

    ]

    [

    ]

    De esta manera para calcular el trabajo en [KJ] es necesario obtener la masa del sistema ,

    mediante la ya conocida, Ley de los gases ideales

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 23

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    [ ]

    [

    ]

    Obteniendo de esta manera como resultado final que el trabajo isoentrpico corresponde a:

    [

    ]

    Comparando con el valor real se obtiene el siguiente % Error:

    | |

    | |

    | |

    | |

    4) Considere el caso isotrmico, en condiciones ideales. Calcule el trabajo asociado a esta condicin. Cul se asemeja ms a la realidad? Comente.

    Para el caso Isotrmico se tiene que:

    (

    )

    [

    ]

    [

    ] (

    )

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 24

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    [

    ]

    [

    ]

    Calculando del % Error:

    | |

    | |

    | |

    | |

    El porcentaje de error nos indica que el valor del trabajo obtenido para el sistema

    Isotrmico, se aleja mas de la realidad en comparacin con el trabajo en un sistema

    Isontrpico, ya que con el caso de trabajo Isotrmico, se trabaja con las condiciones ideales,

    siendo de esta manera un factor determinante al realizar comparaciones con respecto al

    valor real.

    5) Determine la eficiencia mecnica del compresor.

    Utilizando la expresin obtenida en la pregunta N2, donde se calcula el trabajo real de

    compresin:

    ( )

    Se puede deducir la eficiencia mecnica del compresor, para cada situacin segn:

    Eficiencia Isotrmica:

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 25

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    Eficiencia Isoentrpico:

    6) Grafique la curva presin vs tiempo tanto para el llenado como para la descarga del estanque pulmn. Cmo esperara que fuesen estas curvas? Comente.

    Con los datos obtenidos experimentalmente para el llenado del estanque pulmn se puede

    obtener el siguiente grfico:

    Figura 5. Grfico de presin versus tiempo, para el llenado del estanque.

    Considerando que el fluido utilizado aire se comporta segn la ley de los gases ideales:

    En el llenado del estanque pulmn, aumenta el nmero de moles de aire que se incorporan

    al recipiente, debido a esto existe un incremento en la presin dentro de este. Manteniendo

    el volumen del estanque (ya que es un material rgido), R corresponde a la constante de los

    gases y la temperatura no vara considerablemente en el laboratorio, entonces se cumple:

    ( )

    ( )

    Donde ( )

    corresponde a la variacin de moles con respecto al tiempo, siendo constante

    ya que es la entregada por el compresor, entonces se obtiene:

    ( )

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    0 20 40 60 80 100

    Pre

    si

    n[b

    ar]

    Tiempo [S]

    LLenado del estanque pulmn

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 26

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    Por lo tanto existe una relacin lineal entre la presin y el tiempo de llenado, por lo que la

    curva cumple segn lo estipulado.

    Para el vaciado se obtiene:

    Figura 6. Grfico de presin versus tiempo, para el vaciado del estanque.

    En esta situacin se considera que la salida de aire desde el estanque no es constante, ya

    que existe una diferencia de presin entre el estanque y la atmosfera, por lo tanto a medida

    que se van igualando estas presiones, la salida es cada vez ms pausada. Entonces se tiene:

    Pero la variacin de moles ya no es constante:

    ( )

    ( )

    Por lo tanto la curva est de acuerdo a lo estipulado tericamente y vara en forma

    exponencial.

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    0 50 100 150 200

    Pre

    si

    n[b

    ar]

    Tiempo[s]

    Vaciado del estanque pulmn

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 27

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    6. Conclusiones y recomendaciones

    De manera general se puede concluir que para comprender el funcionamiento de un

    compresor, es necesario tener presente las caractersticas de cada etapa en el ciclo de

    compresin, de esta manera para establecer una comparacin entre los trabajos

    experimentales, tanto Isontrpico e Isotrmico, siendo necesario medir para determinadas

    presiones el tiempo de llenado del estanque pulmn, factor relevante para obtencin de los

    resultados.

    De esta manera para el clculo del trabajo real del compresor fue necesario calcular el

    tiempo terico, el que se obtuvo utilizando una claridad del 7,5 %, dicho valor no

    representa necesariamente el experimental, y se supone adems leyes de idealidad de los

    gases, presentando un error de 64,7%.

    Es por esto que como resultado obtuvimos que el trabajo realizado isotrpicamente se

    acerca mas al trabajo real, con un porcentaje de error del 57,39%, en cambio para el trabajo

    Isotrmico un 44,19%. Lo cual es acorde con la teora puesto que en un sistema Isotrmico

    es el caso con mayor ahorro de energa, por lo tanto el mas eficiente, atribuyndose a la

    eficiencia de los compresores multietapas.

    Considerando los grficos obtenidos de presin versus tiempo, se concluye que para el

    llenado del estanque de pulmn existe una relacin lineal entre estos, en cambio para el

    vaciado del estanque la relacin existente es de forma exponencial, esto se debe a que la

    salida del aire no es constante.

    Se deduce entonces que los errores obtenidos son atribuidos mayoritariamente por las malas

    mediciones efectuadas por el observador del tiempo tanto de llenado, como vaciado del

    estanque de pulmn. Como recomendacin se sugiere la incorporacin de un sistema

    sofisticado para la toma de tiempos, adems de un sensor de temperatura para obtener

    resultados ms exactos y finalmente la incorporacin del grafico a utilizar para el calculo de

    entropas y entalpias para la posterior obtencin del trabajo del equipo a estudiar.

  • Experiencia N8, Compresores Pgina 28

    Universidad Tcnica Federico Santa Mara

    Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental

    Laboratorio de Mecnica de Fluidos 2S-2012

    7. Referencias

    Apuntes del Ramo

    - http://www.ramos.utfsm.cl/

    Criterios de seleccin

    - Instalaciones neumticas, Salvador de las Heras Jimnez, editorial UOC, primera edicin.

    Diagrama Temperatura Entropa para el aire

    - Landsbaum, dadds, Stevens .Inst Chem.Eng.J