informe de compresores

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UNIVERSIDAD DE ORIENTE

NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI

ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS

DEPARTAMENTO DE MECÁNICA

LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA IV (061-5161)

COMPRESOR CENTRÍFUGO

Realizado por: Revisado por:

Br. Frank Medina C.I:18765418 Secc: 22 Prof. Yordi Gonzalez

Br. Héctor Olivero C.I:17435196 Secc: 22

Br. Juan Casanova C.I:17435196 Secc: 22

Barcelona, Julio del 2011.



RESUMEN

En la presente se evaluó el comportamiento de un compresor centrífugo Armfield

FM12, mediante la observación de sus componentes y la obtención de sus curvas

operacionales. Para ello se dispuso de un banco de prueba el cual estaba constituido por

sensores de velocidad, presión y temperaturas los cuales estaban acoplados al

computador el cual registraba los datos en el software Lab View 8.2. En el desarrollo de

la práctica se procedió a variar el caudal cada (5) segundos, mediante la obstrucción de

la tubería de descarga se observo la variación de las principales variables tales como

velocidad, la caída de presión en la placa de orificio. Luego de obtenidos dichos valores

se graficaron la curva del sistema así como la del compresor. No fue posible obtener el

punto de operación del equipo debido a que el número de muestras es muy pequeño.



1. INTRODUCCIÓN

Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y

desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los

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.

Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a

diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas,

ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y,

generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores,

los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad otemperatura de manera considerable.

Dentro de los compresores más utilizados se encuentra el compresor centrifugo

comprime el gas aplicándole fuerzas de inercia (aceleración, deceleración, cambios de

dirección) mediante el uso de impulsores con álabes. El gas entra por el ojo del impulsor

en dirección axial, luego el flujo es cambiado hacia la dirección radial y acelerado hacia

la periferia a medida que se mueve a través del impulsor, luego sale del impulsor y entra

en un difusor.

Los compresores centrífugos se usan industrialmente por varias razones: tienen

menos componentes a fricción, también relativamente eficientes, y proporcionan un

caudal mayor que los compresores reciprocantes (o de desplazamiento positivo) de

tamaño similar. El mayor inconveniente es que no llegan a la relación de compresión

típica de los compresores alternativos, a menos que se encadenen varios en serie. Los

ventiladores centrífugos son especialmente adecuados para aplicaciones donde se

requiere un trabajo continuo, como el caso de sistemas de ventilación, unidades de

refrigeración, y otras que requieran mover grandes volúmenes de aire aumentando su

presión mínimamente.

La práctica que se presenta a continuación reúne una variedad de información

correspondiente a las características funcionales de un compresor centrifugo modelo

ARMFIELD FM12, LA cual es de suma importancia para obtener la curva del equipo y



del sistema y consecuentemente encontrar el punto de operación del compresor

centrifugo que nos indica cuales son las condiciones de operación más favorable para el

funcionamiento de dicho equipo.



2. OBJETIVOS

Objetivo General

Evaluar el funcionamiento de un compresor centrífugo mediante la observación de sus

componentes y la obtención de sus curvas operacionales.

Objetivos Específicos

1. Identificar los componentes y el principio de funcionamiento del banco de

prueba a utilizar.

2. Determinar el rendimiento a velocidad constante, en términos de presión total,

velocidad del rotor y potencia de entrada del motor, como función del caudal de

entrada.

3. Obtener la curva característica del compresor.4. Construir la curva característica del sistema compresor.

5. Determinar el punto de operación del compresor.



3. MARCO TEÓRICO

3.1 COMPRESORES CENTRIFUGOS

El compresor centrífugo es una turbomáquina que consiste en un rotor que gira dentro

de una carcasa provista de aberturas para el ingreso y egreso del fluido. El rotor es elelemento que convierte la energía mecánica del eje en cantidad de movimiento y por

tanto energía cinética del fluido. En la carcasa se encuentra incorporado el elemento que

convierte la EC en energía potencial de presión (el difusor) completando así la escala de

conversión de energía.

Figura 3.1. Compresor centrifugo

3.2 Componentes principales de los compresores centrífugos

Las características generales de los compresores centrífugos son similares en cuanto a

componentes. Las diferencias particulares dependen del tipo de compresor, aplicación y

detalles de fabricantes.

a) Carcasa: las carcasas de los compresores pueden ser del tipo dividido o partido,

horizontal o verticalmente, con respecto al eje. Para el mantenimiento, es más fácil elacceso al rotor con la carcasa dividida horizontalmente que con la que lo está en forma

vertical. Sin embargo, la del tipo horizontal tiene capacidad limitada de presión debido a

la gran superficie de sellado en la unión. Cuando se utiliza carcasa dividida en sentido

vertical, se debe dejar espacio para sacar la carcasa interna y el rotor. La selección del

material para las carcasas y rotores depende del gas que se comprima.



b) Diafragma: es una pieza que incluye los difusores donde se convierte la energía

cinética de salida del gas del impulsor en presión estática y un canal de retorno para

dirigir el flujo hacia la succión de la etapa siguiente. Tanto el difusor como los canales

de retorno se diseñan con precisión para optimizar el pasaje del flujo en cada etapa ylograr un amplio rango operativo.

c) Rotor: es el conjunto formado, principalmente, por los impulsores, camisas y

pistón de balance, que se suelen fijar mediante interferencia con el eje. Los rotores están

diseñados y construidos para impedir una inclinación del impulsor o flexión del eje

durante la operación, mientras mantienen una suficiente holgura de ajuste para una

operación a alta velocidad.

d) Impulsor: está formado por dos partes , el inductor, que es la parte por donde

entra el gas, tiene forma con curvatura hacia la dirección del movimiento y el impulsor

propiamente dicho que es donde se transfiere energía al gas.

e) Cojinetes: los cojinetes lubricados se utilizan para reducir las pérdidas por

fricción. En los compresores se utilizan dos tipos de cojinetes, los cojinetes radiales que

soportan las fuerzas debidas al torque y al peso y los cojinetes de empuje que absorben

las fuerzas axiales del rotor.

f) Sellos: se emplean para evitar fugas de gas desde el interior del compresor hacia

el exterior.

3.3 Base de funcionamiento

El compresor centrifugo es un dispositivo tipo dinámico, no de desplazamiento positivo

como el resto de los equipos utilizados en maquinas de compresión. Está constituido por

una o más ruedas de impulsoras montadas sobre el eje y contenido dentro de una

carcasa. El aumento de presión se consigue por conversión desde energía cinética.



3.4 El principio de operación de un compresor centrífugo es similar al de los

ventiladores o bombas centrifugas.

El vapor de agua a baja presión y con baja velocidad, proveniente de la tubería

de succión, se introduce en la cavidad interna u ojo de la rueda impulsora a lo

largo de la dirección del eje del rotor.

Una vez en la rueda, el vapor es forzado a salir radialmente hacia el exterior por

la acción de los alabes del impulsor y por la fuerza centrifuga desarrollada en la

rotación de la rueda.

El vapor es descargado a una velocidad alta, habiendo experimentado así mismo

un aumento de temperatura y presión.

Cuando deja la periferia de la rueda es conducido a unos pasadizos situados en el

cuerpo mismo del compresor y que están esencialmente diseñados para reducir

la velocidad del vapor. Estos dirigen al vapor hacia la entrada del siguiente

impulsor o, en el caso del último paso, lo descargan a una cámara desde donde el

vapor pasa a la tubería de descarga hacia el condensador.

3.4.1 Proceso de compresión

Los dos procesos que tienen lugar dentro del turbocompresor son:

Un aumento de la energía cinética del gas (presión dinámica), y también algo

estática. Este proceso tienen lugar en el rodete.

Disminución gradual, sin turbulencias, de la velocidad alcanzada por el gas en

el rodete, consiguiéndose compartida una elevación de la presión estática. Este

segundo proceso tiene lugar en el difusor.

3.4.2 Aumento de energía cinética en rodete

Este proceso tienen lugar en el rodete que tiene como misión acelerar el gas, que

es aspirado axialmente hacia el centro del rodete, y cambia su dirección en 90°

convirtiéndolo en un flujo radial.

Cuando el rodete en un turbocompresor gira en presencia de un gas, la fuerza

centrifuga le empuja desde la boca de entrada del rodete hasta el final del alabe.

La velocidad del fluido a la salida del alabe, originada por esta fuerza centrifuga

es w2.



Por otra parte el fluido es empujado también en la dirección de la trayectoria del

extremo exterior dl alabe, punto donde la velocidad es, u2=r 2.r. estas dos

velocidades que actúan simultáneamente sobre el fluido a la salida del alabe, se

combinan entre sí para dar en dicha salida una resultante c2 que es, en magnitud

y sentido, la velocidad absoluta a la que realmente el fluido abandona el alabe,cuyo valor suele ser del orden del (50/70%) de u2, dependiendo del ángulo ß2 a

la salida.

Figura 3.2. Velocidades y ángulos de alabes.

3.4.3 Intercambio de energía cinética a presión

Este proceso tiene lugar en el difusor.

Los cambios de velocidad y presión estática que el gas experimenta a su

paso por el turbocompresor centrifugo son:

1. OA. Presión estática y dinámica a la entrada del turbocompresor.

2. MB. Presión estática a la salida del rodete.

3. MC, presión dinámica a la salida del rodete.

4. NE. Presión dinámica a la salida del difusor.

5. NF. Presión estática a la salida del difusor.



Figura 3.3. Presión estática y dinámica a la salida del difusor



4. DESRIPCIÓN DEL EQUIPO Y SU FUNCIONAMIENTO

4.1 Descripción de la unidad de compresión

Para comprender el sistema de banco de prueba del compresor centrífugo, en el texto a

continuación se referencia la Fig. 4.1.

Figura 4.1: Compresor centrífugo FM12

El equipo consta de un compresor centrífugo de 7 etapas (12) accionado por un

motor eléctrico montado sobre un zócalo de apoyo (2). El ducto de entrada elaborado en

acrílico transparente y el conducto de salida (7 y 14 respectivamente) están instalados

en el compresor para permitir que el aire que pasa a través de la unidad sea

monitoreado.

Un conjunto de sensores adecuados se incorporan en la unidad para facilitar el

análisis del funcionamiento del compresor cuando se conecta a un microordenador a

través de una interfaz de consola de IFD. Además de las tomas requeridas por los

sensores de presión, tomas adicionales (9, 10 y 13) se incluyen en los conductos para

permitir la calibración de los instrumentos adecuados para ser conectado.

El flujo de aire a través del compresor se regula mediante un dispositivo de

control del acelerador (15) instalado en la salida del conducto de descarga. La rotación

del cuello se abre y cierra una abertura variable, la cual permite que el flujo producido

por el compresor sea modificado.

Los siguientes sensores se utilizan para supervisar el rendimiento del compresor:



El sensor de presión (SPG2) conectado al canal 1 en el IFD. Este se compone de

un dispositivo sensible a la presión con las condiciones apropiadas de señal, está

contenido en un estuche protector (4) y se utiliza para medir la presión

desarrollada a través de la placa orificio (8) instalada en la entrada del conducto

de entrada (7). El caudal de volumen de aire a través del ventilador se puedecalcular mediante esta medida. El sensor está conectado a la toma adecuada en el

conducto mediante un tubo flexible. Adicionalmente otro tubo flexible (9) se

coloca para la conexión de la instrumentación adecuada (no suministrado) para

facilitar la calibración del sensor de presión diferencial.

El sensor de presión diferencial SPW1 relacionada con el canal 2 de IFD se

compone de un dispositivo sensible a la presión con las condiciones apropiadas

de señal, está contenido en un estuche protector (11) y se utiliza para medir la

diferencia de presión entre la entrada y salida del compresor. El sensor está

conectado a las tomas apropiadas en los conductos utilizando tubería flexible.

Tomas adicionales (10 y 13) se proporcionan para la conexión de la

instrumentación adecuada (no suministrado) para facilitar la calibración del

sensor de presión diferencial.

El sensor de velocidad de rotación SSO1 conectado al canal 3 de la IFD se

compone de un interruptor óptico infrarrojo en un conductor remoto conducido

con las condiciones apropiadas de señal, está contenido en un estuche protector

(3) y se utiliza para medir la velocidad de rotación de los impulsores del

compresor. El interruptor óptico se monta en un soporte al lado del eje del motor

que incorpora una banda reflectante para facilitar la medición de la velocidad de

rotación. Un adecuado tacómetro óptico de no contacto (no suministrado) se

puede utilizar para calibrar el sensor de velocidad de rotación (se utiliza junto

con una banda reflectante instalada en la parte superior del eje impulsor, que es

accesible mediante la eliminación de los conductos de entrada).



El sensor de temperatura STS1 relacionado con el canal 4 del IFD se compone

de un dispositivo semiconductor sensible a la temperatura (6) con las

condiciones apropiadas de señal, está en un estuche protector (5) y se utiliza para

medir la temperatura del aire que entra al compresor. El sensor se inserta a

través de la pared del conducto usando una glándula. El sensor puede ser removido de la glándula con el propósito de la calibración utilizando el equipo

adecuado (no suministrado).

4.2 Curvas características del banco experimental

Una vez automatizado el banco de pruebas del compresor centrífugo, se hacen

mediciones con los sensores y mediante la aplicación de un software se generan las

curvas de funcionamiento del prototipo (Fig. 4.2):

Velocidad de rotación en función del volumen del caudal.

Presión total en función del volumen del caudal.

Eficiencia general en función del volumen total de caudal.

Figura. 4.2 Curvas características del compresor centrífugo FM12

En las curvas características del compresor se ilustra la relación entre la presión, la

descarga, eficiencia y potencia en un amplio rango de condiciones de operación, pero

no indican en cual punto de las curvas el compresor estará operando. El punto de

operación se consigue mediante la intersección de la curva de presión-descarga del

compresor con la curva de presión-descarga del sistema, como se muestra en la Fig. 4.3.

La intersección de las dos curvas representa la presión y descarga que producirá el

compresor sobre el sistema de tuberías.



Figura. 4.3 Determinación del punto de operación del compresor



5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Encender la computadora y acceder al software Labview.

2. Configurar el software en función de la data que se desee obtener (se recomiendan

10 muestras y 5 segundos para cada una).

3. Encender el compresor (verifique que la entrada y salida del aire no estén

obstruidas).

4. Iniciar la toma de datos del software. Cada vez que cambie el número de muestra,

estrangular el flujo de aire de salida. El estrangulamiento debe ser tal, que la última

muestra corresponda a un estrangulamiento total a la descarga de la tubería.

5. Apagar el compresor

6. Guardar la data generada



6. DATOS ESPERIMENTALES

Tabla 6.l. Datos suministrados por el fabricante.

Parámetros Medidas

Diámetro de entrada 32 mm

Diámetro de salida 39 mm

Diámetro del orificio de la placa 35

Coeficiente de descarga de la placa orificio 0,596

Presión atmosférica 101325 Pa

Potencia de entrada del motor 250 Watts

Tabla 6.2. Datos del compresor centrifugo obtenidos experimentalmente.

Temperatura

Fluido (°C)

Velocidad del compresor

(Hz)

P Compresor

(KPa)

P Placa orificio

(KPa)

24,6136 54,5236 7,7367 0,114054

24,6136 53,4968 7,66329 0,240873

24,6136 51,0947 7,46139 0,45931924,9442 49,4075 5,69937 0,653493

24,7238 48,7784 5,13038 0,649852

24,8891 48,1778 4,89177 0,669876

24,7789 47,4915 4,54304 0,806405

24,7789 47,1484 4,23101 0,835531

24,5034 46,8624 4,28608 0,819148

24,5034 46,5764 3,35 0,832497



7. RESULTADOS

Tabla 7.3. Parámetros de flujo obtenidos experimentalmente.

Densidad (m/v³) Caudal (m³/s)Velocidad de

succión (m/s)

Velocidad de

descarga (m/s)

1,180709 0,0079702 9,913225 6,669651139

1,180709 0,0115827 14,406344 9,692636341

1,180709 0,0159946 19,893762 13,38458972

1,179399 0,0190887 23,742217 15,9738429

1,180272 0,0190284 23,667225 15,92338801

1,179617 0,0193248 24,035759 16,17133921,180054 0,0211989 26,366768 17,73964962

1,180054 0,0215783 26,838706 18,05717121

1,181147 0,0213558 26,561982 17,87099057

1,181147 0,0215291 26,777537 18,01601673

Tabla 7.4. Parámetros obtenidos experimentalmente.

Presión Total (Pa) Energía de salida (W) Rendimiento del compresor(%)

7768,453867 61,91638823 24,76655529

7730,351648 89,53834734 35,81533894

7589,269377 121,387212 48,55488479

5881,309519 112,2668016 44,90672064

5311,305825 101,0659103 40,42636412

5078,270723 98,13631388 39,25452555

4767,551873 101,0667663 40,42670651

4463,630867 96,31765339 38,52706136

4514,139663 96,40321605 38,56128642

3581,776168 77,11256056 30,84502423



Fi 7.1 C caract r í tica del sistema y del compresor



10. BIBLIOGRAFÍA

1. ESPINOZA, H.³Compresores´. Puerto la Cruz. Departamento de Mecánica.

Universidad de oriente, Venezuela (2010).

2. MATAIX, C. ³Mecánica de los Fluidos y Maquinas Hidráulicas´ 2da

Edición.Editorial Harla. México (1982).

3. ³Compresor centrífugo FM12´. [Disponible en http://www.armfield.co.uk].



APÉNDICE A ± EJEMPLO DE CÁLCULOS

Densidad del aire

A.1

Donde,

: densidad del aire (Kg/m3)

Ta: Temperatura del aire a la entrada del compresor (°C)

Pa: Presión atmosférica (Pa = 101325 Pa)

Sustituyendo los valores correspondientes de la tabla 6.2, se obtiene,

°

Caudal

A.2

Donde,

Qv: Caudal de aire (m3/s)

Cd: coeficiente de la placa orificio (Cd = 0,596)

d: diámetro de la palca orificio (m)

dpo: diferencial de presión en la placa orificio



Por continuidad el flujo que entra es igual al que sale. Por ende, al sustituir se obtiene

que,

�

Velocidad

La velocidad en el tramo de salida y de entrada viene dado por la ecuación,

(A.3)

Donde,

V: velocidad en la tubería (m/s)

A1: área de la tubería (m2)

El área de la tubería de succión se obtiene a partir de,

La velocidad en la tubería de succión se obtiene al sustituir en la ecuación A.3, los datos

respectivos

Los resultados para velocidad en las tuberías de succión y descarga se encuentran en la

tabla 7.3.



Presión total producida

(A.4)

Donde,

dps: caída de presión a través del compresor (Pa)

Ptf: presión total producida en el ventilador (Pa)

Sustituyendo, los valores de velocidad de la tabla 7.1 y la diferencia de presión en el

compresor de la tabla 6.2, se obtiene que:

Potencia producida por el ventilador

(A.5)

Donde,

Pu: potencia a la salida del ventilador (Watts)

Al sustituir los valores correspondientes de la tabla 7.3, se obtiene:



Eficiencia del compresor

(A.6)

Donde,

Pe: potencia de entrada del motor (Watts)

De la tabla 6.1, se obtiene que la potencia de entrada del motor es de 250 Watts, por lo

tanto:



APENDICE B-ANEXOS

Fig. B.1. Compresor centrifugo.

Fig. B.2. Interface del software con los datos del proceso de compresión estudiado

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