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FACULTAD DE INGENIERIA EN SISTEMAS, ELECTRONICA E INDUSTRIAL

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO

F . I . S . E E. INDUSTRIAL I FACULTAD DE INGENIERÍA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA PERÍODO ACADÉMICO: SEPTIEMBRE/2013 – FEBRERO/2014

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial “Proyecto Académico de Fin de Semestre” Título: Sistema de Compresores de Aire Carrera: Ingeniería Industrial Área Académica: Ciencias Básicas Línea de Investigación: Industrial Ciclo Académico y Paralelo: 2do “A” Industrial Alumnos participantes: Caiza Yungan Jefferson Raúl Freire roble Gary Sebastián Machado Villegas Alejandra Vanessa Morejon Sánchez David Andrés Tubon Moposita Lorena Del Pilar Módulo y Docente: Física II: Ing. Santiago aldas. 1. YY

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1.1 Título Sistema de Compresores de Aire 1.2 Objetivos Objetivo General  Analizar el funcionamiento de un compresor industrial y aplicado en el pintado automotriz Objetivos Específicos  Aplicar de las leyes de los gases en el estudio y descripción del compresor HV37 Horizontal  Describir el funcionamiento  Comparar de los resultados obtenidos con la información del catálogo sobre el rendimiento del compresor HV37 Horizontal 1.3 Resumen En el siguiente proyecto se realizó un estudio acerca del compresor HV37 Horizontal por medio de las leyes de las aplicaciones de los gases haciendo un análisis de sus componentes en donde se determinó su uso dentro de la industria del pintado automotriz Varma. Además se analizó el funcionamiento del compresor HV37 Horizontal determinando el tipo de compresor, el mecanismo de funcionamiento y su rendimiento. Se utilizó los datos del catálogo los mismos que fueron utilizados para comparar nuestros datos obtenidos mediante aplicación de fórmulas de leyes de gases, cálculo de eficiencia y rendimiento donde luego se analizó cuanto desempeño verdaderamente tiene en la industria del pintado automotriz Varma. 1.4 Palabras clave: Compresor, gases, rendimiento, eficiencia, presión. 1.5 Introducción En este proyecto buscamos aclarar las aplicaciones industriales de los compresores al sistema automotriz de pintado de buses de Varvam, donde se aplicaran las leyes de gases, el cálculo de eficiencia y rendimiento y la obtención de la presión del compresor HV37 Horizontal Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como 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. La razón de utilizar el compresor de aire es por su versatilidad y su rapidez de respuesta en el trabajo. Su acción no es tan inmediata como la eléctrica, pero sí es

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notablemente más rápida que la hidráulica. Hemos de pensar que la neumática se sirve, como materia prima, del aire atmosférico que nos circunda, el cual podemos tomarlo en la cantidad que sea necesario para comprimirlo y transformar su energía en trabajo. [1] La práctica industrial hoy en día se requiere para múltiples usos como la compresión de gases y vapores. El accionamiento de herramientas neumáticas y mecanismos de potencia, el enfriamiento intenso y concentrado, la limpieza, el pintado de carrocería etc. son aplicaciones corrientes que demandan aire comprimido. 1.6 Materiales y Metodología Son máquinas que aspiran aire ambiente a la presión y temperatura atmosférica y lo comprime hasta conferirle una presión superior. Son las maquinas generadoras de aire comprimido. Existen varios tipos de compresores, dependiendo la elección de las necesidades y características de utilización. Los compresores se pueden clasificar en función de la forma de trabajo. Los más usados son de embolo, que son muy baratos, pero hacen bastante ruido. Otro tipo son los giratorios o rotativos más actuales y menos ruidosos. Dentro de cada grupo hay multitud de clases distintas de compresores. [2] El mapa siguiente nos muestra los diferentes tipos de compresores:

Compresores de émbolo Los compresores más utilizados, como ya se dijo anteriormente, son los de embolo, debido a su precio y a su flexibilidad de funcionamiento, es decir, permiten trabajar con caudales de diferentes magnitudes y con un amplio rango de relación de compresión. El funcionamiento de este tipo de compresores es muy parecido al de un motor de un automóvil. Un eje, en el que va una manivela (cigüeñal), acciona la biela que

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produce un movimiento alternativo en el pistón. Al bajar el pistón, entra aire por la válvula de aspiración. En ese momento la válvula de salida está cerrada. Cuando el pistón desciende hasta el punto muerto inferior, las dos válvulas se cierran. En este momento comienza la compresión del aire que ha entrado al cilindro, debido al inicio del ascenso del pistón. Cuando este aire se ha comprimido hasta el máximo, entonces se abre la válvula de salida. El aire comprimido es descargado en el depósito y comienza a viajar hacia el circuito a través de los conductos del mismo. [3] Compresores Rotativos El compresor de tornillo es un compresor de desplazamiento con pistones en un formato de tornillo; este es el tipo de compresor predominante en uso en la actualidad. Las piezas principales del elemento de compresión de tornillo comprenden rotores machos y hembras que se mueven unos hacia otros mientras se reduce el volumen entre ellos y el alojamiento. La relación de presión de un tornillo depende de la longitud y perfil de dicho tornillo y de la forma del puerto de descarga. El tornillo no está equipado con ninguna válvula y no existen fuerzas mecánicas para crear ningún desequilibrio. Por tanto, puede trabajar a altas velocidades de eje y combinar un gran caudal con unas dimensiones exteriores reducidas Tipos típicos de aplicaciones: Alimentación y bebidas, militar, aeroespacial, automoción, industrial, electrónica, fabricación, petroquímica, médica, hospitalaria, farmacéutica, aire de instrumentos. [4] Compresor rotativo de paletas El compresor de paletas, basado en una tecnología tradicional y experimentada, se mueve a una velocidad muy baja (1450 rpm), lo que le otorga una fiabilidad sin precedentes. El rotor, la única pieza en movimiento constante, dispone de una serie de ranuras con paletas deslizantes que se desplazan sobre una capa de aceite. El rotor gira en el interior de un estator cilíndrico. Durante la rotación, la fuerza centrífuga extrae las paletas de las ranuras para formar células individuales de compresión. La rotación reduce el volumen de la célula y aumenta la presión del aire.

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El calor que genera la compresión se controla mediante la inyección de aceite a presión. El aire a alta presión se descarga a través del puerto de salida con los restos de aceite eliminados por el separador de aceite final. Aplicaciones típicas: OEM, impresión, neumática, laboratorios, odontología, instrumentos, máquinas herramienta, envasado, robótica [4] Compresor de tornillo Son asimismo de tipo volumétrico. Desde 1934 hasta nuestros días, su diseño ha sufrido un avance considerable. Están dispuestos de tal manera que el rotor macho se encuentra dotado de lóbulos con un perfil de estudiado diseño, y el rotor hembra de acanaladuras en las cuales se introducen los lóbulos en el curso de la rotación. El accionamiento del conjunto tiene lugar por el extremo del eje que lleva el rotor macho, quien arrastra por contacto a la hembra, o lo hace mediante engranajes sincronizados que posicionan relativamente los elementos con enorme exactitud, consiguiendo en ambos casos la intercepción mutua entre los cuatro lóbulos del macho y los seis canales de la hembra. El rotor macho es el que absorbe la potencia suministrada por el motor, estableciéndose alrededor del 85 al 90% total para él, dejando un 10 al 15% para el rotor hembra. Los rotores giran a velocidades lentas (1300 a 2400 rpm) sobre rodamientos de bolas y rodillos, con interposición de una película de aceite que sirve para sellar el espacio de compresión y eliminar el calor que se origina durante la compresión. Son muy silenciosos y proporcionan unos caudales de hasta 8 m3/min, junto con una presión que oscila entre los 7 y los 14 bar. [3] ACUMULADORES Las funciones principales del depósito de aire comprimido son: 1. Obtener una considerable acumulación de energía para afrontar “picos” de consumo que superen la capacidad del compresor.

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2. Contribuir al enfriamiento del aire comprimido y la disminución de su velocidad, actuando así como separadores de condensado y aceite provenientes del compresor. 3. Amortiguar las pulsaciones originadas en los compresores, sobre todo en los alternativos. 4. Permitir la regulación del compresor compensando los diferencias entre el caudal generado y el consumido, los cuales normalmente trabajan con regímenes diferentes. Su capacidad dependerá de: Las características de la demanda del aire en la red. Esta puede ser: Constante Intermitente Instantánea Del sistema de regulación que tenga el compresor. Esto determina el número máximo de maniobras horarias: normalmente 10 cuando es por marcha y parada, 60 o más cuando es por carga y vacío. Su construcción deberá ser horizontal o vertical, prefiriéndose estos últimos por el menor espacio ocupado. El depósito deberá ubicarse en un lugar fresco y seco, lo más cerca posible del compresor, preferentemente fuera del edificio, donde pueda disipar parte del calor producido en la compresión. El depósito debe ser anclado firmemente al piso para evitar vibraciones debidas a las pulsaciones de aire. Los accesorios mínimos que deberá incluir son: Válvula de seguridad Manómetro Grifo de purga Boca de inspección La Válvula de seguridad debe ser regulada a no más de un 10% por encima de la presión de trabajo y deberá poder descargar el total del caudal generado por el compresor. Deberá contar además con un dispositivo de accionamiento manual para poder probar periódicamente su funcionamiento. Cuando el tanque se instala en el exterior y existe peligro de temperatura por debajo de 0º C, el manómetro y la válvula de seguridad, deben conectarse con tuberías para ubicarlos en el interior. Estas tuberías deben tener pendiente hacia el depósito para

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que sean autodrenantes. Nunca instale válvulas de bloqueo entre el depósito y la válvula de seguridad, pues lo prohíben los reglamentos. En los tamaños pequeños la inspección se realizara por medio de una simple boca bridada de 100 a 150 mm de diámetro; en los tamaños mayores estas bocas serán del tipo “entrada de hombre” (460 a 508 mm). Las cañerías para el control (regulación) deben ser conectados al depósito en un punto donde el aire sea lo más seco posible. Es importante que esta provista de un filtro con válvula de purga para permitir drenar el agua y aceite acumulado y asegurar un perfecto funcionamiento del sistema de regulación. Partes del compresor

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A. B. C. D.

La tapa de admisión Compresor Motor de accionamiento ventilador axial de accionamiento eléctrico E. Pos-enfriador de aire F. filtro armario G. controlador electrónico compresor H. Unidad de inversor I. J. Panel de arranque J. K. Filtro de entrada de aire K. L. Filtro de aceite L. M. Visor del nivel de aceite M. N. Llenado de aceite

N. P. Tapón de vaciado O. Q. Válvula de presión mínima P. R. El indicador de presión del compresor Q. S. Separadores de aceite R. T. Tubería de suministro de aire S. V. Tubería de alimentación de aceite T. W. Tubería de retorno de aceite U. X. Botón de parada de emergencia V. Y. Válvula térmica de by-pass

W. X.

Y. Leyes del aire comprimido Z. AA. Ley básica AB. AC. Una de las leyes del gas más importantes (la ley de Marriott y Gay-Lussac) afirma lo siguiente: AD. m AE. P*V= M RT AF. AG. Siendo: P = presión, (Pa) AH. V = volumen (m3) AI. m = masa de gas (kg) AJ.M = masa molar del gas (par el aire: M= 0,029 kg mol -1; para el vapor de agua: M = 0,018 kg mol-1) AK. R = constante de los gases perfectos (R = 0,008314 kPa m3 mol -1 °K-1), lo que equivale a 0,008314 J mol-1 °K-1) AL. T = temperatura en °K AM. Esta relación se utiliza dentro del compresor: se bombea un volumen de aire constante desde la cámara del compresor y el volumen disminuye. Esta disminución provoca un aumento tanto de la presión como de la temperatura del aire [5] AN. AO. AP. AQ. AR. AS. AT. AU. AV. AW. Cálculo del caudal de aire AX. AY. El caudal es equivalente a la cantidad de aire comprimido transportado en una sección dada por unidad de tiempo. AZ. BA. Q = A1.V1 = A2.V2 BB. Q: caudal (cfm) BC. A: sección de caudal (ft²) BD. V : velocidad (ft/min) BE. BF.La unidad de caudal del sistema internacional es el metro cúbico/segundo (m3/s), pero normalmente utilizamos l/s, m3/h o cfm. Esto varía dependiendo de varios factores y, en concreto, de la presión del aire y de la longitud/el DI del tubo que transporta el aire comprimido BG.

BH. BI. BJ.Cálculo de la caída de presión BK.

BL. Cuando fluye aire comprimido en un tubo recto, el caudal puede depender de dos factores: la tasa laminar o la tasa de turbulencia, dependiendo del valor del número de Reynolds (R). BM.

BN. BO. BP.El aire comprimido en el sistema se determina por la tasa de turbulencia BQ. BR. La caída de presión en un sistema de aire comprimido es un factor muy importante. BS. BT. Está provocada por la fricción del aire comprimido que fluye contra el interior del tubo y a través de las válvulas, tes, codos y otros componentes que constituyen un sistema completo de canalización de aire comprimido. El tamaño y el tipo de los tubos empleados, el número y el tipo de válvulas, racores y curvas del sistema pueden afectar a la caída de presión. Las turbulencias provocadas por fricción reducen el volumen de aire comprimido transportado a través del tubo. BU. BV. Además, la superficie de las paredes internas del tubo se vuelve irregular. BW. BX. Estos factores, combinados con el caudal, crean una caída de presión como resultado de la fricción provocada por la dinámica del flujo de aire dentro del tubo. BY. BZ. CA. CB. CC. CD. CE. CF. CG. CH. CI. CJ. Los valores de caída de presión se muestran como dP y se expresan en PSI o bar. CK. CL. Eficiencia y rendimiento CM. CN. La idea de rendimiento va unida a la de trabajo, cuando una máquina se usa para transformar, energía mecánica en energía eléctrica o energía térmica en energía mecánica, su rendimiento puede definirse como la razón entre el trabajo que sale

(trabajo útil) y el que entra (trabajo producido), o como la razón entre la potencia que sale y la que entra, o como la razón entre la energía que sale y entra CO. CP.El rendimiento mecánico en una máquina ideal es 1 (u= 0 ) porque no existe rozamiento y el trabajo útil es igual al trabajo producido.(potencia de salida igual a la potencia de entrada). CQ. CR. El rendimiento mecánico en una “máquina real” (u>0) es siempre menor que 1, debido a las perdidas d energía por el rozamiento interno que surge durante su funcionamiento de la máquina. Generalmente se multiplica por 100, para que el rendimiento se exprese en porcentaje. CS. CT. El rendimiento total de un número de máquinas colocadas en serie es igual al producto de sus rendimientos individuales. CU. La eficiencia comprende el trabajo, la energía y/o la potencia. Las máquinas sencillas o complejas que realizan trabajo tienen partes mecánicas que se mueven, de cómo que siempre se pierde algo de energía debido a la fricción o alguna otra causa. Así, no toda la energía absorbida realiza trabajo útil. La eficiencia mecánica es una medida de lo que se obtiene a partir de lo que se invierte, esto es, el trabajo útil generado por la energía suministrada. CV. ventaja mecanica optenida e= CW. ventaja mecanica real CX. CY.

vetaja mecanica=

resistencia potencia

CZ. DA. 1.7 Resultados y Discusión DB. DC. DD. Datos DE. Longitud (m) DG. Anchura (m) DI. Altura (m) DK. Presión atmosférica

Cálculos DF.1.917 DH. 0.892 DJ. 1.106 DL. 1,013 bar (1.0336*10

DM. Presión operativa nominal DO. Potencia(kW) DQ. Temperatura optimas(°C) DS. Masa molecular del aire(kg/ mol) DU. Densidad del aire(kg/m3) DW. Constantes de gases (kPa*m3/mol*°K) DY. Trabajo del motor DZ.

4

kg 2 m )

DN. 8 a 10 bar (800 kPa a 1000 kPa) DP.37 DR. 75 a 85 (348°k a 358°k) DT. 0.029 DV. DX.

1.3 0,008314

EA.

P=W /t

EB.

W =P∗t

EC.

W =37000 watt∗60 s

ED.

W =2220000 j

EE. EF.Volumen EG. V =l∗a∗h EH. EI. V =1.917 m∗0.892m∗1.106 m 3 EJ. V =1.891 m

EK. EL.

densidad=m/ V

EM.

m=V ∗densidad

EN.

masa del gas=1.891 m3∗1.3 kg /m3

EO.

masa del gas=2.4583 kg

EP. EQ.

masa molecular=0.029 kg/ mol

ER. ES. ET. EU.

Presión Pr=(

Pr∗V =

m ∗R∗T M

m ∗R∗T )/V M 3

(

)

EV.

2.4583 kg kPa∗m 3 Pr= ∗0,008314 ∗348 ° k /1.891 m 0.029 kg mol∗° k mol

EW.

Pr=( 84.767 mol∗2.893272

EX.

Pr=(245.254 kPa∗m3 )/1.891m 3

EY.

Pr=129.695 kPa

EZ. FA.

Pr=129.695 kPa∗6

FB.

Prf =778.17 kPa

kPa∗m3 )/1.891 m 3 mol

FC. FD.

(

Pr=

2.4583 kg kPa∗m3 ∗0,008314 ∗358 ° k /1.891 m3 0.029 kg mol∗° k mol

)

FE.

Pr=( 84.767 mol∗2.976412 3

FF. Pr=(252.30 kPa∗m )/1.891 m FG. FH. FI.

kPa∗m3 )/1.891 m 3 mol

3

Pr=133.423 kPa Pr=133.423 kPa∗6

FJ. Prf =800.538 kPa FK. FL. FM.

Ventaja mecánica vetaja mecanica real=

FN.

Prf Pr

1.013 ¯¿ ¯ 8 ¿¿ vetaja mecanica real=¿

FO.

FP. vetaja mecanica real=7.9 FQ. FR. vetaja mecanica real=

FS.

Prf Pr

1.013 ¯¿ ¯ 10 ¿ FT. ¿ vetaja mecanica real=¿ FU.

vetaja mecanica real=9.87

FV. FW. FX.

vetaja mecanica=

Prf Pr

vetaja mecanica=

778.17 kPa 101.3 kPa

FY. vetaja mecanica=7.68 FZ. GA. GB. GC. GD. GE. GF.

vetaja mecanica=

Prf Pr

vetaja mecanica=

800.538 kPa 101.3 kPa

vetaja mecanica=7.90 Eficiencia

GG. GH.

e=

ventaja mecanica optenida ventaja mecanica real

e=

7.68 7.9

GI. e=0.972 GJ. e=97.2 GK. GL. GM.

e=

ventaja mecanica optenida ventaja mecanica real

e=

7.9 9.87

GN.

e=0.8

GO.

e=80

GP. GQ. GR. 1.8 Conclusiones GS. GT. Como resultado de los cálculos obtenidos podemos constatar que hay una pérdida de eficiencia en base a los datos obtenidos del catálogo con respecto al mínimo que es 8 bar de presión donde hay una pérdida de 0.22 bar de presión y en el máximo que es 10 bar hay una pérdida de 2 bar esto puede ser debido a dos causas desgastamiento en el sistema de compresión o falla en las válvulas. GU.

Grafica de resultados de los calculos 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Presion

GV. 1.9 Referencias bibliográficas

GW. Bibliografía GX.

V. mecanica

Eficiencia

GY.

GZ. U. P. Salesiana, «Repositorio digital de la Universidad Politécnica Salesiana,» MIT, 7 Agosto 2014 . [En línea]. Available: http://dspace.ups.edu.ec/. [Último acceso: 20 julio 2014].

HA.

HB. ISO, «Displacement Compressors. Acceptance Tests,» Norma ISO 1217 , 1986.

HC.

HD. E. y. B. T. Avallone, «Mark's Standard Handbook for Mechanical Engineers,» Mc.Graw-Hill, USA, 1996.

HE.

HF. V. Cherkasski, «Bombas, Ventiladores, Compresores,» MIR, Moscú, 1986.

HG.

HH. M. M. G. R. y. A. Baille, « Lectura complementaria el aire humedo y calculo de las variables que determinan su estado,» Universidad Politécnica de Cartagena, España, 2010.

HI.

HJ. I. Hydrovane, «Catalogo de compresores,» Industrias Hydrovane, España, 2009. HK. HL.

HM. HN.

HO. HP. HQ.

2.10. Fotografías y gráficos (anexos) Modelo

HR. HV37 Horizontal (NOT sold as standard in the UK) [6] HT. 50 HV. Hydrovane HX. Serie HV HZ. Hydrovane (serie HV) IB. Air ID. 5.3 a 5.95

HS. Hz HU. Brand HW. Serie HY. Descripción IA. Gas comprimido IC. Suministro de aire libre con presión nominal (m3/min) IE. Presión operativa máx. o IF. 8 a 10 nominal (Bar g) IG.Salida del motor (kW) IH. 37 II. Nivel sonoro (db) IJ. 84 IK.Longitud (mm) IL. 1917 IM. Anchura (mm) IN. 892 IO.Altura (mm) IP. 1106 IQ.Salidas de aire comprimido IR. 1.5 (pulgadas) IS. Peso (Kg) IT. 690 IU. Velocidad (rpm) IV. 1450 IW. Capacidad de aceite (l) IX. 23 IY. Sistema de refrigeración IZ. refrigerado por aire JA.Alimentación eléctrica JB. 400V (50Hz) JC.Propulsión JD. Direct Drive JE.Limpieza del aire (mg/m3) JF.