• Author / Uploaded
• Arnold Olivares Gomez

Citation preview

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana del Perú) FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOS

INFORME TECNICO EXPERIENCIA DE LABORATORIO N° 4, 5 Y 6

BOMBAS, COMPRESORES Y VENTILADORES NOVIEMBRE 2018

DOCENTE: PhD. Ormeño Valeriano, Miguel Angel ESTUDIANTE: Olivares Gómez, Arnold CODIGO: 12130176

CÁLCULO DEL TRABAJO DE UN COMPRESOR TIPO ÉMBOLO INTRODUCCIÓN Un compresor en un dispositivo mecánico que aumenta la presión de un gas al reducir su volumen. Un compresor de aire es un tipo específico de compresor de gas. Los compresores son similares a las bombas: ambos aumentan la presión sobre un fluido y ambos pueden transportar el fluido a través de una tubería. Como los gases son compresibles, el compresor también reduce el volumen de un gas. Los líquidos son relativamente incompresibles; mientras que algunos se pueden comprimir, la acción principal de una bomba es presurizar y transportar líquidos. El compresor no sólo desplaza los fluidos, sino que también modifica la densidad y la temperatura del fluido compresible. Los compresores se utilizan en diversos ámbitos, como en los equipos de aire acondicionado, los refrigeradores o heladeras, los turborreactores y en ciertos sistemas de generación eléctrica. Para esta experiencia se usó de un compresor alternativo, también denominado de émbolo, pistón, recíproco o de desplazamiento positivo. Este es un compresor de gases que funciona por el desplazamiento de un émbolo dentro de un cilindro, movido por un cigüeñal para obtener gases a alta presión.

OBJETIVOS Comprender el funcionamiento del compresor de émbolo. Calcular el trabajo adiabático efectuado por el compresor, así como la eficiencia mecánica y verificar que se cumplan relaciones establecidas por las ecuaciones termodinámicas. Construir el ciclo termodinámico de compresión ideal del gas en un compresor de desplazamiento positivo, así como verificar que los resultados cumplan dicho ciclo (compresión adiabática, proceso politrópico e isobárico).

MARCO TEORICO Procesos de compresión de gases. Durante estos procesos, la sustancia está en la fase gas y con frecuencia, para los estados comprendidos en el proceso, el factor de compresibilidad z tiene a 1. 𝑍→1 Lo que implica que: 𝑝. 𝑣 = 𝑅. 𝑇 ∆ℎ = 𝐶𝑝. (𝑇2 − 𝑇1 ) ∆𝑢 = 𝐶𝑣. (𝑇2 − 𝑇1 ) Dependiendo del tipo de compresor, el flujo de gas aspirado para la compresión puede ser continuo (compresores axiales, centrífugos, etc.) o intermitentes (compresores de desplazamiento positivo tales como los reciprocantes, de paletas deslizantes, etc.); en los primeros las características del proceso pueden identificarse como flujo y estado estable FEES, con ingreso y una salida por lo tanto analizados, mediante la expresión 𝑄̇ = 𝑊̇ + 𝑚̇(ℎ2 − ℎ1 ) 𝑜 𝑞 = 𝑤 + ℎ2 − ℎ1 Considerando que los cambios de la energía cinética y la energía potencial entre el ingreso y la salida son nulos o despreciables, el trabajo correspondiente será: 2

𝑊1−2 = ∫ −𝑣𝑑𝑝 1

En los segundos, el análisis podrá efectuarse mediante un sistema que abarque la masa admitida en cada periodo de aspiración y por lo tanto analizaremos mediante: 𝑄 = 𝑊 + (𝑢2 − 𝑢1 ) 𝑜 𝑡𝑎𝑚𝑏𝑖é𝑛: 𝑞 = 𝑤 + (𝑈2 − 𝑈1 )

Con la misma suposición anterior, el trabajo: 2

𝑊1−2 = ∫ 𝑝𝑑𝑣 1

O mediante el artificio de considerar un flujo promedio que ingresa durante todo el tiempo en el mismo estado, sufre el mismo proceso y por lo tanto sale en las mismas condiciones de contorno al ser asimilado a un proceso FEES. Para poder hacer un análisis común de los procesos de compresión recurriremos a este artificio siendo los resultados los mismos desde el punto de vista cuantitativo como verificaremos más adelante en el caso concreto de los compresores reciprocantes (del émbolo). Proceso de compresión Politrópico Analizaremos esto, bajo las condiciones de hipótesis: FEES: 𝑞 = 𝑤 + ℎ2 − ℎ1 Compresibilidad: 𝑍 = 1 → 𝑃𝑣 = 𝑅𝑇 Proceso politrópico: 𝑃𝑣 𝑛 = 𝑐𝑡𝑒 En base a estas ecuaciones se puede demostrar lo siguiente: 𝑛−1 𝑛

𝑛𝑅𝑇 𝑝2 𝑊= [( ) 1 − 𝑛 𝑝1

− 1]

Nota: el cálculo del trabajo a partir de esta expresión nos dará un valor negativo en tanto el mismo es efectuado sobre la sustancia de trabajo. En esta experiencia tomaremos el valor positivo, de esta última expresión con el fin de hallar la eficiencia adiabática. De tal modo que la expresión en la literatura dada para esta experiencia será: 𝑛−1 𝑛

𝑛𝑅𝑇 𝑝2 𝑊= [( ) 𝑛 − 1 𝑝1

− 1]

O su equivalente, la cual usaremos en el procedimiento teórico: 𝑛−1 𝑛

𝑛𝑃𝑣 𝑝2 𝑊= [( ) 𝑛 − 1 𝑝1

− 1]

Para un proceso politrópico e isoentrópico: 𝐿𝑎𝑑

𝑛𝑃𝑣 𝑝2 =𝑊= [( ) 𝑛 − 1 𝑝1

𝑛−1 𝑛

− 1]

También se define la eficiencia isotrópica del compresor como: 𝜂𝑎𝑑 =

𝑁𝑎𝑑 𝑁𝑒

Donde 𝑁𝑎𝑑 es la potencia teórica dada por: 𝑁𝑎𝑑 = 𝐿𝑎𝑑 . 𝑓. 𝑖

Donde 𝑓 es la frecuencia del giro del motor e 𝑖 es el número de cilindros. Además 𝑁𝑒 es la potencia suministrada al compresor. SISTEMA NEUMATICO Principales componentes de un sistema neumático.

1. Filtro de aire: se encarga de depurar las impurezas del aire ya sea el polvo o partículas que disminuyen la eficiencia del compresor. 2. Regulación de presión Unidad de Mantenimiento: comprende el regulador de presión que suministra un flujo sano a la línea de succión de aire. 3. Separador de Aceite y Agua: retiene el aire que puede ser llevado a la línea de presión causar una mala compresión de aire. 4. Pulmón: sirve de almacenamiento del aire comprimido. 5. Tubería de Compresión: conducto por el cual se transporta el aire comprimido. 6. Válvula de Seguridad: sirve para evitar las fluctuaciones de presión y garantizar un adecuado funcionamiento en caso de que la alimentación de presión sea elevada. 7. Manómetro: indica presión de la línea de aire comprimido.

DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA Partes del compresor de émbolo: Válvula Motor Pistón Tapa de pistón Cilindro Biela Cigüeñal Manómetro Tanque Interruptor Filtro de aire Datos: 𝐵𝑜 = 101325 𝑃𝑎 (𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑎) ∆𝑃 = 5000 𝑃𝑎 (𝑐𝑎í𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛) 𝑑 = 0.047 𝑚 (𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜) ℎ = 0.055 𝑚 (𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜) 𝑁 = 3450 𝑟𝑝𝑚 (𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑔𝑖𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟) 𝑖 = 1 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 𝑘 = 1.41 (𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑑𝑖𝑎𝑏á𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒) 𝑉 = 234.3 𝑉 (𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟) 𝐼 = 4.37 𝐴 (𝑎𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟) cos(𝜑) = 0.69 modificado

p2=103392.8

RESULTADOS DE LA EXPERIENCIA 1. Presión absoluta en la entrada del compresor: 𝑃1∗ = 𝐵𝑜 − ∆𝑃 𝑃1∗ = 101325 − 5000 𝑃1∗ = 96325𝑃𝑎 2. Presión absoluta a la salida del compresor: 𝑃2∗ = 𝑃2 + 𝐵𝑜 𝑃2∗ = 103392.8 + 101325 𝑃2∗ = 204717.8𝑃𝑎

3. Volumen de trabajo del cilindro: 𝑉𝑡 =

𝜋. 𝑑 2 𝑥ℎ 4

𝜋. 0.0472 𝑉𝑡 = 𝑥0.055 4 𝑉𝑡 = 9.5422𝑥10−5 𝑚3 4. Trabajo adiabático teórico del proceso de compresión del compresor (de un cilindro): 𝐿𝑎𝑑 𝐿𝑎𝑑

𝑘 𝑃2∗ 𝑘−1 ∗ = 𝑥𝑃 𝑥𝑉 𝑥 [( ∗ ) 𝑘 − 1] 𝑘−1 1 𝑡 𝑃1

1.41 2.047178𝑥105 1.41−1 5 −5 = 0.96325𝑥10 𝑥9.5422𝑥10 𝑥 [( ) 1.41 − 1] 1.41 − 1 0.96325𝑥105 𝐿𝑎𝑑 = 7.74776𝐽

5. Trabajo adiabático teórico del proceso de compresión del compresor (de un cilindro): 𝑁𝑎𝑑 = 𝐿𝑎𝑑 . 𝑓. 𝑖 𝑁𝑎𝑑 = 7.74776𝑥57.5𝑥1 𝑁𝑎𝑑 = 445.4962𝑤𝑎𝑡𝑡𝑠 6. Eficiencia adiabática del compresor: 𝜂𝑎𝑑 = 𝜂𝑎𝑑 =

𝑁𝑎𝑑 𝑁𝑒

445.4962 706.4848

𝜂𝑎𝑑 = 0.6306

VENTILADOR AXIAL INTRODUCCION Los soplantes axiales se utilizan para el transporte de gases. El medio a transportar se aspira mediante la rotación del rodete de manera axial hacia el eje propulsor. El medio fluye a través del rodete y se vuelve a expulsar de manera axial detrás del rodete. HM 282 Ensayos en un ventilador axial El equipo de ensayo ofrece ensayos básicos para llegar a conocer el comportamiento de funcionamiento y las características más importantes de los soplantes axiales. HM 282 posee un soplante axial con número de revoluciones variable mediante un controlador incorporado, un tubo de aspiración y un tubo de presión. Los tubos de aspiración y de presión transparentes poseen chapas directrices para la conducción del flujo. En el tubo de aspiración se encuentra un rectificador de flujo para remansar del aire. De esta forma será posible obtener mediciones exactas incluso con un funcionamiento muy estrangulado. El flujo de aire se ajusta por medio de una válvula de mariposa al final del tubo de presión. El equipo de ensayo está equipado con sensores de presión y temperatura. El caudal se determina mediante una medición de la presión diferencial en la tobera de entrada. La metrología basada en microprocesador se encuentra bien protegida en la carcasa. Los valores medidos se pueden almacenar y procesar con ayuda del software para la adquisición de datos adjuntado. La transferencia al PC se realiza a través de una interfaz USB. El software GUNT, junto con el microprocesador, proporciona todas las ventajas de la realización con manejo y evaluación de ensayos basadas en software.

OBJETIVO Obtener la curva de presión total en función del caudal, manteniendo constante la velocidad de giro del eje del ventilador e incrementando la misma. DESARROLLO Y RESULTADOS DE LA EXPERIENCIA En el desarrollo de la experiencia se realizaron diferentes ensayos obteniéndose las diferentes gráficas que se muestran a continuación: En el primer ensayo se fue aumentando el porcentaje de la velocidad del ventilador. T T DP_F N [H:MIN:S] [DEGC] [PA] [1/MIN] 8:02:54 21.200 1.336 540.000 8:03:32 21.090 8.261 1656.000 8:04:06 20.800 25.517 2780.000 8:04:45 20.700 38.261 3826.000 8:05:17 20.500 62.532 4918.000 8:06:03 20.600 89.857 6004.000 8:06:40 20.600 128.847 7054.000 8:08:11 21.000 166.670 8108.000

P_EL [W] 0.299 1.499 4.280 8.599 15.609 25.815 39.672 57.819

P_AMB [MBAR] 1013.000 1013.000 1013.000 1013.000 1013.000 1013.000 1013.000 1013.000

DV/DT [M³/H] 38.120 92.951 159.262 235.201 307.128 374.768 442.844 531.280

P_HYD [W] 0.014 0.213 1.129 2.500 5.335 9.354 15.850 24.597

ETA [%] 4.730 14.229 26.375 29.070 34.178 36.236 39.952 42.541

DP_N [PA] 0.745 4.430 13.019 28.403 48.464 72.137 100.725 144.775

Caudal Volumétrico vs Presion Diferencial

180.000 160.000

dpF Presion Diferencial

140.000 120.000 100.000 80.000 60.000 40.000 20.000 0.000 0.000

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

dV/dt Caudal Volumetrico

Manteniendo constante la velocidad, al 30% de la velocidad del ventilador. t [h:min:s] 8:14:32 8:17:41 8:20:45 8:18:19 8:17:04 8:20:11

T [degC] 21.600 21.300 21.300 21.100 20.940 21.000

dp_F [Pa] 72.164 71.847 71.624 51.357 50.103 49.690

n [1/min] 2760.000 2740.000 2740.000 2772.000 2778.000 2782.000

P_el [W] 4.535 4.416 4.520 3.924 3.935 3.948

p_amb [mbar] 1013.000 1013.000 1013.000 1013.000 1013.000 1013.000

dV/dt [m³/h] 126.226 127.842 128.817 139.764 140.525 141.660

P_hyd [W] 2.530 2.551 2.563 1.994 1.956 1.955

Eta [%] 55.794 57.776 56.701 50.812 49.702 49.527

dp_N [Pa] 8.156 8.374 8.503 10.016 10.131 10.293

8:15:12 8:18:56 8:19:28 8:16:26 8:15:46

21.130 20.930 20.900 21.000 21.000

48.852 28.559 28.398 28.433 28.417

2762.000 2740.000 2740.000 2738.000 2734.000

3.799 4.024 4.008 3.972 3.959

1013.000 1013.000 1013.000 1013.000 1013.000

143.436 202.290 207.672 210.132 214.034

1.946 1.605 1.638 1.660 1.690

51.235 39.881 40.873 41.783 42.676

10.548 20.994 22.128 22.648 23.497

Caudal Volumétrico vs Presion Diferencial

80.0

dpF Presion Diferencial

70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

dV/dt Caudal Volumetrico

CONCLUSIONES Del primer ensayo se puede decir que, al incrementar el porcentaje de la velocidad del ventilador, hay una mayor diferencia de presión e incrementa el caudal volumétrico que sale, siendo el caudal máximo 531.28 m3/h. Al mantener constante la velocidad de rotación del eje del ventilador, hay una caída de presión, pero el caudal volumétrico aumenta. RECOMENDACIONES Para obtener unos buenos resultados es necesario dejar que el equipo trabaje por un periodo de tiempo de tal manera que se estabilice. Se recomienda no hacer la experiencia al 100% de la velocidad del ventilador ya que el ruido que genera es muy elevado y puede generar molestias a los participantes de la experiencia.

COMPRESOR CENTRIFUGO RADIAL INTRODUCCION Los compresores radiales se utilizan para comprimir gases. El medio es atraído axialmente hacia el eje de transmisión por la rotación del rotor y fluye a través del rotor girando a alta velocidad. Por medio de la fuerza centrífuga, el medio se acelera hacia el borde exterior y se comprime de esta manera. OBJETIVO Obtener la curva de operación del sistema. HM 292 Experimentos con compresor radial. La unidad experimental proporciona los experimentos básicos para conocer el comportamiento operativo y las variables características importantes de los compresores radiales. El HM 292 cuenta con un compresor radial de dos etapas con velocidad variable a través de un convertidor de frecuencia, un tubo de admisión y un tubo de entrega. Los tubos de admisión y entrega son transparentes. Una placa protectora colocada en frente de la entrada del tubo de admisión evita que se atraigan objetos más grandes o que se obstruya la abertura de entrada. El flujo de aire se ajusta mediante una válvula de mariposa en el extremo del tubo de suministro. La unidad experimental está equipada con sensores de presión, temperatura y velocidad. El caudal se determina a través de la medición de presión diferencial en la boquilla de admisión. La técnica de medición basada en microprocesador está bien protegida en la carcasa. El software GUNT y el microprocesador ofrecen todas las ventajas de los experimentos y la evaluación respaldados por software. La conexión a un PC se realiza mediante USB.

DESARROLLO Y RESULTADOS DE LA EXPERIENCIA En el desarrollo de la experiencia se realizaron diferentes ensayos obteniéndose las diferentes gráficas que se muestran a continuación: Primer ensayo: incrementando el % de la velocidad del compresor t T1 T2 [h:min:s] [degC] [degC] 22.600 24.100 25.900 27.400

dpN [Pa] 80.481 164.472 241.786 316.704

dpF1 dpF [mbar] [mbar] 6.210 13.050 19.494 25.668

9.277 12.050 14.698 17.387

n [1/min]

P_el [W]

p_amb [mbar]

dV/dt [m³/h]

6797.400 85.400 1013.000 63.752 9772.600 210.900 1013.000 90.416 12086.500 354.400 1013.000 110.114 13919.900 509.300 1013.000 125.434

P_hyd [W]

Eta [%]

dpF2 [mbar]

16.362 30.251 45.027 60.724

19.318 14.334 12.927 11.926

3.067 -0.999 -4.796 -8.281 11.486 13.847 16.108 17.724 18.422

7:14:10 7:14:40 7:15:14 7:15:47

21.100 20.810 20.800 20.900

7:16:22

20.900 29.500 387.868 31.590 20.103 15651.000 691.700 1013.000 139.381 78.242 11.331

7:17:03

20.900 31.000 438.863 35.943 22.096 16629.500 837.700 1013.000 147.608 91.199 10.865

7:17:41

20.780 32.400 481.828 39.650 23.542 17478.500 945.300 1013.000 155.486 102.529 10.848

7:18:14

21.170 33.300 512.855 42.404 24.680 18063.500 1031.400 1013.000 159.794 110.492 10.716

7:18:57

21.500 34.000 529.763 43.724 25.302 18324.100 1068.100 1013.000 162.454 115.111 10.768

Potencia Electrica vs Presion Diferencial 30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 0.000 0.000

20.000 40.000 60.000 80.000 100.000 120.000 140.000 160.000 180.000

Segundo ensayo: Mantiendo constante la velocidad del compresor al 30%. T1 [degC] 22.200 22.400 22.100 21.900 21.600 22.200 21.900 21.300 22.100

T2 [degC] 35.200 33.000 29.490 29.540 31.000 30.100 27.600 27.000 27.200

dpN [Pa] 4.402 3.990 38.344 39.375 60.079 64.817 132.422 133.258 143.450

dpF1 [mbar] 24.301 24.203 16.240 15.869 14.130 13.706 12.756 12.707 12.266

dpF [mbar] 62.668 62.049 40.692 39.616 32.649 30.418 9.117 8.650 5.769

n [1/min] 1872.400 11931.500 10327.300 10259.600 1973.000 12007.800 11834.100 9689.400 11806.400

P_el [W] 189.600 191.300 203.900 205.100 205.300 205.800 211.000 210.400 210.100

p_amb [mbar] 1013.000 1013.000 1013.000 1013.000 1013.000 1013.000 1013.000 1013.000 1013.000

dV/dt [m³/h] 9.911 12.006 43.635 45.047 54.927 56.468 80.392 81.046 84.532

P_hyd [W] 17.109 20.439 48.961 49.258 49.825 47.680 20.397 19.563 13.696

Eta [%] 9.019 10.683 23.989 23.969 24.288 23.261 9.673 9.339 6.566

CAUDAL VOLUMÉTRICO VS PRESION DIFERENCIAL

dpF Presion Diferencial

70.000

Título

t [h:min:s] 7:36:53 7:40:01 7:42:33 7:39:22 7:37:30 7:40:39 7:38:11 7:41:55 7:41:17

60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 0.000 0.000

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

dV/dt Caudal Volumetrico

80.000

90.000

dpF2 [mbar] 38.368 37.847 24.452 23.747 18.519 16.712 -3.640 -4.057 -6.496

CONCLUSIONES A medida que se incrementa la velocidad del compresor hay una mayor diferencia de presión (decae) y el caudal volumétrico aumenta. A mayor diferencia de presión, la potencia eléctrica también se incrementa.

RECOMENDACIONES Mantenerse un poco alejados del equipo al momento de ponerlo en funcionamiento por seguridad.