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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN MINAS

Informe Nº2 Rendimiento Compresor

Servicios generales minas Informe Nº2 Compresor

Rendimiento

Resumen ejecutivo

Christian Streinesberger

Resumen ejecutivo Control de rendimiento de compresor de pistón de aluminio lubricado con aceite fabricado por Atlas Copco. Realizado en las dependencias de la universidad de Santiago, para el cual se calcularon los rendimientos mecánico, volumétrico, de compresión y total, así como la condensación de agua, basado en los parámetros físicos de presión y temperatura tomados insitus obteniéndose los siguientes resultados: Tabla 1 Valores obtenidos insitu y calculados

Variables Medidas y calculadas Temperatura Seca Temperatura Húmeda T1 Presión Barométrica (P1) Max speed (rpm) Desplazamiento (m3/min) Tiempo Final (de llenado en min) Presión Final manométrica Volt Intensidad Cos(Φ) Aire Normal (n) Eficiencia del Enfriador Volumen Estanque Presión absoluta (P4) Densidad Agua a 14,9ºC Rendimiento Mecánico Rendimiento Volumetrico Rendimiento de Compresión Humedad relativa

Docente: Valores 15,8º C / Dr. 288ºK / 60,44ºF Omar Gallardo 14,9º C / 287,9ºK /58,82ºF Ayudante: 9.652,5 [Kg/m2] 1800 rpm Est. Nicolás Muñoz 0,577 [m3/min] estConstanza Monteiro 4,617 min 2 73.929,43 [Kg/m ] Autor: 380 V 5,6 A Christian Streinesberger 0,90 Fecha: 21 de abril 2016 1,4 70% 0,250 m3 83580,93 [Kg/m2] 12.8[g/m3] 71,1% 38,9% 33,2% 94,38%

Los resultados denotan problemas en el sistema de refrigeración siendo lo cual produce se traduce en una reducción y mal aprovechamiento de la energía pues el aire no se está comprimiendo isotérmicamente, además se detectan posibles fugas o fallas mecánicas, lo cual demanda una pronta mantención y/o reparación según sea el caso. A su vez -aunque en menor medida- existe un bajo rendimiento mecánico que indica problemas en la unión compresor-motor. El hecho de que la composición del aire este afectada por características geográficas y físicas, decanta en que los datos obtenidos para los rendimientos serán exclusivos para la zona en que fueron medidos y pueden tener variaciones si este es instalado en otro lugar.

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En este informe encontrara además información sobre el la caída de presión en los anexos asi como procedimiento y explicación sobre el funcionamiento de compresores haciendo énfasis en el analizado en laboratorio.

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Christian Streinesberger

1 Introducción El uso de la energía neumática ha disminuido en proyectos mineros y civiles debido a su diminuta eficiencia, sin embargo siguen existiendo usos prácticos e irremplazables para esta energía como pueden ser lo shotcrate o los dispensadores de aire comprimido para limpiar las perforaciones en una labor minera, inflar un neumático o realizar labores de limpieza en que se proyectan diferentes químicos, entre otros. Si bien la demanda de compresores ha disminuido (a nivel industrial), siguen en circulación y en producción ciertos modelos a los cuales se les ha adoptado un uso diferente al que tenían asignados hace unas décadas atrás, así como también maquinaria que necesitan como fuente de energía a la neumática, siendo menos conveniente reemplazar los equipos que seguir teniendo el déficit de eficiencia energética. Existen dos principios genéricos para la compresión de aire, compresión por desplazamiento positivo y compresión dinámica. Los compresores que siguen los principios de compresión por desplazamiento son por ejemplo los compresores de pistón –tipo de compresor evaluado en este informe-, orbitales y diferentes tipos de compresores giratorios. La mayoría de los compresores dinámicos son turbo compresores con un patrón axial o radial de flujo. En el marco teórico de este informe se encuentra una breve explicación del funcionamiento de estos tipos de compresores y en el anexo, en la imagen --- un diagrama que ilustra los tipos y subtipos de compresores más usados. Resulta evidente la importancia del aire cuando se habla de compresores, y por lo tanto resulta importante discutir la composición del aire y los efectos que tendrá la misma al momento de ser comprimida, las reacciones físico-químicas que se llevan a cabo –en específico los cambios de temperatura y condensación de aire- son temas abarcados en el informe debido al impacto que esto tiene en el funcionamiento, rendimiento y eventual mantención de los equipos. El Rendimiento de un mecanismo está determinado por el rendimiento de sus componentes y procesos, de una manera tanto individual como integral. En el caso de los compresores son tres tipos principales de rendimiento que se debe analizar a la hora de un análisis técnico, reparación, mantención o control de funcionamiento; Rendimiento Mecánico, Rendimiento de Compresión, Rendimiento Volumétrico y Rendimiento Total. La mayor importancia de conocer y evaluar estos rendimientos radica en que cada uno está asociado a una posible falla, haciendo posible poder identificar un componente en mal estado e identificar la fuente de un mal o deficiente funcionamiento en el compresor.

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En el caso de una disminución del rendimiento mecánico, el cual es la relación entre la potencia indicada y la potencia efectiva, puede inferirse que se está en presencia de un problema en la unión con motor-compresor. La relación entre el aire aspirado y el aire entregado por el compresor se le conoce como Rendimiento volumétrico, y este indica la cantidad de aire que se pierde en el compresor. Una disminución en este rendimiento puede ser indicador de fallas mecánicas o hasta fugas. Retomando la importancia de los profesos físico químicos es que se hace referencia a el rendimiento de compresión, el cual no es más que la relación entre el trabajo que se consumiría si el aire se hiciese comprimido isotérmicamente (trabajo ideal) y el trabajo indicado, por lo cual resulta lógico que una disminución en este rendimiento este ligada al sistema de refrigeración del compresor. Otro aspecto importante, pero que no es abarcado en este informe es el sistema eléctrico que utilizan los motores, para lo cual se puede encontrar en el anexo unas páginas del Compressed_Air_Manual distribuido de manera gratuita por la empresa Atlas-copco a modo d proporcionar información importante peor que escapa de los alcances de este informe. Es así como este informe trata sobre el funcionamiento de los compresores y expone el control de rendimiento a un compresor Industrial de pistón de aluminio lubricado con aceite fabricado por Atlas Copco modelo LE 6 de 250 litros de capacidad de estanque.

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2 Objetivos y alcances 2.1 Objetivos generales: 

Conocer el funcionamiento de un compresor, sus parámetros importantes y la importancia de los rendimiento evaluados de manera individual.

2.2 Objetivos específicos 

Determinar de rendimiento volumétrico, de compresión, mecánico y total del compresor.



Determinar de la cantidad de agua condensada por el compresor.



Determinar la caída de presión a causa de las diferentes perdidas a lo largo del sistema de funcionamiento del compresor.

2.3 Alcances  

Las pérdidas en los rendimientos son debidas tanto fallas reales como provocadas con mero propósito académico y ilustrativo. La presión atmosférica fue tomada en una sala diferente a la del experimento, lo cual distorsiona en alguna medida los datos.

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3 Marco teórico Para la comprensión del funcionamiento de un compresor en necesario manejar conceptos físicos y las leyes que los gobiernan, siendo de principal importancia en este caso la leyes de log ases, la transferencia de calor los cambios de estado, sin embargo no es el objetivo de este informe por lo cual se presentan fragmentos del Compressed_Air_Manual de Atlas Copco como modo complementario al informe. Un compresor trabaja con fluidos compresibles, siendo el principal el aire, es así como es necesario extenderse en este tópico.

3.1 Aire El aire es un mescla incolora, sinsabor y sin olor compuesta por muchos gases, pero principalmente por oxígeno y nitrógeno. Esta composición es relativamente constante a nivel del mar y a unos 25 km de altitud. El aire no e s una sustancia química pura, sino una sustancia mesclada de manera mecánica. Es por esto que puede ser separada en sus elementos constituyentes, por ejemplo, enfriándolo.

Gráfico 1 Porcentaje componentes aire

3.2 Tipos de compresor Los compresores responden a dos principios genéricos para la compresión de gases: compresión por desplazamiento positivo y compresión dinámica. En la compresión por desplazamiento positivo, el aire es empujado dentro de una o mas cámaras de compresión, las cuales están cerradas desde la entrada. De manera gradual el volumen en cada una de las cámaras es disminuido y el aire es comprimido internamente. Cuando la precion aalcansado el rango de de presión para el que fue diseñado, un puerto o valvula se abre y el aire es descargado en el sistema externo mientras continua disminuyendo el volumen de la cámara de compresin. En la compresión dinámica, el aire es arrastrado entre aspas en un impulsor de compresión de rápida rotación y es acelerada una alta velocidad. Es así como 1

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el gas se descarga a traces de un difusor, donde la energía cinética se transforma en presión estática.

Ilustración 1 Diagrama tipos de compresores

3.3 Método de instalación de un compresor: El método d e instalación establece, según la norma motor debe serinstalado.

IEC 60034-7,como el

3.3.1 Sistema Trifásico: Sistema de 3 tensiones desfasadas 120 grados que se genera con un alternador que tiene 3 devanados a 120 grados uno respecto del anterior. Para transmitirse se utilizan líneas de 3 conductores, pero para utilización final se 1

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utilizan líneas de 4 hilos, que son las 3 fases y el neutro. Existen dos tipos de conexión; en Triángulo y en Estrella. En estrella, el neutro es el punto de unión de las fases. 3.3.1.1 Conexión Estrella: En un generador en configuración estrella, las intensidades de fase coinciden con las correspondientes de línea, por lo que se I F = IL. Las tensiones de fase y de línea en configuración estrella (en caso de equilibrio) se relacionan por (3*UF)1/2 = UL.

Ilustración 2 “Esquema de Conexión Estrella”.

3.3.1.2 . Conexión Triángulo: En un generador en configuración triángulo se conectan entre sí las fases del generador o de la carga, conectando el principio de cada fase con el final de la siguiente. En esta configuración, la intensidad de fase y la intensidad de línea se relacionan por (3*IF)1/2 = IL y UF = UL.

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Ilustración 3 ”Esquema de Conexión en Triángulo”

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3.4 Rendimiento La teoría del cálculo de rendimientos está basada en las ecuaciones físicas que se muestran a continuación, estas ecuaciones también se pueden encontrar en el “Compressed_Air_Manual” de Atlas Copco con un mayor detalle y explicación.

Ilustración 3 Compresor L6

3.4.1 Rendimiento volumétrico (RV): Este rendimiento entrega la capacidad efectiva del cilindro, ya que entrega el volumen que sale del cilindro, quedando un remanente que no es capaz de salir del contenedor, a este remanente se le conoce como volumen muerto, un bajo resultado en el rendimiento volumétrico, se debe principalmente a fallas mecánicas.

P4 P1 ¿ ¿ T 1 P 4−P1 C RV = C= ∙ ∙V 1 T 2=T 1 ∙ ¿ D T2 P1

(

)

Dónde:    

C= capacidad que representa el caudal entregado por el compresor a tantas revoluciones por minuto (m3/min). D= desplazamiento que realiza el compresor en la cámara de baja presión es un valor de fábrica. V1= volumen de recipiente conocido. n = Índice de compresión de Aire normal o eficiencia.

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Christian Streinesberger    

P4 = Presión manométrica sumada con la Presión atmosférica. P1 = Presión atmosférica T1 = temperatura saturada (húmeda). T2 = se obtiene a partir de fórmula.

3.4.2 Rendimiento de compresión (Rc): Este rendimiento relaciona el trabajo consumido para provocar una compresión ideal con el trabajo realizado experimentalmente, un bajo rendimiento de compresión ocurre cuando existen fallas en el sistema de refrigeración.

RC =

τ isotermico R ∙ τ efectivo V

2,30 ∙ P1 ∙ log ⁡(

P4 ) P1

PM

τ isometrico =P1 ∙V 1 ∙ log

P4 P 2n τ efectivo = ∙ P1 ∙( 4 P1 n−1 P1

( )

( )

P 2n PM = ∙ P1 ∙( 4 n−1 P1

( )

n−1 2n

n−1 2n

−1)∙ D

=

−1)

Dónde: 

PM = Potencia media

3.4.3 Rendimiento mecánico (Rm): Este rendimiento relaciona la potencia indicada por el fabricante con la potencia efectiva, un bajo valor en el rendimiento mecánico puede ser por problemas en la unión entre el motor con el compresor.

R m=

Pindicada τ efectivo = P =V ∙ I ∙ cosφ ∙ √ 3∙ η Pinyectada τ inyectado inyectada

Dónde:   

V= Voltaje I= Intensidad

η

= Tipo de conexión

3.4.4 Rendimiento total (Rt): El rendimiento total corresponde al producto entre el rendimiento de compresión por el rendimiento mecánico y el resultado no representa el rendimiento global del compresor, ni fallas asociadas a algún componente.

Rt =RC ∙ Rm

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3.5 Cantidad de agua condensada (q1): La cantidad de agua condensada corresponde al agua que se condensa dentro del estanque y que es necesaria evacuar.

( (

q1 = q0− D ∙ H r ∙ δ w ∙

))

P1 ∙η EI Q0=V 1 ∙ H r ∙ δ w P2

P2=√ P1 ∙ P4 Hr=

Ps=0,18079∗e

17,27∗Tºseca−552,64 Tºseca+ 395,14

Ps ´ Ps

Ps ´ =0,18079∗e

17,27∗Tºhúmeda−552,64 Tºhúmeda+ 395,14

Dónde:       

q0 = Cantidad de agua que ingresa. Q = Caudal. Hr = Humedad Relativa. Ps´ = Presión de Saturación del agua a T húmeda. Ps = Presión de Saturación del agua a T seca. �w =Contenido de agua. ɳei = Delta del enfriador intermedio.

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3.6 Caída de Presión: La fricción producida entre el aire y las paredes de la tubería, además de los efectos de estrangulamientos que se originan en válvulas de paso, cambios de dirección en el flujo, codos, etc, repercute en la presión que entregara en la salida el compresor, disminuyendo esta.

Q−q=

V∗Ta∗dp V ∗Ta V∗Ta∗dp V∗Ta = ∗tg ( α ) q= = ∗tg (β) Pa∗Tc∗dt Pa∗Tc Pa∗Tc∗dt Pa∗Tc

dp Pmáx −0 dp Pmín−Pmáx = =tg ( α ) = =tg( β ) dt T −0 dt T −0 Donde:        

V = Volumen. Ta =Temperatura seca. Tc = Temperatura compresor (T2) Pa = Presión atmosférica Pmáx = Presión máxima compresor. Pmín = Presión mínima compresor. dp = Variación de presión. dt = Variación de tiempo

3.7

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4 Cálculos rendimientos. Tabla 2 datos tomados insutu y calculados

Variables Medidas Temperatura Seca Temperatura Húmeda T1 Presión Barométrica (P1) Max speed (rpm) Desplazamiento (m3/min) Tiempo inicial (min) Tiempo Final (de llenado en min) Presión Final manométrica Volt Intensidad Cos(Φ) Aire Normal (n) Eficiencia del Enfriador Volumen Estanque Presión absoluta (P4) Densidad Agua a 14,9ºC

Valores 15,8º C / 288ºK / 60,44ºF 14,9º C / 287,9ºK /58,82ºF 9.652,5 [Kg/m2] 1800 rpm 0,577 [m3/min] 0 min 4,617 min 73.929,43 [Kg/m2] 380 V 5,6 A 0,90 1,4 70% 0,250 m3 83580,93 [Kg/m2] 12.8[g/m3]

4.1.1 Rendimiento Volumétrico: Rv=

C D

Siendo C la capacidad, D el desplazamiento. Luego C está definido por:

T1 ∗P 4−P 1 T2 C= ∗V 1 P1 Siendo T2:

T 2=T 1∗

P4 P1

n−1 n

Por lo tanto se obtiene:

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Christian Streinesberger P1 P4 ¿ ¿ Rv=¿

Donde el tiempo de llenado se considera para que coincidan los valores con un minuto y no con el tiempo total en que tarda en llenarse.

4.1.2 Rendimiento de Compresión Primero se define Pmed

[[ ] ]

2n P4 Pmed= ∗P 1∗ n−1 P1

n−1 2n

−1 =24405.8

( Kgfm ) 2

Finalmente reemplazando valores directamente en formula se obtiene:

2,30∙ P1 ∙ log RC =RV ∙

Pmed

P4 P1

( )

=0.332=33,2

4.1.3 Rendimiento mecánico. Se definen:

τ efectivo=D∗Pmed =14082,147[ Kgm] Pinyectada=V ∙ I ∙cosφ ∙ √ 3 ∙η=3317,223 W τ inyectado=

Pinyectada∗4500 =18253,741[ Kgm] 736

Por último el rendimiento mecánico será;

Rm=

τ efectivo =0,771→ 77,1 τ inyectada

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Christian Streinesberger 4.1.4 Rendimiento Total: Rt=Rc∗Rm=0, 2561=25,61 4.1.5 Agua condensada: Ps ´ Hr= =0.9438−→ 94,38 Ps

El paso siguiente es determinar el valor P2

P2=√ P 1∗P 4=28403,6[ Kg/m2] Por último se calculan las cantidades condensadas de agua:

q 0=D∗Hr∗δ w =6.97

g . agua ¿ min

( (

q1 = q0− D ∙ H r ∙ δ w ∙

))

P1 g . agua ∙η EI =3.22 ¿ P2 min

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5 Conclusiones El conocimiento del funcionamiento de los compresores es imprescindible para poder encontrar donde están las fallas al relacionar un déficit en un rendimiento con una falla relacionada con este. Todo lo realizado está basado en las leyes de la física y la termodinámica, leyes simples que pueden ser aplicadas a una infinidad de problemas una ves se entiende a cabalidad. Las condiciones físicas en que trabaja el compresor afectan su rendimiento por lo que las pruebas realizadas son exclusivas para ese lugar y hora, pues los rendimientos pueden modificarse en función de la temperatura, altura y hasta calidad de aire. Los rendimientos obtenidos son causa de fallas mecánicas o fugas en el caso del rendimiento volumétrico, problemas en el refrigerante en el caso del de compresión y por último problemas en la unión. Los equipos neumáticos siguen teniendo un espacio, aunque cada vez más reducido en la industria. La baja eficiencia de estos equipos es un reto a futuro para poder utilizar esta energía de manera masiva y en equipos de alta demanda energética, hoy en día reemplazados por equipos hidráulicos. Existe una gran variedad de equipos de compresión y estos dependerán de los requerimientos técnicos del empleador, un estudio más acabado del tema e necesario para elegir uno en función del uso que se le dará. Por último es importante señalar que se deben manejar conceptos de física, en especial de electricidad para la instalación y puesta en marcha de un equipo

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Christian Streinesberger Bibliografía

www.Atlascopco.cl Compressed_Air_Manual de Atlas Copco.

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6 Anexos

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6.1 Compresotres de desplasamiento

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6.2 Compresores dinamicos

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