Compresión de gases.

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1 Compresión de gases

2 Compresión de gases Introducción
Impulsión de gases: ventiladores, soplantes y compresores.- Compresores alternativos.- Compresores rotativos.- Compresores centrífugos.- Selección del equipo.- Compresión de gases: potencia y rendimiento de los compresores.- Compresión escalonada.- Equipos para la producción de vacío: eyectores.-

3 Introducción Bombeo de gases por tuberías: Equipos de bombeo, Potencia, Rendimientos Los equipos para bombeo de gases y líquidos son similares, aunque la construcción puede ser muy distinta en ambos casos. Para el bombeo de gases se precisa de una compresión, y en ella una elevada proporción de la energía es comunicada al gas en forma de calor. Esto producirá normalmente un considerable aumento de la temperatura, lo cual puede limitar la operación si no se lleva a cabo una adecuada refrigeración. La compresión de los gases se realiza con frecuencia en varias etapas, introduciendo refrigeración entre ellas. Rango de presiones para las operaciones: Superiores a la atmosférica: Bajas < 15 atm Medias 15 atm < P < 50 atm Altas 50 atm < P < 100 atm Hiperpresiones > 100 atm A temperaturas elevadas: Resistencia mecánica y química de los materiales se resiente. Límites prácticos de trabajo: 600 °C y las atm, simultáneamente, siendo necesario disminuir la intensidad de una de las dos variables para poder elevar la de la otra.

4 Impulsión de gases: ventiladores, soplantes y compresores.-
Diferencia fundamental entre la impulsión de un líquido y un gas Posibilidad de reducir el volumen del gas por compresión, a costa, de aumentar su densidad. Principios esenciales del equipo de bombeo de líquidos = gases (Diferencia detalles constructivos) En el intervalo normal de presiones (gas): Densidad del gas < líquido, se pueden utilizar velocidades de operación mucho mayores Viscosidad del gas < líquido, Mayor tendencia a la producción de fugas (ajustes partes fijas y móviles) Impulsión de gases. Clasificación en función de la presión de descarga Ventiladores: 120 – 1500 mm de agua. Grandes caudales de gas a bajas presiones (sin variar densidad) Soplantes: P< kN/m2 Compresores de baja presión Compresores: P > kN/m2

5 Ventiladores Grandes caudales de gas a bajas presiones (Densidad = cte) No comprimen el gas: se limitan a hacerlo circular. Clasificación en función de la dirección del flujo: Axiales: Similares a los ventiladores caseros. Hacen circular aire en ausencia de conductos. Uno o más discos dotados de aspas o álabes (curvos o rectos) que giran sobre un eje paralelo a la dirección del flujo del gas. Rotor hasta varios metros.

6 Ventiladores Clasificación en función de la dirección del flujo:
Centrífugos: Similares funcionamiento a las bombas centrífugas. El rotor giratorio puede ser de álabes rectos, curvados en la dirección del giro (menor diámetro y mayor velocidad) o curvados en la dirección contraria Los rotores de álabes rectos son de un diámetro relativamente grande, con un número reducido de álabes radiales (de 5 a 12) que giran a baja velocidad.

7 Ventiladores Clasificación en función de la dirección del flujo:
Centrífugos: Funcionamiento casi igual que la bombas centrífugas. La presión de descarga procede de la fuerza centrífuga debida a la rotación de la masa de gas contenida en el interior del ventilador y de la energía cinética que las paletas comunican al gas, convertida parcialmente en energía de presión en la voluta. Cuanto mayor sea la longitud de dichas paletas, compatible con el tamaño del ventilador, mayores serán los dos términos energéticos citados. El rendimiento de un ventilador centrífugo varía con los cambios de temperatura, velocidad de giro y densidad del gas. A V y Q = cte: La presión y la potencia varían inversamente con la temperatura absoluta, y directamente con la densidad; Si varía la velocidad, el caudal varía en razón directa con la misma, la presión con su cuadrado, y la potencia con su cubo. Potencia de funcionamiento de un ventilador (Q = Caudal volumétrico en m3/h; P = Presión total de descarga en centímetros de columna de agua): Potencia (kW) = 2, Q. P

8 Soplantes Compresores de baja presión. Clasificación s/flujo de gas:
De desplazamiento positivo: Similares a las bombas de desplazamiento positivo rotatorias (de lóbulos, de tornillo, de paletas, etc.). Razones de compresión = 4. Q = 0,5 y 200 m³/min. Velocidades de giro moderadas (1.000 a rpm).

9 Soplantes Clasificación s/flujo de gas:
Centrífugas: Similares a bombas centrífugas de una sola etapa. Gran velocidad de giro (1.000 y rpm) y rodetes gran diámetro (Para conseguir aumentos apreciables de presión, dada la baja densidad del fluido que impulsan) Razones de compresión = 3 a 4,5 Q = 30 y m³/min

10 Soplantes Clasificación s/flujo de gas:
Axiales: Denominadas con frecuencia compresores axiales. Eje horizontal con varias coronas de álabes, intercalando coronas de álabes fijos a la carcasa. Gas impulsado en la dirección del eje de giro del rotor (similar a un ventilador axial), ganando energía cinética que se convierte gradualmente en energía de presión. Insustituibles para caudales muy elevados a baja presión. Q = Hasta m³/min Razones de compresión = de 1,2 a 1,5 por etapa (máx 6) Velocidad de giro = 500 y rpm. Rendimiento = 10% > centrífugos. Desventaja: Limitado intervalo de operación Vulnerabilidad a erosión y la corrosión.

11 Soplantes Clasificación s/flujo de gas:
Anillo líquido (compresores de anillo líquido o Nash Hytor). Rodete de alabes curvados en la dirección del giro. Se mueven en el interior de una carcasa parcialmente llena de líquido (agua). La velocidad de giro del rotor impulsa el agua a la carcasa, formando un anillo hidráulico. La forma del anillo determina con los álabes unas cavidades en las que es encerrado el gas que es aspirado por una entrada y obligado durante el giro del rotor a reducir su volumen, a medida que la cavidad en que se encuentra es parcialmente ocupada por el anillo de agua. Sale de la cámara por una abertura similar a la de entrada.

12 Soplantes Clasificación s/flujo de gas:
Anillo líquido (compresores de anillo líquido o Nash Hytor). Suministran una presión no muy elevada < kN/m2 Se utilizan frecuentemente como bombas de vacío (Se consiguen en la zona de aspiración depresiones respecto a la atmosférica de hasta 680 mm de Hg en una sola etapa). El líquido: Cierre hidráulico + Refrigerante (Eliminar el calor producido en la compresión, ha de renovarse constantemente) Inconveniente: Con gases solubles en el líquido pierden eficacia. Muy ventajosas con gases peligrosos o tóxicos.

13 Compresores Impulsión de gases a elevadas presiones
Se puede requerir el uso de varias etapas Razón de compresión/etapa < 3 ó 4 Compresión adiabática: Importante generación de calor: Considerable elevación de temperatura. Compresión isotérmica: Eliminar el calor para (T=cte) Procurar que en cada etapa el gas alcance Tentrada al compresor. Ciclo de compresión, intermedio: adiabático-isotérmico: Politrópico. Tipos fundamentales: Alternativos (de desplazamiento positivo) API 618 Rotativos API 619 Centrífugos de múltiples etapas, API 617.

14 Compresores Alternativos
Son los más utilizados en la industria química, principalmente cuando se precisan presiones elevadas y caudales no muy altos. Uno o más cilindros en serie (una o varias etapas). Funcionamiento similar al de las bombas alternativas. Una sola etapa: Refrigeración por aire (aletas exteriores). Múltiples etapas: Refrigeración por cambiadores de calor entre cada dos de ellas. Este enfriamiento reduce todavía más el volumen del gas a la salida del cilindro: Cilindros cada vez de menor tamaño. Número de etapas del compresor acorde con la relación de compresión conseguida en los pistones y con el aumento total de presión deseado. Rendimiento de los compresores alternativos < B. Alternativas

15 Compresores Alternativos
TIPOS: Una sola etapa / Múltiples etapas Acción simple o doble (cilindros actúen por 1 o las dos caras) Respecto a la posición de los cilindros: Línea o en tándem, en ángulo recto, en “V”, en duplex, opuestos Respecto al tipo de émbolo: Émbolo lubricado o no lubricado. Velocidades relativamente bajas, rpm, Rendimientos elevados (90%). La regulación del caudal: Recirculando parte del gas o aumentando el volumen muerto del aparato. (compartimentos adicionales)

16 Compresores Alternativos

17 Compresores Alternativos
Elementos importantes: Válvulas, pistones, segmentos, cilindros Válvulas, de aspiración o de impulsión: Herméticas, con poca inercia. Poca resistencia al paso del gas, gran resistencia a la fatiga mecánica. A veces van rodeadas de una camisa de agua de refrigeración. Muy a menudo, el Nº Vadm > Nº V imp

18 Compresores Alternativos
Materiales Pistones: Aluminio, grafito, fundición, acero, etc. Combinación resistencia a la abrasión y a ataques químicos / Peso Los segmentos aseguran el cierre de las paredes del cilindro con el pistón, y se usan para evitar el rozamiento entre esas partes principales: Fundición, bronce, aluminio, carbón, etc. Material más blando que el del cilindro y el del pistón, y son los que se sustituyen cuando se desgastan. Nº > 2 por cilindro de baja presión y > 6 por cilindro de alta Cilindros: Materiales resistentes a las presiones y a la agresividad química de los gases manejados. Con frecuencia encamisados para corregir las pérdidas de espesor por desgaste o corrosión. Siempre es mejor cambiar las camisas, al igual que los segmentos, antes que los cilindros.

19 Compresores Alternativos
Impulsión de gases a elevadas presiones. Capacidad, (m3/s) de un Com. alternativo de simple efecto (1etapa): λ: Coef. Alimentación (adimensional) (0,80 λ0 - 0,95 λ0 ) λ0 = Rendimiento volumétrico del compresor: S: Área del émbolo (m2), o sección circular del pistón. L: carrera del pistón (m). N: frecuencia de la rotación (rpm). ε0: relación espacio muerto/volumen total barrido por émbolo (5-8%). m: Exp.politrópico de expansión del gas comprimido en espacio muerto.

20 Compresores Rotativos
Gran cantidad de compresores que tratan de combinar las ventajas de los alternativos y los centrífugos. Características similares a las bombas rotativas: Máquinas de volumen constante con presión de descarga variable. El volumen puede variarse cambiando la velocidad de giro o por recirculación o purga de parte del caudal de la máquina. Las presiones de descarga pueden variarse modificando la resistencia a la salida del sistema Tipos: De hélices o de tornillos: Dos tornillos sinfín engranados en horizontal, y con giro en stdo opuesto. El contacto crea un cierre que avanza de un lado a otro impulsando el gas atrapado entre dos filetes de los tornillos. Relaciones de compresión de 4:1 y superiores. Vrotación varios miles de rpm.

21 Compresores Rotativos
Tipos: De hélices o de tornillos: De lóbulos: Similares a las soplantes del mismo nombre.

22 Compresores Rotativos
Tipos: De paletas: Muy usados para comprimir el aire de instrumentación de plantas químicas. Similares a soplantes y bombas del mismo nombre. Poseen carcasa de fundición con una serie de perforaciones para introducir agua de refrigeración. Las paletas cierran contra la carcasa por fuerza centrífuga, por lo que la máquina no comprime hasta que alcanza la velocidad de régimen.

23 Compresores Rotativos
Carecen de válvulas de admisión y de impulsión. Curvas carácterísticas similares a las de los alternativos, dando un caudal fijo para cada número de revoluciones del rotor, aunque aumente la presión. Sin embargo, a altas presiones, las fugas del lado de la impulsión hacia el de aspiración son mayores, por lo que la línea vertical de la curva característica cae hacia la izquierda. .

24 Compresores Centrífugos
Funcionamiento similar a bombas centrífugas. Rodete: El gas adquiere Ecinética que se transforma en presión. Más simples que los alternativos: Sin válvulas, ni carreras de admisión o expulsión, pero se consiguen menores presiones. Múltiples etapas (turbo-compresores). El gas es aspirado en la primera etapa y desplazado por el rodete radialmente hacia el exterior, ganando energía cinética; luego retorna hacia el eje por el difusor, convirtiéndose la energía cinética en presión, hasta que entra en la etapa siguiente. En algunos casos se intercalan cambiadores de calor entre cada dos efectos con el fin de reducir la energía requerida para la compresión. Rendimientos: 70% - 80%. 5 a 8 etapas Vgiro = rpm (Hasta rpm). Regulación de caudal, por recirculacion parte del gas o cierre válvula de salida. Velocidades de flujo hasta 140 m³/s con P hasta 40 MN/m2.

25 Compresores Centrífugos
Curvas altura/caudal similares a las bombas centrífugas, existiendo una distinta para cada velocidad de giro y para cada disposición en los ángulos de los álabes. Las curvas disminuyen a medida que disminuye la velocidad de giro. “Pumping” o “surge” no trabaja bien, vibraciones, calentamientos y roturas. En el arranque se pasa rápidamente por ella y no sucede nada, pero no trabajar un tiempo prolongado en dicha zona. Válvulas “antisurge” con aperturas reguladas para este fin. Esta zona aparece cuando el caudal desciende por debajo del 60% del caudal óptimo del compresor.

26 Compresores Centrífugos

27 Selección del equipo Tener en cuenta: Propiedades del gas y condiciones de la impulsión. Primer factor: Presión de descarga o salto de presión requerido. Determina la selección entre los tres grandes tipos de aparatos (ventiladores, soplantes y compresores). Segundo: Dentro de cada grupo: Caudal y condiciones particulares (funcionamiento continuo o intermitente, limitaciones de temperatura, método de sellado, método de lubricación, consumo de potencia, posibilidades de mantenimiento, costo, etc.). Para poder decidir se emplean una serie de números adimensionales: Destacan dos: Vespecífica y Diámetro específico. El primero de ellos es la velocidad específica:

28 Selección del equipo Velocidad específica, Ns, relaciona la carga, en un proceso adiabático, con el caudal para máquinas geométricamente similares y con distintas velocidades de rotación: N = velocidad de rotación del compresor, Q = Caudal volumétrico H = Carga adiabática. Diámetro específico, DS, relaciona la carga y el caudal en máquinas geométricamente similares, con distintos diámetros:

29 Selección del equipo Selección en función del caudal y la presión de descarga. Otros factores: flexibilidad, hermeticidad, ruido, contaminación del gas, exigencias de cimentación, mantenimiento, repuestos, problemas derivados del manejo de gases corrosivos, Gases a elevadas temperaturas con riesgo de explosión.

30 Potencia y rendimiento de compresores
Esquemáticamente, un compresor alternativo, consta de un cilindro con dos válvulas, la de aspiración o admisión del gas a baja presión, A, y la de expulsión o descarga del gas comprimido, D, y de un émbolo que se desplaza alternativamente mediante una biela acoplada a un motor. Diagrama del Indicador: Se denomina indicador a un aparato que dibuja el diagrama P-V del ciclo real de un compresor alternativo de émbolo. Proporciona una curva cerrada, que se denomina “diagrama del indicador”.

31 Potencia y rendimiento de compresores
Línea de aspiración o admisión: Cuando el émbolo se desplaza hacia la derecha del cilindro se produce una depresión y cuando el gas encerrado en el mismo alcanza una presión P4 algo inferior a la de aspiración PA, se abre la válvula de admisión. La momentánea depresión en 4 es indispensable para que la válvula despegue de su asiento Al entrar el gas en el cilindro vibra continuamente la válvula de admisión a causa de las oscilaciones de presión por calentarse en contacto con las paredes. La admisión termina en la posición “1”, a una presión P1 algo inferior a la de aspiración, PA, pero superior a P4, pues al llegar a dicho punto la energía cinética del gas aspirado se transforma en energía de presión. Aunque haya vibraciones en la válvula de admisión, se considera cte la presión de aspiración en el valor P1.

32 Potencia y rendimiento de compresores
Línea de compresión: El émbolo llega a la posición “1” y empieza a retroceder, se cierra la válvula de admisión al iniciarse la compresión del gas aspirado. En su camino de retroceso el émbolo llega a posición “2” P2, superior a la que se pretende alcanzar, PD, cuando se abre la válvula de descarga D y el gas sale del cilindro. Línea de descarga o expulsión: Representa la etapa de salida del gas que se considera a presión constante P2, aunque también existen variaciones en la misma. Línea de reexpansión: La posición “3”, final de la carrera del émbolo, la cual no coincide con la base del cilindro; siempre queda un poco de gas en el interior, que no puede ser expulsado “volumen muerto”. “volumen de embolada”,Vh, carrera del émbolo entre las posiciones 3 y 1,

33 Potencia y rendimiento de compresores
Al cerrarse la válvula de descarga, el gas residual a presión P3 se expande y el émbolo retrocede hasta la posición “4” otra vez, momento en el cual, al ser P4 inferior a PA, se abre de nuevo la válvula de admisión y comienza un nuevo ciclo. Diagrama Convencional del Indicador: Cuatro líneas: de aspiración (4-1), isóbara de presión algo inferior a la de admisión, PA; de compresión, (1-2), ajustable a una politrópica de índice “n”; de descarga, (2-3), isóbara de presión algo superior a la de expulsión, PD; y de reexpansión, (3-4), ajustable a una politrópica de exponente “n´”.

34 Potencia y rendimiento de compresores
W = -PdV Integrando: El W para todo el ciclo será el área Se obtiene como suma de 4 términos: Compresión: Ärea V1-1-2-V2 Descarga: 2-3-V3-V2 Reexpansión: (Trabajo negativo): 3-V3-V4-4) Admisión (Trabajo negativo):V44-1-V1 El volumen muerto no afecta al trabajo comunicado por unidad de masa de gas pero si a la cantidad de gas admitido por ciclo.

35 Potencia y rendimiento de compresores
Tipos de compresión: Isoterma: W = 2,303 nRT log P2/P1 Adiabática: W = (K/K-1) x (P1V1) x ((P2/P1)(k-1/K)-1) (Siendo K = Cp/CV) Potencia (kW) = W (J/kg) x G (kg/h) /3,6 106 Potencia real = P / ηT ηT = ηM x ηA x ηC Reserva por sobrecargas: Pinstalada = Preal x β βDepende de Preal Adecuar Pnormalizada