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W. Gonzales M.

Cp.3 Transporte de Gases

Clasificación de

Compresores

Desplazamiento

positivo

Reciprocante

Rotativo

Pistón

Varillas

Diafragma

Tornillo

Lóbulos

Venas

Cámara y pistón

Doble efecto

Simple efecto

Flujo continuo o

cinéticas

Centrífugas

Periféricas

Especiales

Flujo radial

Flujo radial y axial

Flujo axial Simple succión

Simple succión

Doble succión

COMPRESORES

W. Gonzales M.

Tipos de Compresores y Rangos de Aplicación

Transporte de Gases

W. Gonzales M.

Transporte de Gases

Parámetros de Selección de Compresores

Características del Gas Natural

Caudal de flujo

Relación de Compresión y Presiones de Operación

Temperatura de operación

Equipo de Potencia

Régimen de Funcionamiento y Operación

Costos de Capital

Costos de Operación y Mantenimiento

Espacio y Fundaciones

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Tipos de Procesos de Compresión

Proceso isotérmico

de compresión (n=1)

Proceso isoentrópico

ó adiabático de

compresión (n=k)

Proceso politrópico

de compresión (n=n)

n=1

n=k

v

P

n

A

B C D Pd

Pa

CcttePv n .

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Telaciones de Presión, Temperatura y Volumen Específico en

Procesos de Compresión

Proceso politrópico de

compresión:

n=1

n=k

v

P

n

A

B C D Pd

Pa

)1/(

1

2

1

2

nn

T

T

p

p

)1/(1

2

1

1

2

n

T

T

v

v

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Trabajo de Compresión

El trabajo de compresión necesario será equivalente al

área que definirá en el diagrama P-v cada uno de los

distintos procesos.

Es fácil verificar que el menor trabajo que se necesite será

en un proceso isotérmico (n=1).

Por otro lado, el trabajo necesario para un proceso de

compresión adiabático o isoentrópico (n=k), es decir sin

intercambio de calor, será el superior que se necesitará

para un proceso de compresión.

Para efectos de diseño generalmente se considera un

proceso adiabático de compresión y la potencia evaluada

es corregida mediante un rendimiento térmico o politrópico.

Para que un proceso de compresión consumo menos

potencia lo que se hace es aproximar el sistema al

comportamiento isotérmico, esto se lo consigue utilizando

múltiples etapas y enfriadores entre etapas.

n=1 n=k

v

P

n

A

B C D Pd

Pa

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Exponente Politrópico (n) e Isoentrópico (k)

Si se conocen los calores específicos a presión constante

(cp) y a volumen constante (cv) el exponente k puede ser

determinado utilizando la ecuación siguiente:

Btu/(lbmol oR)

n=1 n=k

v

P

n

A

B C D Pd

Pa

kc

c

v

p

986,1 Rcc vp

Ikoku (1984) presenta una ecuación empírica para estimar el

valor de “k” es válida para 0,55G1 y toma una

temperatura de referencia de 150 oF:

328,2

log738,2 Gk

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Estimativa de Exponente Isoentrópico (k)

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Rendimiento Politrópico

Una forma de estimar el coeficiente politrópico (n) es utilizando las correlaciones

para la eficiencia politrópica, la misma que está relacionada con (n) y (k) de la

siguiente forma:

nn

kkp

/)1(

/)1(

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Etapas de Compresión

Existen límites prácticos permisibles en distintos parámetros de los sistemas de

compresión por cada etapa. Las limitaciones varían con el tipo de compresor e

incluyen lo siguiente:

oTemperatura de descarga, en todos los tipos.

oEficiencia de compresión, en todos los tipos.

oNiveles de presión, unidades dinámicas y la mayoría de

desplazamiento positivo.

oRadio de compresión, unidades dinámicas

oEfecto de espacio nocivo, unidades reciprocantes.

Cuando alguna de estas limitaciones se presenta, una opción es pensar en

utilizar sistemas de compresión en varias etapas en serie.

Enfriadores son generalmente utilizados entre las etapas para incrementar la

eficiencia del sistema de compresión, esto se consigue reduciendo la temperatura

de entrada en la etapa siguiente o para la entrega del producto comprimido.

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Métodos de Diseño y Selección de Compresores

El diseño de sistemas de compresión se lo realiza por compresor y por cada

etapa, considerando que existe caídas de presión y cambios de temperatura en

los interenfriadores y líneas de conexión, y variaciones de densidad por efectos

de condensación.

Entre los métodos utilizados en el diseño de compresores son:

(1) Expresiones analíticas derivadas de la teoría termodinámica,

(2) Diagramas entalpía y entropía , comúnmente conocidos como diagramas de

Mollier para procesos de compresión isoentrópica,

(3) Diagramas de desempeño provisto por los fabricantes.

El método a ser utilizado dependerá del grado de precisión requerido. Los

resultados obtenidos permitirán elegir el tipo de compresor a ser utilizado en

un aplicación específica.

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Método de Expresiones Analíticas 2

1

P

P

vdPw CCttePvk

aire

aaaa

k

k

a

daa

GM

RTZvPdonde

P

P

k

kvPw

,

11

1

)/(;11

144

1

lbftlbfP

P

k

k

GM

RTZmW

k

k

a

d

aire

aa

min)/(;

1440

10/

63 lb

MMscfdftlb

RTZ

MPm

RTZ

MPm

sc

scsc

gsc

sc

scsc

gsc

scsc

11

144330001440

101

6 k

k

a

d

aire

aasc

scsc

airesc

P

P

k

k

GM

RTZ

RTZ

GMPW

11

0303,3

1

k

k

a

d

sc

aascsc

P

P

k

k

T

TZPW

; hp

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La ecuación anterior permite calcular la potencia ideal de compresión en (hp) y

generalmente esta es empíricamente modificado para considerar el efecto de la

compresibilidad del gas natural en la admisión y descarga mediante la siguiente

ecuación:

donde;

IHP = Potencia ideal de compresión, hp

Psc = Presión a condiciones estándar, psia

Tsc = Temperatura a condiciones estándar, oR

Qsc = Caudal volumétrico en condiciones estándar, MMscfd

Za = Factor de compresibilidad en la admisión

Zd = Factor de compresibilidad en la descarga

Pa = Presión de admisión, psia

Pd = Presión de descarga, psia

Ta = Temperatura de admisión, oR

k = Coeficiente isoentrópico

Método de Expresiones Analíticas

112

)(0303,3

1

k

k

a

d

sca

adascsc

P

P

k

k

TZ

TZZQPIHP

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El BHP requerido generalmente es mayor a la potencia ideal IHP. La energía

perdida es representada por dos tipos de eficiencia: la eficiencia de compresión,

c, y la eficiencia mecánica, m. Estas eficiencias se definen como,

En los compresores modernos,

Los valores de c oscilan entre 83% y 93%

Los valores de m entre 88% y 95%.

Potencia Necesaria en el Eje (Brake Horse Power - BHP)

mc

IHPBHP

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La temperatura de descarga puede ser evaluada utilizando las relaciones

politrópicas, considerando n=k para proceso isoentrópico.

El calor removido en los enfriadores entre etapas o en la descarga puede ser

calculado utilizado la ecuación de balance de energía en el lado del gas que

atraviesa el enfriador, o sea:

así , la capacidad global de transmisión de calor necesaria en el enfriador será,

para el método de diferencia media logarítimica Tln,

Método de Expresiones Analíticas

)1/(

1

2

1

2

kk

T

T

p

p

segas ggpgasenfriador TTcmQ

ln

)(T

QUA

enfriador

enfriador

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Número de Etapas

donde,

r= Radio de compresión óptimo por etapa

Pd = Presión de descarga final en el sistema de compresión, psia

Pa = Presión de admisión en la primera etapa del sistema de compresión, psia

ns = Número de etapas

Se recomienda reducir la presión teórica de entrada en cada etapa en alrededor

de 3% para considerar la caída de presión entre etapas. Esto es equivalente a

dividir el “r” por (0,97)1/ns .

Diseño de Compresores Recíprocos

sn

a

d

P

Pr

/1

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Rendimiento Volumétrico (v) y capacidad,

donde,

A = Factor de llenado, de fugas, de fricción, etc; generalmente entre 0,03 a 0,06.

Lu = Factor de lubricación; generalmente 0,05 para compresores no lubricados ó cero en los

otros casos.

Za y Zd = Factor de compresibilidad en la admisión y descarga.

Capacidad de desplazamiento (Q),

donde,

Q = Volumen o capacidad de desplazamiento, ft3/min

Dp = Diámetro del pistón, ft

L = Carrera del pistón, ft

RPM = Velocidad de rotación, rev/min

v = Rendimiento volumétrico

Diseño de Compresores Recíprocos

11

/1

d

k

a

vZ

rZClLuA

vp RPMLDQ

2

4

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La potencia ideal, IHP, para un flujo de masa de gas m(lbm/min) y una altura

politrópica hp(ft-lbf/lbm) está dada por:

Potencia y Altura politrópica:

donde,

hp = Altura politrópica, lbf-ft/lbm

M = Peso molecular del gas lbm/lbmol

Ta = Temperatura de admisión, oR

Za y Zd = Factor de compresibilidad en la admisión y descarga

Diseño de Compresores Centrífugos

112

15451

n

n

a

daa

p rn

n

MZ

ZZTh

33000

pmhIHP

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La potencia real requerida en el eje, BHP, estará afectada por las pérdidas

mecánicas (HPLm) e hidráulicas (HPLh) de potencia, así:

Las pérdidas mecánica presentan valores entre 7 a 50 hp, dependiendo de la

velocidad y del tamaño de la carcaza de la unidad.

Las pérdidas hidráulicas varían entre 0,3% a 2,5% de (IHP/v), dependiendo,

principalmente, del tamaño de la unidad.


hm

p

HPLHPLIHP

BHP

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Número de Etapas

La altura politrópica, hp, es un indicador del número de etapas requerido para el

compresor centrífugo. El número de etapas requerido, ns, está dado por:

donde 9500 ft-lbf/lbm es un límite común asignado a cada etapa de compresión

centrífuga. Esto asumiendo que los impulsores están rotando a la velocidad de

diseño óptima.


9500

p

s

hn

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Uso del Diagrama de Mollier

La altura de elevación politrópica, hp, podrá ser calculada a partir de,

donde,

p = Rendimiento politrópico

s = Rendimiento isoentrópico

h = Cambio de entalpia para compresión isoentrópica, Btu/lbmole

hp = Altura politrópica, ft-lbf/lbm


s

p

pM

hh

2,778

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