MEC 289 - Lab_5

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DEL PERU FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA

Sección Mecánica - Area de Energía

LABORATORIO DE MAQUINAS DE DESPLZAMIENTO POSITIVO COMPRESOR ALTERNATIVO DE DOS ETAPAS

OBJETIVO Estudio experimental del comportamiento de un compresor alternativo de dos etapas determinando los diversos rendimientos involucrados en un proceso de compresión de aire. DESCRIPCION DEL EQUIPO Banco de pruebas, compuesto de un compresor de aire de dos etapas con refrigeración intermedia y posterior. Las características geométricas de las etapas son:

1ra. Etapa 2da. Etapa Diámetro 101,6 mm 66,7 mm Carrera 101,6 mm 63,7 mm Reducción 3:1 3:1

Cada una de las etapas pueden operarse como unidades independientes con su respectivo dinamómetro, lo cual permite disponer de una relación de presiones variable, así como velocidad de rotación independiente. Cada etapa consta de dos cilindros de simple acción, refrigerados por aire suministrado por las paletas de la polea-volante de cada unidad, y es accionada por medio de un motor de corriente continua montado en forma basculante sobre rodamientos, de tal manera que permite medir el Torque entregado al sistema de transmisión que consiste en una faja dentada con reducción de velocidad 3 a 1. PROCEDIMIENTO Preliminares: Verificar que la instalación esté conectada correctamente con la unidad preparada para operar

con dos etapas. Para esto verificar la posición de las válvulas de tres vías, a la salida de la primera y segunda etapas.

Verificar que el manómetro inclinado en el tanque de medición se encuentre a nivel y con lectura cero.

Verificar el nivel correcto de aceite de lubricación en cada una de las etapas del compresor. Extraer el condensado formado en los Intercambiadores de calor y en el tanque de

almacenamiento. Verificar que la válvula de regulación, a la salida del tanque de almacenamiento, se encuentre

abierta.

Encendido del equipo: Abrir la válvula de suministro de agua a los intercambiadores de calor intermedio –intercooler– y

posterior –aftercooler– y regular el flujo mediante las válvulas de salida en cada uno de ellos. Abrir las válvulas de descompresión de la Primera Etapa. Arrancar el motor de la Segunda Etapa, girando suave y lentamente el control de arranque. Cuando ya se ha arrancado la Segunda Etapa, proceder a arrancar la Primera Etapa de manera

similar. Cerrar las válvulas de descompresión de la Primera Etapa. Cerrar la válvula de regulación a la salida del tanque de almacenamiento. Llevar la velocidad de operación de los motores al valor deseado, entre aproximadamente a

1500 rpm. Cuando se haya alcanzado la presión de trabajo, abrir lentamente la válvula de regulación en el

tanque de almacenamiento hasta conseguir que la presión estabilice en el valor deseado. Esperar a que las temperaturas estabilicen. Tomar lecturas de los datos requeridos para la prueba.

Apagado del equipo: Abrir completamente la válvula de regulación en el tanque de almacenamiento. Verificar que la presión en el tanque de almacenamiento haya disminuido a 0 kg/cm2. Reducir la velocidad de rotación de cada etapa. Abrir las válvulas de descompresión de la Primera Etapa. Presionar el pulsador STOP de la Primera Etapa. Presionar el pulsador STOP de la Segunda Etapa. Cuando las unidades están completamente detenidas, cerrar las válvulas de agua en los

intercambiadores de calor. Procedimiento para el ensayo • Iniciar el ensayo con una presión de 10 kg/cm2 en el tanque de almacenamiento. • Repetir el ensayo para valores de presión decrecientes en 1 kg/cm2 en el tanque de

almacenamiento. CALCULOS Para cada presión regulada en el tanque de almacenamiento, evaluar: • Flujo de aire desplazado por el compresor. • Potencia técnica entregada por cada motor eléctrico. • Exponente de compresión politrópica. • Potencia de compresión isoentrópica y politrópica. • Rendimiento volumétrico total (Factor de aspiración total). • Rendimiento de compresión isoentrópica. • Balance de energía en cada unidad y en los intercambiadores de calor. • Calor de fricción en cada unidad. GRAFICOS De acuerdo a las variables evaluadas representar gráficamente: • La relación del Exponente de Compresión vs. la Relación de Presiones en cada etapa.

• La relación del Rendimiento Volumétrico vs. la Relación de Presiones en cada etapa. • La relación de la Potencia Técnica vs. la Relación de Presiones en cada etapa. • La relación del Rendimiento de Compresión vs. la Relación de Presiones en cada etapa. ANALISIS DEL ENSAYO Sobre la base de los cálculos, gráficos y observaciones durante el ensayo, analizar el comportamiento del compresor alternativo o reciprocante y comparar los resultados obtenidos con los propuestos por los modelos termodinámicos usualmente empleados. CONCLUSIONES Sobre la base de los análisis desarrollados y resultados obtenidos ya sea mediante cálculos o gráficos establecer conclusiones generales y específicas sobre el comportamiento del equipo.

Laboratorio de Máquinas de Expulsión

HOJA DE DATOS 1: COMPRESOR ALTERNATIVO DE DOS ETAPAS

PUNTOS DE MEDIDA T0 : Temperatura en la entrada al recipiente de medición (°C)

PRESION REGULADA EN EL TANQUE p7 (kgf/cm2) PARAMETRO SIMBOLO UNIDADES 1 Diferencia de presión - Placa orificio ∆h mm H2O 1 2 Temperatura del aire - Ingreso a la 1ra Etapa T1 °C 2 3 Temperatura del aire - Salida de la 1ra Etapa T2 °C 3 4 Temperatura del aire - Salida del Enfriador 1 T3 °C 4 5 Temperatura del aire - Ingreso a la 2da Etapa T4 °C 5 6 Temperatura del aire - Salida de la 2da Etapa T5 °C 6 7 Temperatura del aire - Salida del Enfriador 2 T6 °C 7 8 Temperatura del aire - Tanque de Almacenam. T7 °C 8 9 Temperatura del agua - Ingreso a los Enfriadores T8 °C 9

10 Temperatura del agua - Salida del Enfriador 1 T9 °C 10 11 Temperatura del agua - Salida del Enfriador 2 T10 °C 11 12 Presión de aire - Salida de la 1ra Etapa p2 kgf/cm2 12 13 Presión de aire - Ingreso a la 2da Etapa p4 kgf/cm2 13 14 Presión de aire - Salida de la 2da Etapa p5 kgf/cm2 14 15 Caudal de agua - Rotámetro 1 (Intercooler) V1 litros/min 1516 Caudal de agua - Rotámetro 2 (Aftercooler) V2 litros/min 16

Laboratorio de Máquinas de Desplazamiento Positivo Compresor Alternativo- Hoja 4


HOJA DE DATOS 2: COMPRESOR ALTERNATIVO DE DOS ETAPAS

PUNTOS DE MEDIDA T0 : Temperatura en la entrada al recipiente de medición (°C)

PRESION REGULADA EN EL TANQUE p7 (kgf/cm2) PARAMETRO SIMBOLO UNIDADES

17 Fuerza en el Dinamómetro 1 (1era. Etapa) F1 N 17 18 Fuerza en el Dinamómetro 2 (2 da. Etapa) F2 N 18 19 Velocidad de giro - Motor 1 (1era. Etapa) n1 rpm 19 20 Velocidad de giro - Motor 2 (2 da. Etapa) n2 rpm 20 21 Consumo de corriente - Motor 1 (1era. Etapa) I1 A 21 22 Consumo de corriente - Motor 2 (2 da. Etapa) I2 A 22 23 Tensión aplicada - Motor 1 (1era. Etapa) U1 V 23 24 Tensión aplicada - Motor 2 (2 da. Etapa) U2 V 24

Presión Barométrica p0 mbar HORARIO : Temperatura Ambiental T0 °C FECHA : Humedad Relativa φ % J.P. :

Observaciones :


HOJA DE CALCULOS 1: COMPRESOR ALTERNATIVO DE DOS ETAPAS

PRESION REGULADA ABSOLUTA EN EL TANQUE p7 (kPa) PARAMETRO SIMBOLO UNIDADES Presión Barométrica p0 Pa K Temperatura Ambiental T01 Diferencia de presión - Placa orificio ∆h mm H2O 1

Consumo de aire : m = 1.292x10-4 pT

h0

0∆

.m

kg/s

PRIMERA ETAPA 2 Temperatura del aire - Ingreso T1 K 2 3 Temperatura del aire - Salida T2 K 3 Calor específico del aire a Tprom entre 1 y 2 cp12 kJ/kg-K Cambio de Entalpía : ∆H12 = m cp12 (T2 - T1) ∆H12 kW

17 Fuerza en el Dinamómetro 1 F1 N 17 19 Velocidad de giro - Motor 1 n1 RPM 19 Potencia Técnica : Wt12 = - 2.26x10-5 F1.n1 - Wt12 kW Balance de Energía : Q12 = ∆H12 + Wt12 - Q12 kW Presión absoluta de ingreso : p1 = p0 p1 kPa

12 Presión absoluta de salida p2 kPa 12

Exponente politrópico medio : n1 = log p

p

log pp

log TT

2

1

2

1

2

1−

n1



PRESION REGULADA ABSOLUTA EN EL TANQUE p7 (kPa) PARAMETRO SIMBOLO UNIDADES

- = - 0.287 Vdp1

2

∫n

n 11

1 − m (T2 - T1) - Vdp

1

2

∫ kW

Calor de fricción : ⏐Qw⏐12 = - - WVdp1

2

∫ t12

⏐Qw⏐12

kW

15 Caudal de agua - Rotámetro 1 V1 l/min 15 Densidad del agua a T9 ρ1 kg/m3 Flujo de agua consumido : mag1 = ρ1 V1 mag1 kg/s 9 Temperatura de ingreso (Agua de enfriamiento) T8 K 9

10 Temperatura de salida (Agua de enfriamiento) T9 K 10 Calor específico del agua a Tprom entre 8 y 9 cpag1 kJ/kg-K Calor transferido al agua de enfriamiento :

Q89 = mag1 cpag1 (T9 - T8) .

Q89

kW

4 Temperatura del aire a la salida del enfriador T3 K 4 Calor específico del aire a Tprom entre 2 y 3 cp23 kJ/kg-K Calor transferido desde el aire :

Q23 = m cp23 (T3 - T2) .

Q23

kW

Balance en el intercambiador 1 : Qd1 = Q23 + Q89 Qd1 kW Desplazamiento Teórico Vc1 m3/s Rendimiento Volumétrico (Factor de Aspiración):

ηV1 = VV

ef

c1 = 0.287 m T

V p1

c1 1×

ηV1




21 Consumo de corriente - Motor 1 I1 A 21 23 Tensión aplicada - Motor 1 U1 V 23 Potencia eléctrica consumida : We1 = U1 I1x10-3 We1 kW

Eficiencia del motor eléctrico : η1 = WW

t12

e1 .100

η1

%

SEGUNDA ETAPA 5 Temperatura del aire - Ingreso T4 K 5 6 Temperatura del aire - Salida T5 K 6 Calor específico del aire a Tprom entre 4 y 5 cp45 kJ/kg-K Cambio de Entalpía : ∆H45 = m cp45 (T5 - T4) ∆H45 kW

18 Fuerza en el Dinamómetro 2 F2 N 18 20 Velocidad de giro - Motor 2 n2 RPM 20 Potencia Técnica : Wt45 = - 2.26x10-5 F2.n2 - Wt45 kW Balance de Energía : Q45 = ∆H45 + Wt45 - Q45 kW

13 Presión absoluta de ingreso p4 kPa 1314 Presión absoluta de salida p5 kPa 14

Exponente politrópico medio : n2 = log p

p

log pp

log TT

5

4

5

4

5

4−

n2




- = - 0.287 Vdp4

5

∫n

n 12

2 − m (T5 - T4) - Vdp

4

5

∫ kW

Calor de fricción : ⏐Qw⏐45 = - - WVdp4

5

∫ t45

⏐Qw⏐45

kW

16 Caudal de agua - Rotámetro 2 V2 l/min 16 Densidad del agua a T10 ρ2 kg/m3 Flujo de agua consumido : mag2 = ρ2 V2 mag2 kg/s 9 Temperatura de ingreso (Agua de enfriamiento) T8 K 9

11 Temperatura de salida (Agua de enfriamiento) T10 K 11 Calor específico del agua a Tprom entre 8 y 10 cpag2 kJ/kg-K Calor transferido al agua de enfriamiento :

Q810 = mag2 cpag2 (T10 - T8) .

Q810

kW

7 Temperatura del aire a la salida del enfriador T6 K 7 Calor específico del aire a Tprom entre 5 y 6 cp56 kJ/kg-K Calor evacuado del aire :

Q56 = m cp56 (T6- T5) .

Q56

kW

Balance en el intercambiador 2 : Qd2 = Q56 + Q810 Qd2 kW Desplazamiento Teórico Vc2 m3/s Rendimiento Volumétrico (Factor de Aspiración):

ηV2 = VV

ef

c2 = 0.287 m T

V p3

c2 3×

ηV2





22 Consumo de corriente - Motor 2 I2 A 22 23 Tensión aplicada - Motor 1 U1 V 23 Potencia eléctrica consumida : We1 = U1 I1x10-3 We1 kW

Eficiencia del motor eléctrico : η1 = WW

t12

e1 .100

η1

%

Calor específico del aire a Ti para el punto i cpi kJ/kg-K Cambio de Entalpía : ∆H16 = m (cp6 T6 - cp1T1) ∆H16 kW Balance de Energía Total : . . .

⏐QD⏐= ΣQ + ∆H16 - ΣWt

⏐QD⏐

kW

RENDIMIENTOS EN CADA ETAPA

ηisoterm = m T p

pWt

× × ×

∑0 287 1 2

1. ln

ηisoterm

ηisoentrop. = kk

m TW

p

pt

kk

−× ×

× −

⎡

⎣

⎢⎢⎢⎢⎢

⎤

⎦

⎥⎥⎥⎥⎥

∑⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

−

10 287 11

1

2

1

.

ηisoentrop

ηpolit =

−∫∑∑

VdpWt

ηpolit


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