“AÑO DEL BICENTENARIO DEL PERÚ: 200 AÑOS DE INDEPENDENCIA”
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
LABORATORIO #5: “COMPRESOR DE 2 ETAPAS”
CURSO: LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA III
CODIGO DE CURSO / SECCIÓN: (MN-464) – B
DOCENTE: AGUILAR VIZCARRA DUILIO LEONCIO
INTEGRANTES:
• CRESPO PADRÓN, GONZALO
CODIGO: 20162121B
• LARA CHAVEZ, EDUARDO
CODIGO: 20171039C
• MORE YARIN, ANGEL EVARISTO
CODIGO: 20072077D
FECHA DE PRESENTACION: 15/06/2021
LIMA – PERU
2021- I
Universidad Nacional de Ingeniería
Facultad de Ingeniería Mecánica
Laboratorio De Ingeniería Mecánica III
INDICE
Contenido
INTRODUCCION ............................................................................................................ 3
OBJETIVOS ..................................................................................................................... 4
FUNDAMENTO TEORICO ............................................................................................ 4
EQUIPOS ......................................................................................................................... 8
PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO ............................................................................. 10
DATOS DEL LABORATORIO .................................................................................... 14
CALCULOS Y RESULTADOS .................................................................................... 15
OBSERVACIONES ....................................................................................................... 26
CONCLUSIONES .......................................................................................................... 27
BIBLIOGRAFÍA. ........................................................................................................... 27
ANEXOS ........................................................................................................................ 28
COMPRESOR DE 2 ETAPAS
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INTRODUCCION
A pesar de la diversidad de equipos usados para la compresión de gases o
vapores, su funcionamiento se fundamenta en algunos principios que les son
comunes y se desprenden de la termodinámica aplicada.
La importancia de los compresores se justifica por el rol que cumplen estos en
la industria, en efecto, la evolución de las necesidades en el sector de los
gases comprimidos esta caracterizado sobre todo por un incremento de
caudales, y no por una elevación de las presiones necesarias.
Los compresores tienen múltiples aplicaciones, destacando entre ellas; la
refrigeración, turbo compresores de motores. Estos a la vez se derivan de las
bombas ya que estas tienen por objeto aumentar la presión de un liquido.
El empleo de compresores en la industria es de gran importancia, debido al
gran uso de gases comprimidos. Por lo que se busca presiones lo mas altas
posibles y con una temperatura no muy grande, y es por ello que se necesita
de la compresión en etapas para subir la presión y también se necesita de los
intercambiadores de calor a presión constante (aproximadamente), para
mantener la temperatura baja.
COMPRESOR DE 2 ETAPAS
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OBJETIVOS
1.- Estudiar el funcionamiento del compresor de 2 etapas y realizar los
cálculos característicos para dicha maquina.
2.- Reconocer las diferentes partes del compresor de 2 etapas
FUNDAMENT
FUNDAMENTO
O TEORIC
TEORICO
O
Un compresor de dos etapas es una máquina donde se obtiene un
aumento en la presión estática cuando se succiona sucesivamente un cierto
volumen de aire dentro de un espacio cerrado para comprimirlo y luego
expulsarlo, todo esto ocurre por el desplazamiento de un elemento móvil dentro
del espacio cerrado (pistón).
En estos compresores alternativos podemos considerar a los flujos de
trabajo y refrigeración (aire y agua), como flujos estables y que pueden ser
analizados como FEES.
La primera ley de la Termodinámica aplicada a un FEES es:
Hs - Hi = W - Q
(kJ)
Donde:
Hi = entalpía del aire que ingresa al sistema.
Hs = entalpía del aire que sale del sistema.
W = trabajo del eje o indicado realizado sobre el sistema.
Q = pérdida de calor del sistema.
COMPRESOR DE 2 ETAPAS
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La ecuación anterior aplicada a compresores es:
H5 - H1 = W1 + W2 - Q1 - Q2 - Q3 - Q4 - Qrad
(kJ)
Donde:
H1 = entalpía del aire a la entrada de la primera etapa.
H2 = entalpía del aire a la salida de la primera etapa.
H3 = entalpía del aire a la entrada de la segunda etapa.
H4 = entalpía del aire a la salida de la segunda etapa.
H5 = entalpía del aire a la salida del post enfriador.
W1 = trabajo específico entregado a la primera etapa.
W2 = trabajo específico entregado a la segunda etapa.
Q1 = calor entregado al agua de refrigeración de la primera etapa.
Q2 = calor entregado al agua de refrigeración del ínter enfriador.
Q3 = calor entregado al agua de refrigeración de la segunda etapa.
Q4 = calor entregado al agua de refrigeración de la postenfriador.
Qrad = pérdidas de calor por convección y radiación.
Se debe observar que se debe tomar a W1 y W2 como el trabajo
entregado al compresor o como el trabajo indicado en el cilindro del compresor.
En el primer caso incluimos las pérdidas mecánicas del compresor, en el
segundo las excluimos; estas pérdidas aparecen como calores parciales en la
camiseta de agua y parcialmente al medio ambiente.
Esquema simplificado de la instalación
Consideremos un compresor ideal, sin volumen muerto y que no presente
pérdidas de presión en la succión y descarga.
Cuando se desea comprimir aire a altas presiones se utilizan
compresores de varias etapas.
Si no hubiese enfriamiento intermedio el proceso de compresión seguiría
una trayectoria continua. La curva de compresión por etapas con
interenfriamiento se acerca al proceso isotérmico.
El trabajo y la potencia entregados a un compresor real son diferentes a
los obtenidos en el compresor ideal, ya que un remanente de gas que queda en
el volumen muerto se expande cuando las válvulas están cerradas. El volumen
COMPRESOR DE 2 ETAPAS
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muerto reduce la capacidad del compresor, esta reducción aumenta a medida
de que aumenta la relación de compresión.
diagrama P vs V de un compresor de 2 etapas
Además debido a las perdidas de presión en las válvulas y tuberías, la
presión del aire durante la succión es menor que la presión del medio de donde
es succionado y durante la descarga la presión es mayor que la presión en la
tubería de descarga.
POTENCIA INDICADA
Es una potencia aproximada que va a desarrollar el compresor y que se
mide gracias a la ayuda del “Indicador de Diagrama” ( el cual es posible utilizar
en maquinas de relativa baja velocidad como: bombas , compresores, etc).
Este indicador de diagrama nos construye una grafica P vs volumen en el
cilindro del compresor.
Para el calculo de la potencia indicada sera necesario un parámetro
característico del indicador, como lo es la constante de rigidez del resorte (k), la
longitud (“De carrera”), del diagrama y el area del diagrama indicado, el cual se
puede medir gracias a un planímetro. Usamos la siguiente formula en el caso
de nuestro experimento.
PI = P  Vd ; [ watts ] ………….(θ)
Donde.
P : Presión media indicada en N/m2
Vd : volumen desplazado por unidad de tiempo m3/s
Además:
P=
COMPRESOR DE 2 ETAPAS
K A
L
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Donde:
K: constante del resorte del indicador de diagrama
A: área del diagrama
L: longitud del diagrama
Las constantes de los resortes del indicador de diagrama son
El funcionamiento de un compresor alternativo esta caracterizado por los
siguientes parámetros:
1.- EL PORCENTAJE DE VOLUMEN MUERTO
Es la relación entre el volumen muerto Vo y el volumen de desplazamiento
Vd
=
Vo
Vd
En compresores de baja presión ε (2 – 5%).
En compresores de alta presión ε (5 – 10%).
La eficiencia volumétrica aparente tomando en cuenta la perdida de
presión la entrada se obtiene del diagrama indicado.
 P 2 1 / m 
v = 1 −  .
 − 1
1
P



2.- EFICIENCIA VOLUMÉTRICA REAL O TOTAL
Esta eficiencia difiere de la anterior por los siguientes motivos:
a) El fluido se calienta durante toda la carrera de succión cuando se pone en
contacto con las válvulas, paredes del cilindro y pistón.
b) Existen fugas por los anillos del pistón, válvulas y uniones.
En compresores la disminución de la eficiencia volumétrica es más
acentuada debido a la precipitación de la humedad en el ínterenfriador.
Esta eficiencia se define como la relación entre peso de fluido descargado
durante la revolución del eje del compresor y el peso de fluido a las
condiciones de la línea de succión, que ocuparía un volumen igual al
desplazamiento total de una revolución.
nVr =
COMPRESOR DE 2 ETAPAS
mr
md
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Se utilizan además las siguientes eficiencias para determinar la potencia
realmente entregada al compresor.
LA EFICIENCIA ISOTÉRMICA  isot.
Es la relación de la potencia isotérmica Wisot y la potencia indicada PI.
nisot =
Wisot
PI
LA EFICIENCIA MECÁNICA  m.
Es la relación entre la potencia indicada Wi y la potencia en el eje del
compresor Weje.
PI
nm =
PE
EQUIPOS
DATOS TECNICOS DEL COMPRESOR DE AIRE DE DOS ETAPAS
COMPRESOR DE 2 ETAPAS
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PRIMERA ETAPA (BAJA PRESION)
Número de cilindros
...........................................................
2
Carrera ....................................................................................
101.6mm
Diámetro interior ...................................................................
101,6 mm
Volumen de desplazamiento ..................................................
1,647 l lit
Volumen muerto
..................................................................
29,5 cm 3
Presión máxima
......................................................................
10,3 bar
Relación de velocidades, motor / compresor ............................
3 :1
Eficiencia de la transmisión
....................................................
0,98
Rango de velocidades
..............................................
300 - 500 RPM
SEGUNDA ETAPA (ALTA PRESION)
Número de cilindros
............................................................
1
Carrera .....................................................................................
101,6mm
Diámetro interior .....................................................................
76,2 mm
Volumen de desplazamiento ..................................................
0,463 l lit
Volumen muerto
.................................................................
28,2 cm 3
Presión máxima
......................................................................
13,8 bar
Relación de velocidades, motor / compresor ............................
3:1
Eficiencia de la transmisión
....................................................
0,98
Rango de velocidades
.............................................
300 - 500 RPM
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PROCEDIMIENTO DEL ENSA
ENSAYO
YO
1)
Antes del encendido:
a)
Observar si los manómetros inclinados se encuentran en cero.
b)
Llenar los pozos de aceite de los termómetros con aceite.
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c)
2)
Drenar el condensado del interenfriador, postenfriador y tanque de
almacenamiento.
Procedimiento del ensayo:
a)
Verificar que las válvulas de 3 vías estén en la posición correcta.
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b)
Ajustar los flujos de agua de refrigeración, hasta obtener lecturas
comprendidas entre 18 y 20 cm de agua. En los medidores de
flujo.
c)
Accionar las llaves de funcionamiento en vacío
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d)
Ubicar los reguladores de velocidades en su posición mínima.
e)
Cuando la presión en el tanque de almacenamiento se acerque a
la presión deseada, abrir lentamente la válvula de
estrangulamiento. La posición correcta de la válvula de
estrangulamiento para obtener una presión constante en el
tanque, será aquella que produzca la misma caída de presión en
la tobera de descarga con respecto a la caída de presión en el
orificio de entrada.
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DA
DATTOS DEL LABORA
LABORATTORIO
Presión
de Aire
(bar)
Punto
1
2
3
4
P6
8
8
8
8
P2
2
2
3
3.5
Dinamómetro de Alta
Presión
RPM
1400
1100
980
850
Fza.
(Kg)
2.5
2.7
2.6
2.6
Manómetros
(cm H2O)
Temperaturas del aire ( ºC )
TA
18
18
18
18
T1
36
36
36
36
T2
87
95
110
122
T3
33
36
48
40
T4
102
94
96
85
T5
33
38
39
39
T6
33
30
29
30
T7
27
27
27
27
Alturas de los
medidores de agua
(cm. de H2O)
Volts. Amps. C.B.P I.E. C.A.P.
200 10.5 23.3 27.2 33
175
10
23.3 26.8 35.5
140
9.5
23.4 27
33
130
9.5
23.3 26.9 32.4
P.E.
20.5
20.2
20.4
20.3
ho
12.5
14
15.5
18
Dinamómetro de Baja
Presión
RPM
1327
1250
1150
1250
Fza.
(Kg)
5
5.3
5.4
5.4
Temperaturas del agua
de Refrigeración
Tia T1a T2a T3a T4a
22.5 41 31 37 38
22.5 43 32 42 39
22.5 45 34 35 38
22.5 48 34 40 37
Volts. Amps.
180
12
195
13
205
15
230
16
Áreas de diagrama
indicado
C.B.P.
(cm2)
3.61
3.64
4
3.75
Longitud de carrera
En el diagrama
CBP
(cm)
CAP
(cm)
3.62
4.12
3.53
4.22
3.2
4.21
3.61
4.36
COMPRESOR DE 2 ETAPAS
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C.A:P
(cm2)
3.52
3.52
3.25
2.99
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CALCUL
CALCULOS
OS Y RESUL
RESULTTADOS
Primero vamos a hallar los cálculos para un solo punto del total tomados
en la experiencia; los cálculos para los demás puntos serán realizados en
forma análoga y serán mostrados todos mediante tablas.
1.- CÁLCULO DEL FLUJO MÁSICO DE AGUA DE REFRIGERACIÓN:
Las formulas para determinar los flujos en función de las alturas del agua
alcanzada en los medidores tienen la siguiente forma:
Q = KH n ; [ lt/hr] (volumétrico)
Para que sea flujo masico hay que multiplicarlo por la densidad y
convertir las horas en segundos:
 =
m
KH n 
; [ kg/s] (másico)
3600
- PARA EL COMPRESOR DE BAJA COMPRESIÓN:
m
 CBP =
m
 CBP =
COMPRESOR DE 2 ETAPAS
10,4  H 0.527   H 2 O
3600
10,4  (23.3) 0.527 1 Kg lt
3600
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m
 CBP = 0.01518 Kg s
- PARA EL COMPRESOR DE ALTA COMPRESIÓN:
8.3  H 0.545  H 2O
=
3600
8.3  (33) 0.545 1 Kg lt
=
3600
m
 CAP
m
 CAP
m
 CAP = 0.01550 Kg s
- PARA EL INTERCAMBIADOR:
0.50
12,4  H   H 2O
 Inter =
m
3600
12.4 (27.2) 0.50  1 Kg lt
=
m
 Inter
3600
m
 Inter = 0.01796 Kg s
- PARA EL POSTENFRIADOR:
 POS =
m
11.7  H 0.494   H 2O
3600
11.7  (20.5) 0.494 1 Kg lt
3600
= 0.01445 Kg s
m
 POS =
m
 POS
2.- CÁLCULO DEL FLUJO DE AIRE
Para calcular el flujo de aire vamos a usar la caja de aire cuyo diámetro
del orificio es 40 cm y cuya fórmula de cálculo es:
Qaire = 36.904  10 −4 
H  TA
; [ m3/s]
PA
 aire = 1.2577  10 −4 
m
PA  H
; [ Kg/s]
TA
Donde:
H : en metros de agua
PA: en bar
TA : en K
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Reemplazando tenemos:
Qaire = 36.904 10 −4 
0.0125  291K
0.99
Qaire = 0.007073 m s
3
0.99  0.0125
291K
= 0.008201 Kg s
m aire = 1.2577 
m aire
3.- CÁLCULO DE LA POTENCIA ELÉCTRICA SUMINISTRADA A CADA
MOTOR
Para ambos motores de corriente continua tenemos:
Pelect = V  I
; [ watts ]
Donde:
V: en voltios
I: en amperios
Reemplazamos y tenemos:
Pelect CBP = 180 12 = 2160 watts
Pelect CBP = 2. 16 Kw
Pelect CAP = 200 10 .5 = 2100 watts
Pelect CAP = 2.1Kw
4.- CÁLCULO DE LA POTENCIA AL EJE ENTREGADA POR EL MOTOR
ELÉCTRICO
Para su cálculo utilizaremos la siguiente expresión:
Peje =
F N
; [watts]
3.0592
Donde:
F: kilogramos fuerza
N: en r.p.m.
Reemplazando tenemos:
5  1327
= 2168.867Watts
3.0592
Peje CBP = 2.168 Kw
PejeCBP =
2.5 1400
= 1144.089watts
3.0592
Peje CAP = 1.144 Kw
Peje CAP =
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5.- POTENCIA ENTREGADA AL COMPRESOR
Considerando que la eficiencia mecánica de la transmisión es 0.98
Pentregada CBP = 0.98  2.168
= 2.1246kW
Pentregada CAP = 0.98  1.144
= 1.1211kW
La potencia total entregada a ambos compresores es:
2.1246 +1.1211 = 3.247Kw
6.- CÁLCULO DE LA POTENCIA INDICADA (PI):
PI = P Vd ; [watts] ………….(θ)
Donde.
P : Presión media indicada en N/m2
Vd : volumen desplazado por unidad de tiempo m3/s
Además:
P=
K A
L
Donde:
K: constante del resorte del indicador de diagrama
A: área del diagrama
L: longitud del diagrama
Las constantes de los resortes del indicador de diagrama son:
psi
Kg
= 19544202 3
pu lg
m
psi
Kg
CAP → K =180
= 48860504 3
pu lg
m
CBP → K = 72
Para un CBP:
(19544202)  (3.61 10− 4 )
N
P=
= 194902.1207 2
−2
m
3.62 10
Para un CAP:
(48860504)  (3.62 10−4 )
N
= 417448.966 2
P=
−2
m
4.12 10
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CALCULO DE Vd:
Para el CBP:
  s  N
4  60  3
2
V
Se sabe que:
Esto debido a que la relación de velocidades entre el motor y el
compresor es de 3:1; es decir el compresor se mueve 3 veces menos que el
motor.
Reemplazamos valores:
6 2  0.1016 1327
m3
= 0.00607
4  60  3
s
V
Para el CAP:
  s  N
4 60 3
2
m3
2    0.1016  1400
= 0.003604
4  60  3
s
2
V
V
Reemplazamos en (θ):
LA POTENCIA INDICADA (PI):
N
m3
PICBP = 194902.1207 2  0.00607 = 1.1835Kw
m
s
N
m3
PI CAP == 417448.966 2  0.003604
= 1.5044Kw
m
s
7.- CALORES ABSORBIDOS POR EL AGUA DE REFRIGERACIÓN
  CP  (Ta − Tia ) ; [kW].
Q REF = m
m : Flujo masico
C P = 4.18 Kj Kg º C
Ta : Temperatura del agua
Tia : Temperatura del agua a la entrada
Calcularemos los calores absorbidos por el agua de refrigeración que
pasan por ambos compresores, el intercambiador y el postenfriador.
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Q
152 4.18 (41− 22.5) = 1.1740kw
Q
155 4.18 (37 − 22.5) = 0.9395kw
Q
0180  4.18 (31− 22.5) = 0.6383kw
45  4.18  (38 − 22.5) = 0.9363kw
Q
El calor total absorvido por el agua de refrigeración es:
881Kw
Q
8.- CALCULO DE LA ENERGÍA APROVECHABLE
H 5 − H 1
Donde:
H 5 : Entalpia a la entrada del compresor
H1 : Entalpia a la salida de postenfriador:
T5 − T1 ) = 0.00825 1.0035 (33− 36)
H
H
48Kw
9.- PERDIDAS DE CALOR POR RADIACIÓN Y CONVECCION
H 5 − H 1 =  Pentregada −  QR −Q RAD
0.0248 = 3.247 −3.6881 − Q
Q
4165Kw
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DIAGRAMA SANKEY
Para el punto 1
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Para el punto 2
COMPRESOR DE 2 ETAPAS
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Para el punto 3
COMPRESOR DE 2 ETAPAS
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Para el Punto 4
10.- EFICIENCIA MECÁNICA:
n m− CBP =
Pindicada
1.1835
= 0.557
2.124
1.5044
=
= 1.342
1.121
=
Pentregada −CBP
Pindicada
n m− CAP =
Pentregada −CAP
11.- EFICIENCIA VOLUMÉTRICA APARENTE:
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 P 2  1 / m 
 − 1

  P 1 
De acuerdo a datos experimentales obtenidos por Frankel
1er etapa n=1.20 2da etapa n=1.25
V
 = m
VD
 v = 1 −  . 
v − CBP = 1 −
1/1.2

0.0295  2 +1 
. 
− 1 = 0.9732

1.647  1 

1/1.25

0.0282  8 +1 
v − CAP = 1 −
. 
− 1 = 0.9142

0.463  2 +1 

CUADROS DE RESULTADOS
Flujo masico
del aire (kg/s)
Flujo masico del agua de refrigeración (kg/s)
CBP
CAP
IE
PE
 aire
m
0.0152
0.0155
0.0180
0.0145
0.00825
0.0152
0.0161
0.0178
0.0143
0.00873
0.0152
0.0155
0.0179
0.0144
0.00919
0.0152
0.0153
0.0178
0.0144
0.00990
Punto
Nº
Punto
Nº
Potencia entregada
(Kw)
CBP
CAP
Potencia Indicada
(Kw)
CBP
CAP
1
2.125
1,39 1.121
1.1835
1.5044
2
2.122
1,47 0.951
1.1528
1.1540
3
1.989
0,91 0.816
1.2857
0.9515
4
2.162
0,81 0.708
1.1613
0.7331
Calores absorbidos por la refrigeración (Kw)
CBP
CAP
IE
PE
Q total(Kw)
1
1.1740
0.9395
0.6383
0.9363
3.6881
2
1.3009
1.3148
0.7081
0.9894
4.3133
3
1.4311
0.8099
0.8604
0.9340
4.0354
4
1.6182
1.1226
0.8588
0.8716
4.4713
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Punto
Energía
aprovechable
Calor por radiacion y conv.
Nº
H5-H1 (Kw)
Qrad (Kw)
Eficiencia
Mecánica (nm)
CBP
CAP
1
-0.0248
-0.4165
0.557
1.342
2
0.0175
-1.2571
0.543
1.213
3
0.0277
0.0298
-1.2575
0.646
1.166
-1.6308
0.537
1.036
4
Punto
Nº
Eficiencia volumétrica
aparente (nv_aparente)
CBP
CAP
1
0.9732
0.9142
2
0.9732
0.9142
3
0.9610
0.9444
4
0.9552
0.9549
OBSERV
OBSERVACIONES
ACIONES
✓ Drenar el condensado del Inter-enfriador, post-enfriador y tanque de
almacenamiento, durante la toma de los datos, esperar unos minutos
para que las medidas de los instrumentos se estabilicen.
✓ La variación del calor en los Inter-enfriadores es pequeña, por lo que la
eficiencia volumétrica varía en pequeño margen.
✓ Los calores absorbidos por los equipos son menores conforme nos
acercamos a la presión intermedia teórica.
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CONCL
CONCLUSIONES
USIONES
➢ Siempre en los puntos tomados el compresor de alta presenta mayor
eficiencia mecánica que el de baja.
➢ La eficiencia isotérmica es máxima conforme la presión intermedia se
acerca a la presión intermedia ideal.
➢ Se puede notar la variación entre las temperaturas del aire, a la entrada
y la salida, del intercambiador que es considerable por lo que se pude
afirmar que el intercambiador cumple su objetivo de enfriar, que absorbe
el calor y que lo disipa al agua de refrigeración y por radiación y
convección al medio exterior. Y lo mismo se puede afirmar para el
postenfriador.
➢ Los calores absorbidos por los equipos son menores conforme nos
acercamos a la presión intermedia teórica.
BIBLIOGRA
BIBLIOGRAFÍA.
FÍA.
MANUAL PARA EL LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA III
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