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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRIDDEPARTAMENTO DE TÉRMICA Y DE FLUIDOSINGENIERÍA INDUSTRIALPROYECTO FINAL DE CARRERASELECCIÓN Y DISEÑO DECOMPRESORESCENTRÍFUGOSAutor: César Gil TolmoTutor: Domingo SantanaEnero 2013
AgradecimientosA todas aquellas personas que me han ido apoyando y ayudando día a día, haciendo que laardua tarea de realizar este proyecto se haga más amena. Y a aquellos que, de manerainconsciente, han hecho que mi vida cada vez sea mejor.
Selección y Diseño de Compresores CentrífugosÍndiceÍNDICEResumen. 9PARTE I . 111. Introducción . 132. Reseña histórica de los compresores . 173. Aplicación de los compresores en la industria . 194. Clasificación de los compresores . 214.1. Compresores dinámicos . 214.2. Compresores de desplazamiento positivo . 255. Comparación entre compresores dinámicos y de desplazamiento positivo . 316. Componentes de un compresor centrífugo . 336.1. Impulsor . 336.2. Difusor . 366.3. Rotor . 376.4. Plato o collar de empuje . 386.5. Pistón de balance . 386.6. Dispositivo de sellado . 396.7. Cojinetes radiales . 406.8. Cojinete de empuje . 416.9. Álabes guía de entrada . 416.10. Diafragma . 426.11. Barril . 436.12. Carcasa . 437. Equipos y sistemas auxiliares de los compresores . 457.1. Presostato . 457.2. Manómetro . 457.3. Intercooler (enfriador o refrigerador) . 457.4. Tanque. 467.5. Regulador de intermitencias (interruptor). 467.6. Filtro . 467.7. Sistema de lubricación de aceite . 475
Selección y Diseño de Compresores CentrífugosÍndice7.8. Sistema anti-surge . 497.9. Acoplamientos. 517.10. Sistema de venteo de vapores . 548. Comportamiento rotodinámico . 558.1. Respuesta al desbalance . 558.2. Inestabilidad . 579. Efectos del ensuciamiento . 5910. Fallas en un compresor dinámico . 6110.1. Falla de impulsor . 6110.2. Oscilación de la presión de aspiración . 6110.3. Alta temperatura de cojinete de empuje . 6110.4. Alta vibración del compresor . 6111. Termodinámica del proceso . 6311.1. Estados de equilibrio de un fluido y procesos termodinámicos . 6311.2. Propiedades fundamentales de los fluidos . 6311.3. El gas perfecto y el gas real. Ecuaciones de estado . 6612. Características de los compresores centrífugos. 7112.1. Relación de compresión máxima en una etapa de un compresor . 7312.2. Relación de compresión máxima en un compresor de varios escalonamientos . 7412.3. Relaciones de compresión . 7512.4. Refrigeración . 7912.5. Ángulo de salida de los álabes del impulsor radial de baja presión. 8712.6. Factor de disminución de trabajo de los compresores centrífugos . 9013. Características generales de los compresores . 9313.1. Rendimiento de los compresores. 9313.2. Número específico de revoluciones . 9413.3. Incremento de presión . 9613.4. Funcionamiento de los compresores fuera del punto de diseño . 9813.5. Curvas características generales de un compresor . 9913.6. Estudio particular de un escalonamiento . 10014. Diseño de un compresor centrífugo. 10314.1. Cálculo de la altura politrópica. 10314.2. Cálculo de la potencia del compresor . 10414.3. Cálculo de la temperatura a la salida . 1046
Selección y Diseño de Compresores CentrífugosÍndice14.4. Selección del número de revoluciones . 10414.5. Determinación del número de escalonamientos . 10514.6. Cálculo geométrico principal . 10714.7. Variación del caudal . 10914.8. Estimación simultánea de las dimensiones principales del impulsor . 11014.9. Número y trazado de los álabes . 11414.10. Cálculo de la corona directriz sin álabes . 11614.11. Cálculo de la corona directriz con álabes . 117PARTE II . 11915. Método de cálculo para el diseño de un compresor centrífugo . 12115.1. Caso A: caso sin intercooler . 12215.2. Caso B: caso con intercooler . 13116. Resultados finales. 15716.1. Caso A: caso sin intercooler . 15716.2. Caso B: caso con intercooler . 15917. Conclusiones. 16518. Bibliografía . 171ANEXO I . 173ANEXO II . 179ANEXO III . 193ANEXO IV . 197ANEXO V . 203ANEXO VI . 2417
Selección y Diseño de Compresores CentrífugosResumenResumenEn el mundo de la industria, el transporte de gases de un lugar a otro resulta imprescindible,pues todo proceso necesita tener alimentación constante de un fluido para poder llevar a cabola tarea para el cual ha sido asignado.Como se verá en el primer capítulo del proyecto, existen multitud de compresores. Desdepequeños compresores, como por ejemplo, una bomba para hinchar balones, hastaturbocompresores dotados de una tecnología asombrosa, capaces de requerir megavatios depotencia. El mundo del compresor es muy extenso y muchas veces complejo.La mayoría de diseños de compresores están basados en experiencias previas de losfabricantes, por lo que resulta muy difícil establecer unos valores predeterminados para llegara unos resultados satisfactorios.Este proyecto nace con la intención de dotar al lector, de manera fácil y rápida, de lasherramientas básicas para realizar el diseño de un compresor centrífugo. Haciendo uso de lateoría desarrollada en el proyecto y un programa informático, se obtendrán resultados muypróximos a la realidad. Es cierto que para la realización de este proyecto, se ha recurrido avalores experimentales tabulados por fabricantes, pues, como se ha comentadoanteriormente, es muy difícil realizar un diseño empezando de cero, sin tener experienciaprevia.El proyecto está dividido en dos partes. Una primera parte, en la que se agrupa toda la teoríanecesaria para el diseño de un compresor, y una segunda parte en la que se realizan todos loscálculos y representación final de resultados. Por último se encuentran los anexos queayudarán a entender al lector el desarrollo completo del diseño.Se expondrán dos casos: uno en el que será necesaria la utilización de refrigeradoresintermedios y otra más sencilla en la que no serán necesarios. Ambos casos utilizarán gases dela industria, por lo que se tratarán como gases reales, donde el factor de compresibilidad delgas y el exponente politrópico jugarán un papel muy importante.Para el desarrollo matemático se utilizará el software Mathcad . Mathcad es un programaalgebraico de computadora distribuido por PTC con prestaciones de cálculo numérico ysimbólico, que ofrece la capacidad de resolver, compartir, reutilizar y analizar los cálculos sintener que aprender a usar un nuevo lenguaje de programación.9
PARTE I
Selección y Diseño de Compresores Centrífugos1. Introducción1. IntroducciónLos compresores son máquinas rotativas capaces de impulsar gases de un punto a otroaumentando a su vez la presión, permitiendo el desplazamiento del fluido y su suministro amayor presión. Hay que tener en cuenta que el gas es un fluido compresible cuyo volumencambia con la presión, temperatura y composición del mismo, por lo que el estudiotermodinámico es imprescindible.Antes de introducirnos de lleno en los compresores, veamos que son las máquinas rotativas.Una máquina rotativa, como su propio nombre indica, es una máquina capaz de moverproductos, siendo éstos sólidos, líquidos o gases.Existen cuatro tipos básicos de máquinas rotativas:1. Impulsadas2. Impulsoras3. Dispositivos de transmisión4. Equipos auxiliaresA continuación se muestra detalladamente esta fragmaPistón LíquidoLobularesPaletas loCavidad ProgresivaVentiladores13
Selección y Diseño de Compresores Centrífugos1. IntroducciónTurbinas de VaporTurbinas de gasInducciónMáquinasimpulsorasMotores eléctricosSíncronosVelocidad variableCombustión internaMotores térmicosDieselGasHéliceEngranajesDoble HéliceDispositivos detransmisiónEmbraguesAcoplamientosSistemas de lubricación yselladoEquiposAuxiliaresSistemas dealmacenamiento del gasSistemas de enfriamiento14
Selección y Diseño de Compresoreses CentrífugosFigura 1.1. Bomba centrífuga.1. IntroducciónFigura 1.2. Compresor centrífugo.Figura 1.3. Turbina de vapor.Figura 1.4. Sello mecánico.15
Selección y Diseño de Compresores Centrífugos1. IntroducciónFigura 1.5. Sistema de lubricación típico.16
Selección y Diseño de Compresores Centrífugos2. Reseña histórica de los compresores2. Reseña histórica de los compresoresLos herreros antiguos solían gritar y rugir para intensificar su fuego y de esta forma facilitabanforjar el hierro, y aunque no se consideren el primer antecedente a los compresores de aireactuales, sí lo fueron. Los gritos y rugidos inhalaban aire en su expansión, luego se exhalamediante una pequeña apertura al final, logrando controlar la cantidad de aire a unalocalización específica. Durante el siglo XVII, el ingeniero físico alemán Otto von Guerickeexperimentó y mejoró los compresores de aire.En 1650, Guericke inventó la primera bomba de aire, la cual podía producir un vacío parcial y élmismo usó ésta para estudiar el fenómeno del vacío y el papel del aire en la combustión y larespiración. En 1829, la primera fase o componente del compresor de aire fue patentada.Dicho componente comprimía aire en cilindros sucesivos.En 1872, la eficiencia del compresor fue mejorada mediante el enfriamiento de los cilindrospor motores de agua, que causó a su vez la invención de cilindros de agua.Uno de los primeros usos modernos de los compresores de aire fue gracias a los buzos demares profundos, quienes necesitaban un suministro de la superficie para sobrevivir. Los buzosque emplearon compresores de aire tuvieron lugar en 1943. Los primeros mineros utilizaronmotores de vapor para producir suficiente presión para operar sus taladros, incluso cuandodichos dispositivos eran extremadamente peligrosos para los mineros.Con la invención del motor de combustión interna, se creó un diseño totalmente nuevo paralos compresores de aire. En 1960 los auto-lavados de auto-servicios, alta-presión y “hazlo túmismo” se hicieron populares gracias a los compresores de aire. Actualmente, ya sea unmecánico que disfruta de realizar por sí mismo las reparaciones de automóviles o simplementese elige tener un compresor de aire en el hogar para llenar las llantas de las bicicletas, elcompresor de aire se ha convertido en una pieza rentable para equipo de cochera. Loscompresores de aire se pueden conseguir en su presentación eléctrica o de gasolina, siendomás accesibles para consumidores hogareños. Un émbolo bombea aire comprimido dentro deun tanque a cierta presión, donde se mantiene hasta que es requerido para ciertas accionestales como hinchar llantas o apoyar el empleo de herramientas neumáticas. La mayoría de lascompañías constructoras utilizan los compresores de aire potenciados por gasolina, los cualesson transportados en vagonetas.Es difícil encontrar una casa residencial sin la intervención de un compresor de aire quepermita trabajar al martillo eléctrico, ni se encontrará equipo pesado de las mismas compañíascarentes del compresor debido a que es una herramienta esencial para llenar las llantas yoperar los distintos tipos de llaves.El aire comprimido es una herramienta sumamente importante y hoy en día su eficiencia, lacontaminación y su accesibilidad le dan la popularidad que tienen en el mercado.17
Selección y Diseño de Compresores Centrífugos2. Reseña histórica de los compresoresFigura 2.1. Bomba de aire de Otto von Guericke (1650).Figura 2.2. Compresor (s. XXI).18
Selección y Diseño de Compresores Centrífugos3. Aplicación de los compresores en la industria3. Aplicación de los compresores en la industriaEn la industria del aire comprimido, y gases en general, se usa el compresor de pistón (oreciprocante) hasta las decenas de kW. Hasta los centenares de kW se usa el compresor detornillo, también de desplazamiento positivo (o volumétrico), pero a partir de estas cifras seutiliza el compresor centrífugo, y en tamaños de MW se usa el compresor axial. Cuando no setolera aceite en el gas es necesario recurrir al compresor centrífugo, incluso en tamaños queson dominio del compresor de tornillo, si bien hay modelos de tornillo libres de aceite.En los sistemas de producción de frío por compresión del gas, al igual que en compresor deaire, se emplean compresores de pistón y de tornillo en los tamaños menores. En grandestamaños se recurre a los compresores. Principalmente se usan compresores centrífugos apartir de 400 kW de potencia al eje.En aviación se emplea aire sangrado del compresor. Tras ser enfriado hasta temperaturaambiente, mueve una turbina unida a un compresor de baja relación de compresión. Éstealimenta la cabina, lográndose así su presurizado y climatización. El frío necesario en dichaclimatización se obtiene del aire que sale de la turbina, ya que ha sufrido en ella una expansiónadiabática.En la industria química, el aire comprimido resulta de vital importancia para la operación demaquinaria industrial y múltiples aplicaciones que permiten que la materia prima entre por unlado de la línea de producción y el producto terminado salga por el extremo opuesto. Tambiénson muy utilizados en las fases de la industria del petróleo: upstream (exploración yproducción), midstream (transporte, procesos y almacenamiento) y downstream (refino, ventay distribución).19
Selección y Diseño de Compresores Centrífugos4. Clasificación de los compresores4. Clasificación de los compresoresLos compresores se pueden clasificar en: dinámicos y de desplazamiento positivo (ovolumétricos).En los compresores de desplazamiento positivo el gas aumenta su presión mediante sureducción de volumen. Los compresores dinámicos aceleran el gas e incrementan la energíacinética la cual es convertida en presión.El tipo de compresor que se va a utilizar para una determinada aplicación además dependerádel caudal, de la presión y de la capacidad del gas para ser comprimido.En general, los compresores dinámicos son la primera opción dado que los costes demantenimiento son muy bajos. La siguiente opción serían los de desplazamiento positivo, yaque no tienen válvulas y el gas está libre de pulsaciones. La última opción sería un compresorreciprocante, que es un tipo de compresor volumétrico, ya que tiene el coste demantenimiento más alto y el gas produce pulsaciones.4.1. Compresores dinámicosExisten dos tipos de compresores dinámicos: centrífugos y axiales. A los compresoresdinámicos también se les conoce como turbocompresores (centrífugos o axiales), dado queson turbomáquinas.4.1.1. Compresores centrífugosLos compresores centrífugos incrementan la energía cinética de un gas aumentando lavelocidad tangencial del gas (ver figura 4.1). El gas entra en el compresor a través de la toberade admisión, pasando por el impulsor o rodete, generando un flujo turbulento. El impulsor,que es como un disco con palas, está montado sobre un eje rotatorio. Este recibe el gas desdela tobera de admisión y lo comprime incrementando la energía cinética del gas, que se puedeconsiderar proporcional al producto de la velocidad en la punta del álabe y la velocidadtangencial en el impulsor. representa la velocidad relativa del álabe. La velocidad resultante es el vector suma de la velocidad relativa y la velocidad en la punta del álabe.Rodeando al impulsor, se encuentra el difusor, que tiene la misión de reducir gradualmente lavelocidad del gas cuando éste sale del impulsor. El difusor convierte la velocidad de la energíacinética a un nivel de presión superior. En un compresor de una etapa, el gas abandona eldifusor atravesando un canal que se encuentra en la carcasa, y finalmente sale por la tobera ocaracol de descarga. En un compresor de varias etapas, el gas que sale del difusor vadirectamente al impulsor de la siguiente etapa.21
Selección y Diseño de Compresoreses Centrífugos4. Clasificación de los compresoresFigura 4.1. Compresor centrífugo.centrífugo. El gas es dirigido hacia el impulsor desde la succión mediante losálabes del estator.DescargaAdmisiónDifusorEjeImpulsorFigura 4.2. Compresor centrífugo de una etapa. SeS pueden ver algunos elementos que lo componen.22
Selección y Diseño de Compresores Centrífugos4. Clasificación de los compresoresFigura 4.3. Compresor de varias etapas. Cada disco (impulsor) representa una etapa, en la que el gas secomprime, aumentando su energía, pasando a la siguiente. En esta imagen no hay difusores, sóloimpulsores.4.1.2. Compresores axialesEn la figura 4.4 se muestra un compresor axial típico. Un compresor axial consta de un eje conálabes rotativos (rotor) y una carcasa cónica con álabes fijos (estator). Cada conjunto de álabesdel rotor está acompañado por los álabes del estator. El gas entra por la tobera de admisión, lacual guía el gas hasta la voluta (zona de descarga). En la entrada de la voluta, el gas se acelera,atravesando los álabes del estator. Los álabes del estator hacen que la velocidad del gasaumente, incrementando así la energía cinética del gas. Los álabes del rotor actúan comodifusores, haciendo que la velocidad del gas disminuya, provocando un aumento de la presión.Los álabes del estator orientan el gas hacia el siguiente conjunto de álabes. De esta manera, seva acelerando y decelerando el gas hasta su descarga. La presión aumenta cada vez que el gascircula por los álabes del estator. Finalmente, el gas pasa por la salida de la voluta y por latobera de descarga, abandonando el compresor.Figura 4.4. Compresor axial multi-etapa.23
Selección y Diseño de Compresores Centrífugos4. Clasificación de los compresores4.1.3. Comparación entre los compresores centrífugos y los axialesEl compresor centrífugo tiene las siguientes ventajas sobre el axial:-Mayor robustez, y por tanto, mayor seguridad en la explotación.-Menor número de escalonamientos.-Mayor facilidad de alojamiento de los sistemas de refrigeración intermedia.-Mayor zona de estabilidad de funcionamiento, por lo que respecta al fenómeno debombeo.El compresor axial ofrece las siguientes ventajas con relación al centrífugo:-Mejor rendimiento.-Para un mismo gasto másico y presión, mayor número de revoluciones.-El compresor axial tiene menor volumen, menor superficie frontal, y menor peso paraigualdad de gasto másico y de relación de compresión. Esta ventaja esexcepcionalmente importante en aviación, e históricamente constituyó el estímulopara la evolución del compresor axial con destino a los turborreactores. La ventaja sehace patente en el campo de las relaciones de compresión elevadas y grandespotencias. Por esta razón, los compresores de las turbinas de gas de gran potenciasuelen ser axiales y los de turbina de gas de pequeña potencia, centrífugos.Si la relación de compresión es pequeña, ésta se puede lograr con un compresor centrífugo deun solo escalonamiento o etapa, con lo cual el peso y volumen de la máquina será menor quesi se empleara un compresor axial, que necesariamente tendría que ser de variosescalonamientos.La relación de compresión por escalonamiento es:Compresor centrífugoCompresor axialValores máximosValores normales3 51,5 2,51,5 21,05 1,2Tabla 4.1. Relaciones de compresión por escalonamiento de los compresores.24
Selección y Diseño de Compresoreses Centrífugos4. Clasificación de los compresores4.2. Compresores de desplazamiento positivoLos compresores de desplazamiento positivo se utilizan para aplicaciones con caudalespequeños y/o pesos moleculares pequeños. Existen varios tipos:4.2.1. Compresores lobularesobularesSe conocen como compresores de doble rotor o de doble impulsor aquellos que trabajantcondos rotores acoplados, montados sobre ejes paralelos, para una misma etapa de compresión.Una máquina de este tipo muy difundida es el compresor lobular. Esta unidad consisteesencialmente de dos rotores montados en una carcasaa y conectados por engranajesconducidos por el cigüeñal. Los dos rotores son diseñados de tal forma que no tienen contactoalgunouno entre ellos ni con la carcasa,carcasa pero los juegos debeneben ser lo más estrechos posible paraasegurar pequeñass perdidas de gas cuando está operando a bajas velocidades.Para evitar el contacto entre los lóbulos, éstos están perfectamente sincronizados.ImpulsorDescargaSucciónFigura 4.5. Compresor lobular, formado por dos rotores. Cada rotor tiene dos lóbulos que comprimenlos gases.4.2.2. Compresores de paletas deslizantesEste tipo de compresores consiste básicamente en una cavidad cilíndrica dentro de la cual estáubicado en forma excéntrica un rotor con ranuras profundas.profundas Unasnas paletas rectangulares sedeslizan libremente dentro de las ranuras de forma que al girar el rotor,rotor la fuerza centrífugaempuja las paletas contra la pared del cilindro. El gas al entrar, es atrapado en los espacios queforman las paletas y la pared de la cavidad cilíndrica es comprimida al disminuir el volumenvoldeestos espacios durante la rotación.25
Selección y Diseño de Compresoreses Centrífugos4. Clasificación de los compresoresEntradaDescargaPasador de empujeRanuraPaletaCavidad cilíndricaRotorFigura 4.6. Compresor de paletas deslizantes.4.2.3. Compresores de tornilloornilloEl compresor de tornillo es un compresor de desplazamiento con pistones en un formato dedtornillo. Las piezas principales del elemento de compresión de tornillo comprenden rotoresmachos y hembras que se mueven unos hacia otros mientras se reduce el volumen entre elloselloy el alojamiento. La relación de presión de un tornillo depende de la longitud y perfil de dichotornillo y de la forma del puerto de descarga.El tornillo no está equipado con ninguna válvula y no existen fuerzas mecánicas para crearningún desequilibrio.io. Por tanto, puede trabajar a altas velocidades de eje y combinar un grancaudal con unas dimensiones exteriores reducidas.Figura 4.7. Compresor de tornillo.26
Selección y Diseño de Compresoreses Centrífugos4. Clasificación de los compresores4.2.4. Compresores de pistón-líquidopistónEl compresor de pistón de líquidoíquido es una máquinamácon rotor de aletas múltiple girando en unacaja que no es circular. La caja se llena, en parte de líquido y a medida que el rotor da vueltas,lleva el líquido con las paletas formandoformuna serie de bolsas. El líquido, constantemente estásaliendo y entrando a lass bolsas formadas entre las paletas (dos veces por cada revolución). Amedida que el líquido sale de la bolsa la paleta se llena de gas. Cuando el líquido vuelve a labolsa, el gas se comprime.Puerto deentradaPuerto dedescargaEntradaDescargaPuerto dedescargaPuerto deentradaFigura 4.8. Compresor de pistón-líquido.4.
Es difícil encontrar una casa residencial sin la intervención de un compresor de aire que permita trabajar al martillo eléctrico, ni se encontrará equipo pesado de las mismas compañías carentes del compresor debido a que es una herramienta esencial para llenar las llantas y operar los distintos tipos de llaves.
