capitulo 5. procesos de compresión

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Procesos de Comprensión 5.1 Introducción Después de haber efectuado una revisión general de todos los compresores en el capitulo anterior, ahora se hará un análisis de los procesos de compresión, con aplicación de los turbocompresores, por ser este tipo de máquinas la mas usada en los procesos industriales de comprensión de aire o gas, debido a las ventajas que ofrecen sobre las máquinas de pistón. En los capítulos que siguen se estudiaran con detalles los turbocompresores centrífugos y los axiales, analizando también los parámetros de diseño de los mismos. 5.2 Procesos de compresión Los procesos de compresión de aire o gas con un compresor suelen ser de las tres formas siguientes: Compresión politrópica sin enfriamiento. Compresión politrópica eliminando calor (con enfriamiento) Compresión isotérmica (con enfriamiento regulado) A continuación se hace un análisis de estos tres tipos de procesos. 5.3 Compresión politrópica sin enfriamiento. Factor de recalentamiento. Rendimiento interno. El proceso de compresión politrópica (sin enfriamiento) suele emplearse en aquellos casos en que las presiones de trabajo son relativamente modernas, esto es, donde el calor generado en la compresión no comprende la operación de la maquina, tanto a lo que se refiere al proceso de compresión como a la garantía que debe ofrecerse ante una posible destrucción prematura de los álabes. Tampoco se usa refrigeración en aquellos compresores que forman parte de los motores de turbina de gas, salvo que divida la compresión, pues como ya se ha dicho antes, seria ilógico quitar color al aire que va a servir como comburente en la combustión de un combustible. Antes de entrar al compresor se resulta ventajoso enfriar el aire, para reducir el trabajo de compresión, siempre que ello se justifique o que se empleen sistemas de enfriamiento económicos. El proceso de compresión adiabático- politrópico, como ya se sabe por Termodinámica esta regido por la ecuación Pv n = C (Ec. 5.1) donde p significa presión, v, volumen especifico y n es el exponente politrópico que caracteriza el proceso y que puede tomar valores diferentes. C es una constante, determinable por los valores de p y v en el origen y conocido n. O también, si se tienen valores de p y v en dos estados, se puede calcular n. El valor del exponente n

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Page 1: Capitulo 5. Procesos de Compresión

Procesos de Comprensión 5.1 Introducción

Después de haber efectuado una revisión general de todos los compresores en el capitulo anterior, ahora se hará un análisis de los procesos de compresión, con aplicación de los turbocompresores, por ser este tipo de máquinas la mas usada en los procesos industriales de comprensión de aire o gas, debido a las ventajas que ofrecen sobre las máquinas de pistón. En los capítulos que siguen se estudiaran con detalles los turbocompresores centrífugos y los axiales, analizando también los parámetros de diseño de los mismos.

5.2 Procesos de compresión

Los procesos de compresión de aire o gas con un compresor suelen ser de las tres formas siguientes:

• Compresión politrópica sin enfriamiento. • Compresión politrópica eliminando calor (con enfriamiento) • Compresión isotérmica (con enfriamiento regulado)

A continuación se hace un análisis de estos tres tipos de procesos.

5.3 Compresión politrópica sin enfriamiento. Factor de recalentamiento. Rendimiento interno.

El proceso de compresión politrópica (sin enfriamiento) suele emplearse en aquellos casos en que las presiones de trabajo son relativamente modernas, esto es, donde el calor generado en la compresión no comprende la operación de la maquina, tanto a lo que se refiere al proceso de compresión como a la garantía que debe ofrecerse ante una posible destrucción prematura de los álabes. Tampoco se usa refrigeración en aquellos compresores que forman parte de los motores de turbina de gas, salvo que divida la compresión, pues como ya se ha dicho antes, seria ilógico quitar color al aire que va a servir como comburente en la combustión de un combustible. Antes de entrar al compresor se resulta ventajoso enfriar el aire, para reducir el trabajo de compresión, siempre que ello se justifique o que se empleen sistemas de enfriamiento económicos.

El proceso de compresión adiabático- politrópico, como ya se sabe por Termodinámica esta regido por la ecuación

Pvn= C (Ec. 5.1)

donde p significa presión, v, volumen especifico y n es el exponente politrópico que caracteriza el proceso y que puede tomar valores diferentes. C es una constante, determinable por los valores de p y v en el origen y conocido n. O también, si se tienen valores de p y v en dos estados, se puede calcular n. El valor del exponente n

Page 2: Capitulo 5. Procesos de Compresión

califica el proceso, y así se van a analizar algunos valore de n característicos en los procesos de comprensión.

a) Para n= k

Cuando n= k se tiene un proceso de compresión adiabática reversible, esto es,

isoentrópico, siendo k= c (relación de colores específicos constantes y a volumen

constante). El valor de k siempre es mayor que uno, pues cp > cv. Para el aire en condiciones normales k= 1.4 pero varia con la temperatura ya que cp y cv son funciones de la temperatura. En la tabla 5.1 se dan valores de cp, cv y k para el aire y algunos gases, en función de la temperatura.

En las figuras 5.1 y 5.2 se marca un proceso isoentrópico (n= k) por la curva 1-2, en los diagramas pv y ts.

Según se sabe por Termodinámica, el trabajo de compresión en un proceso sin fricción (reversible) y adiabático, esto es, isoentrópico, viene dado por

(Es.5.2)

wi ∫ vdp = RT1 - 1

p v 

2i 

kk‐1 

P 2 P1 

n‐1 

 

S  Figura 5.1 procesos de compresión  en el diagrama pv  Figura 5.2 procesos de compresión en 

el diagrama Ts  

Page 3: Capitulo 5. Procesos de Compresión

Expresando wi el trabajo efectuado por el compresor por unidad de masa de flujo, considerando el gas como ideal y despreciable en energía cinética. Los valores de la constante R se consignan en la tabla 5.2.

Aplicando, bajo las mismas condiciones, la primera ley de Termodinámica par un sistema abierto de flujo estable, se tiene

wi = h2i – h1 = cp (T2i – T1) (Ec. 5.3)

Correspondiendo la temperatura final T2i del proceso isoentrópico al valor mínimo que puede tomar en proceso adiabático; su valor es

T2i = T1 ( )

Para el caso de n = k (proceso isoentrópico), las dos formulas 5.2 y 5.3 dan el mismo valor para el trabajo de compresión wi, por efectuarse este sin fricción y sin tomar ni ceder calor el fluido que se comprime.

b) Para n> k

Cuando la compresión es politrópica, sin enfriamiento con n> k. El proceso se produce en los diagramas pv y Ts, según las curva 1-2a (figura 5.1 y 5.2), con entropia creciente, como corresponde a un sistema aislado no reversible. El valor de n suele estar entre 1.5 y 1.62 en turbocompresores sin enfriamiento.

La temperatura final T2a será mayor que la corresponde al proceso adiabático reversible T2i esto es

P2 

P1

k‐ 1 k 

T2a >T2i

Page 4: Capitulo 5. Procesos de Compresión

Ya que T2i es la mínima posible en proceso adiabático reversible. El valor de T2a sale la ecuación de las politrópicas, o sea

T2a = T1 ( ) Para una determinada relación de presiones y una temperatura inicial dada, la temperatura final T2a crece con n

Si con un valor de n > k se efectuara un trabajo de comprensión ideal, sin fricción, este vendría dado por

Y como n > k, el valor de este trabajo hecho por la máquina seria mayor que el que corresponde a n = k, para los mismos valores de T1 y P2 . Así es el resultado

Matemático y así se advierte en la figura 5.1, esto es.    

El trabajo actual se obtiene de la primera ley de la Termodinámica aplicada a un sistema abierto, flujo estable, son cambios apreciados en las energías cinéticas y potencial, en proceso adiabático, ya que no se intercambia calor con los alrededores, esto es,

Siendo naturalmente

Esto es, el trabajo actual es mayor que el ideal debido a la fricción, la cual origina un calor de recalentamiento del fluido que eleva el valor de la entalpia h2a y de la temperatura T2a finales.

P2 n‐1 

P1 

P1

Page 5: Capitulo 5. Procesos de Compresión

El calor de recalentamiento q recale se cuantifica por la diferencia entre los dos trabajos, esto es

El coeficiente de recalentamiento α se define por la relación entre la energía o calor de recalentamiento q recale y la energía o trabajo en proceso isoentrópico entre los mismos límites de presión, o sea

En valor de α crece con la relación de presiones y disminuye cuando el rendimiento interno del compresor. Puede tener valores desde 0.01 a 0.24 aproximadamente. Este coeficiente α sirve parar definir el factor de recalentamiento fr según la formula

El rendimiento interno de un compresor ni a que se ha hecho referencia en párrafos anteriores, viene definido por la relación del trabajo de compresión en proceso isoentrópico y el trabajo en proceso adiabático actual, o sea

el cual puede calcularse por cada escalonamiento si estos son diferentes, o por toda la maquina si los escalones son iguales.

Relacionando las ecuaciones 5.7 y 5.9 se tiene.

Cuya ecuación nos muestra la forma conjugada de los parámetros α y ni esto es, si α crece, ni disminuye, y recíprocamente.

Ejemplo 5.1

Se comprime aire en un turbocompresor no enfriado siguiendo un proceso politrópico con n = 1.52. El aire se toma de la atmosfera a 1 bar y 20°C, a razón de 10 m3/s

y se descarga a 6 bar absolutos. Calcular.

 

 

 

Page 6: Capitulo 5. Procesos de Compresión

a) Calor de recalentamiento. b) Coeficiente de recalentamiento. c) Factor de recalentamiento. d) Rendimiento interno del compresor. e) Potencia para mover el compresor despreciando las perdidas mecánicas.

Solución:

a) Calor de recalentamiento

b) Coeficiente de recalentamiento

c) Factor de recalentamiento

Como

   

 

Como

Page 7: Capitulo 5. Procesos de Compresión

d) Rendimiento interno del compresor

e) Potencia para mover el compresor

5.4 Compresión politrópica eliminando calor (con enfriamiento)

Si durante el proceso de compresión se hace perder calor al fluido que se comprime por medio de un sistema de enfriamiento adecuado se puede llevar el estado del fluido a un punto 22, a la izquierda del 2a o del 2i (figuraras 5.1 y 5.2). Incluso hasta el punto 2i que corresponde a un proceso isotérmico. Con la perdida de calor, el cambio de entropia en el fluido puede hacerse negativo, o cero si se quiere.

La temperatura final T2e será menor que la T2a o que la T2i o incluso perímase constante durante el proceso de compresión, esto es T2i = T1.

Con el enfriamiento puede hacerse n < k y el trabajo de compresión se reduce, siendo mínimo para n = 1 (proceso isotérmico). Recuérdese que k > 1 y del orden de 1.4 para el aire. El área, que da el valor del trabajo con n > k en el diagrama pv, disminuye (figura 5.1).

En este caso, el trabajo de comprensión politrópica ideal, sin fricción, será

Y como n < k, resulta que para los mismos valores de T1 y P2 , será

 

 

 

 

P1

Page 8: Capitulo 5. Procesos de Compresión

Esto es, el trabajo de compresión politrópica ideal será, en este caso, menos que el correspondiente de compresión isoentrópico.

Como el proceso de compresión no es adiabático, sino que hay un calor eliminado del fluido, de acuerdo con la primera ley de Termodinámica, y en ausencia de cambios en la energía cinética y potencial, se tendrá

Donde de representa el trabajo hecho sobre el fluido. La temperatura T2e se obtiene por la formula de las politrópicas, o sea

Siendo

Debido a la pérdida de calor por el enfriamiento.

Ahora bien, si con el enfriamiento se llegara a tener un proceso isotérmico, este seria reversible (sin fricción), es cuyo el trabajo actual seria igual al ideal. Pero aun en el caso de que no se alcancen un proceso isotérmico con el enfriamiento, si puede admitirse para turbocompresores de calidad, despreciable la fricción, y en consecuencia que el trabajo actual es igual al ideal, esto es

Con lo que el calor eliminado vendrá cuantificado por

 

Page 9: Capitulo 5. Procesos de Compresión

Como el calor eliminado tiene valor positivo real, resulta que

Y así es, e efecto, ya que T2e se reduce con el enfriamiento e incluso se puede hacer igual a T1 en proceso isotérmico.

Si la eliminación de calor puede realizarse con un gasto de energía relativamente reducido al trabajo o energía gastada para mover el compresor, es evidente que al ser T2i < T2e < T2i < T2a, el trabajo de compresión disminuye con el enfriamiento.

La practica aconsejada el enfriamiento en los turbocompresores cuando estos trabajan a presiones relativamente altas, para lo cual se emplean sistemas se circulación forzada de agua como fluido refrigerante.

En ciertos casos de compresores de pistón se disponen sobre la superficie exterior del cilindro aletas las cuales favorecen el enfriamiento, o camisas con agua fría en circulación.

No es aconsejable la refrigeración de los turbocompresores que forman parte de los motores de turbina de gas, excepto cuando la compresión esta dividida. Tampoco se refrigeran los compresores que trabajan a presiones relativamente bajas.

5.5 Compresión isotérmica. n= 1

Como ya se ha visto en el inicio anterior, la compresión isotérmica es la que exige un trabajo mínimo y por lo tanto, potencia mínima para actuar el compresor.

Desde luego existen turbocompresores isotérmicos (véase capitulo 4), aunque su uso esta mas limitado, por ser todavía costosos. La regulación de la perdida de calor, de modo que la temperatura se mantenga mas o menos constante, es una operación que exige mayores cuidados en el manejo de turbocompresor. Sin embargo, su empleo queda justificado en ciertos casos, como cuando se trabaja con gases en los que se exige su pureza librándolos de la contaminación del aceite lubricante o cuando se necesita conservar la temperatura de los mismos (evitar la polimerización, por ejemplo). Pero, sobre todo, como el trabajo de comprensión se reduce, la economía en la operación puede justificar un mayor costo inicial, siempre que no sea muy gravoso el gasto de energía en el sistema de enfriamiento.

Considerando el gas que se comprime como ideal, el proceso de compresión es de la forma siguiente

 

Page 10: Capitulo 5. Procesos de Compresión

Que equivale a hacer n = 1, en la formula general pvn = C. La isotérmica, en el diagrama pv (figura 5.1), es una hipérbola equilátera, cuya curva tiene una pendiente menos pronunciada que la exponencial adiabática. El trabajo ideal de compresión, representado por el área bajo la curva 1-2, en el pv, es mínima. Su valor es

Como en el proceso isotérmico no hay fricción, ya que es reversible, el trabajo ideal es igual al actual dado por la primera ley, y como T2i = T 1 , queda

Lo que significa que el calor eliminado representa una energía equivalente al trabajo de compresión. Se debe hacer lo observar que en todas las formulas la referencia a sido el trabajo de compresión o trabajo que efectúa la maquina. El trabajo del sistema de fluido que se comprime es negativo. El gas que se comprime se ha considerado como ideal, esto es, regido por la ecuación

Para evaluar la eficacia de los sistemas de enfriamiento en los compresores se define el rendimiento llamado isotérmico, que es igual a la relación del trabajo en un proceso de compresión isotérmico ideal al trabajo actual de compresión politrópica de un compresor enfriado, esto es

Ejemplo 5.2

Se comprime aire en un turbocompresor enfriado siguiendo un proceso politrópico con n = 1.3 . El aire se toma de la atmosfera a 1 bar y 20°C, y se descarga a 6 bar absoluto. Calcular. a) trabajo de compresión por kg de aire. b) calor eliminado en el sistema de enfriamiento. c) trabajo de compresión por kg, si el proceso fuera isotérmico. d) rendimiento isotérmico.

Solución:

 

 

 

 

  

Page 11: Capitulo 5. Procesos de Compresión

a) Trabajo de compresión

Sustituyendo valores

b) De la Ec. 5.12

Para

T2= T1 ( ) Luego

c) Trabajo de compresión isotérmico

d) Rendimiento isotérmico

5.6 Relación de presiones en un escalonamiento. Rendimiento interno

Los turbocompresores pueden ser de un solo paso, o escalonamiento, o de varios, sea la presión final que se quiere obtener.

Un escalonamiento comprende la presión ganada en el rotor o impulsor más la ganada en el difusor. Este tiene como función convertir, parcialmente, la energía cinética que

 

P2 P1

n‐1n 

 

= 293 ( ) =442.4 °k 6 1

13

13

 

Page 12: Capitulo 5. Procesos de Compresión

tiene l fluido a la salida del rotor en energía estática o de presión. El difusor tiene forma de ducto divergente en los compresores centrífugos; en los axiales esta constituido por una corona de álabes fijos a la carcasa, formando ductos divergentes para lograr el efecto de difusión y, al mismo tiempo, son directores del fluido hacia la entrada del impulsor siguiente.

Llamado P1a la presión de entrada al impulsor, P2 a la salida del impulsor y entrada al difusor, y P3 a la de salida del difusor, la relación de presiones en un escalonamiento será

El valor de la relación de presiones en el impulsor y en el difusor se calcula a continuación:

e) Relación de presiones en el impulsor

De la ecuación de la primera ley de la Termodinámica para un sistema abierto, flujo estable y adiabático, siendo despreciable el cambio en energía de posición, se tiene

Considerando el trabajo de compresión en lugar del trabajo del fluido, que son de sentido contrario, y considerando al fluido ideal, queda

Donde wi representa el trabajo actual del compresor por unidad de masa. En proceso por

P2 P1

luego

Page 13: Capitulo 5. Procesos de Compresión

Esta ecuación 5.17 indica que, para una determinada relación de presiones, el trabajo de compresión puede reducirse si se baja la temperatura del fluido del impulsor. Si se mantiene la misma potencia, se incrementa la relación de presiones. Conviene, asimismo, que la velocidad absoluta decrezca a su paso por el impulsor, esto es, que se produzca un efecto de difusion entre los duelos que forman los álabes parciales. El valor de n conviene que será chico.

El trabajo de compresión se puede poner en función de las velocidades tangenciales del fluido y del rotor, y del rendimiento interno.

El rendimiento interno, ya definido en la ecuación 5.9, es

El trabajo ideal de compresión wi, según la ecuación de Enler es

Sustituyendo en la ecuación 5.17, se tiene como relación de presiones en el impulsor

De donde

 O sea

Page 14: Capitulo 5. Procesos de Compresión

b) Relación de presiones en el difusor

En el difusor no hay trabajo externo sobre el fluido, solo hay transformación parcial de energía dinámica en estática, esto es, aumento en la entalpia a expensas de la velocidad. Esta transformación no es perfecta y esta afectada por un rendimiento interno del difusor, que se define por

1.1 subíndice 3, indica el valor que alcanzaría la entalpia o la temperatura si el rendimiento fuera el 100%; el subíndice 3señala el valor actual. La ecuación de la primera ley queda así

Como

Queda como relación de presiones en el difusor

El rendimiento interno de los difusores suele ser del mismo orden que el del rotor, pudiéndose estimar el rendimiento interno global (valor 1 difusion), del orden del 75% al 90%. Por escalonamiento (figura 5.3)la relación de presiones es

La relación de presiones en un escalonamiento puede llegar a valores de 10 a 12 en un turbocompresor y a calores entre 6 a 8 en un turbocompresor axial

P3 

P2

Page 15: Capitulo 5. Procesos de Compresión

El rendimiento interno o rendimiento adiabático puede ponerse en función de la relación de presiones, así

La presión P3 = P3i pero el exponerte es diferente por ser n> k en un compresor no enfriado, con el que el rendimiento interno sale inferior a uno. Ejemplo 5.3 Entra el aire a un turbocompresor de un escalonamiento a t1= 15°C y P1 = 1 bar. La velocidad de entrada al impulsor es V1 = 100 m/s y a la salida del mismo V2= 170 m/s. Del difusor sale el aire con velocidad V3 = 120m/s. El proceso de compresión es según la politrópica pv1.48 = C. El trabajo de compresión es de 130 El rendimiento interno en el impulsor y en el difusor es el mismo. Calcular . 1) presión a la salida del impulsor. 2) temperatura del aire a la salida del impulsor. 3) rendimiento interno del impulsor. 4) presión a la salida. 5) relación de presiones en el escalonamiento. 6) temperatura del aire a la salida del escalonamiento. Solución: 1) relación de presiones en el impulsor.

Figura 5.3 relación de presiones en un escalonamiento 

KJ kg 

Page 16: Capitulo 5. Procesos de Compresión

2) temperatura del aire a la salida del impulsor

3) rendimiento interno en el impulsor

Luego

4) relación de presiones en el difusor

La presión a la salida del difusor resulta

5) relación de presiones del difusor resulta

Page 17: Capitulo 5. Procesos de Compresión

6) temperatura del aire a la salida del escalonamiento

Ejemplo 5.4

Un turbocompresor centrífugo aspira aire a razón de 4m3/s a 1 bar y 20°C. El flujo alcanza al impulsor en dirección axial de forma que no ay prerrotación a la entrada, esto es, Vu1 = 0. La velocidad periférica es 250m/s y la relación de la componente tangencial del fluido a la velocidad periférica del rotor es. La relación es π = = 4.

El proceso d compresión es la forma de la pv1.33 = C. El rendimiento interno en el rotor y en el difusor es el mismo. Calcular 1) rendimiento interno. 2) potencia de compresión

Solución:

1) rendimiento interno

2) potencia de compresión

P3 P1

Page 18: Capitulo 5. Procesos de Compresión

5.7 Proceso de compresión en varios escalonamientos. Ventajas de la división de la compresión.

La mayor parte de los turbocompresores industriales exigen presiones de trabajo altas que requieren varios escalonamientos o pasos de compresiones en serie.

La división de la compresión es ventajosa por varias razones: 1) permite la construcción de maquinas de tamaño asequible con impulsores de diámetro relativamente chico. 2) se mejora el rendimiento del proceso. 3) se puede hacer uso de sistemas de enfriamiento intermedio para reducir el trabajo de compresión. 4) se puede disminuir el trabajo de compresión si se mantiene la misma relación de presiones en todos los escalonamientos.

A continuación se justifica estos asertos:

1) la división de la compresión permite la construcción de maquinas de tamaño razonable

la transferencia de energía entre maquinas y fluido viene dad por la ecuación de Euler.

Puede verse que l mayor parte de la energía transferida bajo la forma estática o de presión corresponde al término

Esto es, a la acción centrifuga, cuyo valor depende también de la velocidad circunferencial U2. Como

La transferencia queda, en definitiva, supeditada a la velocidad de giro y el tamaño del rotor. Las limitaciones de U2 se discutirán mas adelante al analizar los parámetros fundamentales de diseño de los turbocompresores, pudiendo adelantar que U2 tiene como valores máximos 320m/s en turbocompresores centrífugos, y 183m/s e turbocompresores axiales. Se pueden conjugar N y D2 de forma a tener una U2 razonable, sin necesidad de emplear impulsores gigantes ni velocidades vertiginosas, dividiendo la compresión en varios escalonamientos en serie para alcanzar las altas presiones que hoy exigen los procesos industriales.

 

Page 19: Capitulo 5. Procesos de Compresión

2) La división de la compresión mejora el rendimiento interno de la maquina

En el diagrama hs de la figura 5.4 se representa un proceso de compresión, de 1 a 2a, politrópico con n> k, sin refrigeración, donde se señala cuatro pasos de compresión.

Si la compresión se hiciera en un solo paso, el rendimiento interno

seria

Si se divide la compresión, el rendimiento resulta

Figura 5.4 procesos de compresión en varios escalonamientos

Page 20: Capitulo 5. Procesos de Compresión

Como

Debido a la divergencia de las líneas de presión, se tiene que

Esto es, el rendimiento se mejora con la división de la compresión en varios escalonamientos.

3) El escalonamiento de la compresión permite el enfriamiento interno y la reducción del trabajo de compresión

En la figura 5.5 se presenta un proceso de compresión politrópica, escalonado, con enfriamientos intermedios del fluido, prácticamente a presión constante. En el

Figura 5.5 división de la compresión con enfriamiento intermedio

Page 21: Capitulo 5. Procesos de Compresión

enfriador, que suele ser un intercambiador, donde el fluido frio es agua, se pierde siempre la presión del aire o gas que se comprime y en realidad Pa2 < Pa1 y Pb2 < Pb1. Estas perdidas de presión son muy pequeñas en relación con las presiones de trabajo y no se han indicado en la figura.

El enfriamiento de fluido puede hacerse al final de cada escalonamiento o después de dos o tres escalonamientos de compresión. El proceso de compresión en cada grupo es politrópico con n> k, pero en el proceso global resulta un punto final 2e con una temperatura muy inferior a la que corresponde a un proceso total isoentrópico de 1 a 2i como la perdida del calor no es continua no puede hablarse de un proceso total como n < k, sin embargo, los resultados son análogos.

En algunos casos se desea mantener el mismo valor inicial de la temperatura a la entrada de cada escalonamiento, esto es, T1 = Tb2, en cuyo caso se tendrá un compresor isotérmico. Después del último escalonamiento, no se justifica el enfriamiento, pues ya se acabo la compresión y no hay necesidad de disminuir la temperatura para reducir potencia de compresión.

La refrigeración es ventajosa pues reduce el trabajo de compresión ya en el inciso 5.4 se vio que en el trabajo de compresión se reduce bajando la temperatura de entrada al proceso de compresión,, y esto es lo que se esta haciendo con el enfriamiento intermedio.

En el diagrama pv de la figura 5.6 puede apreciarse la disminución del trabajo al dividir la compresión y enfriar a p = cte. En efecto

La primera integral representa el área bajo la curva 1-2, siguiendo directamente una isoentrópico, y la segunda, el área bajo la curva 1-a1-a2-b1-b2-2, compuesta de

Figura 5.6 disminución del trabajo de compresión con el enfriamiento intermedio 

Page 22: Capitulo 5. Procesos de Compresión

politrópicas e isotrópicas, la cual es menor.

El enfriamiento siempre que la energía gastada en la eliminación de calor no supere a la que se economiza en la compresión, o que se justifique por alguna razón mantener una temperatura determinada del gas que se comprime.

4) Se reduce el trabajo de compresión se se mantiene la misma relación de presiones en cada escalonamiento.

En un proceso de compresión politrópica pvn= C, con enfriamiento intermedio, se trata de buscar la presión intermedia optima pan figura 5.7, para la cual el trabajo de compresión sea mínimo. El trabajo de compresión de p1 a p2 viene dado por

Prescindiendo del calor eliminando, por considerarlo como energía ajena al trabajo de compresión, esto es, del motor que mueve el compresor. también se supone que no hay cambios apreciables en la energía cinética y potencial.

Integrando la ecuación 5.24 y considerando el gas que se comprime como ideal, se tiene

Suponiendo que en el proceso de enfriamiento intermedio se lleva la temperatura al valor inicial, esto es, Ta2 = T1 queda

 

 

Page 23: Capitulo 5. Procesos de Compresión

O también

Page 24: Capitulo 5. Procesos de Compresión

cp, cv y k en función de la temperatura.

Gas T cp cv Gas T c p cv

ºK kJ/kgºK kJ/kgºK k ºK kJ/kg ºK kJ/kg ºK k

273  1,004  0,717  1,400  298  1,009  0,722  1,398300  1,009  0,722  1,398400  1,028  0,741  1,387500  1,047  0,760  1,378600  1,065  0,778  1,369700  1,082  0,795  1,361800  1,899  0,812  1,354900  1,115  0,828  1,347

1.000  1,130  0,843  1,3401.500  1,198  0,911  1,3152.000  1,251  0,964  1,298

600 3,258 2,740  1,189700 3,606 3,088  1,168800 3,926 3,408  1,152900 4,217 3,699  1,140

1.000 4,479 3,961  1,1311.500 5,400 4,882  1,1062000 5,889 5,371  1,096

100 1,040 0,743  1,400200 1,040 0,743  1,400300 1,041 0,744  1,399400 1,048   0,751  1,395500 1,064 0,767  1,387600 1,088 0,791  1,376700 1,114 0,817  1,364800 1,140 0,849  1,352900 1,164 0,867  1,342

1.000 1,185 0,888  1,3341.500 1,258 0,961  1,3092.000 1,295 0,998  1,298

  100  0,664  0,475  1,398200  0,735  0,546  1,346300  0,846  0,657  1,288400  0,939  0,750  1,252500  1,014  0,825  1,229600  1,075  0,886  1,213700  1,126  0,937  1,202800  1,168  0,979  1,193900  1,204  1,015  1,186100  1,234  1,045  1,181

1.500  1,326  1,137  1,166  2.000   1,371  1,182  1,160

100 1,04 0,744  1,398200 1,04 0,744  1,398300 1,04 0,744  1,398400 1,045 0,749  1,395500 1,061 0,765  1,387600 1,076 0,78  1,38700 1,099 0,803  1,369800 1,123 0,827  1,358900 1,146 0,85  1,3481000 1,168 0,872  1,3391500 1,245 0,949  1,3122000 1,286 0,99  1,299

100  11,200  7,076  1,583200  13,536  9,412  1,438300  14,317  10,193  1,405400  14,486  10,362  1,398500  14,523  10,399  1,397600  14,556  10,432  1,395700  14,612  10,488  1,393800  14,718  10,594  1,389900  14,845  10,721  1,385

1.000  14,992  10,868  1,3791.500  16,033  11,909  1,3462.000  17,019  12,895  1,32

100 0,91 0,65  1,4200 0,911 0,651  1,4300 0,919 0,659  1,395400 0,942 0,682  1,382500 0,972 0,712  1,365600 1,004 0,744  1,35700 1,031 0,771  1,337800 1,055 0,795  1,327900 1,074 0,814  1,319

1000 1,091 0,831  1,3131500 1,143 0,883  1,2942000 1,181 0,921  1,282

   

200  2,088  1,57  1,33300  2,229  1,711  1,303400  2,257  2,009  1,258500  2,891  2,373  1,218

100  2,075  1,557  1,333

Airé ºº 

Monóxido de Carbono 

Dióxido de Carbono 

Metano 

Hidrógeno 

Nitrógeno 

Oxígeno