TRABAJO PRÁCTICO N°5: COMPRESORES

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Para las isotermas: p.V = cte

Para las adiabáticas: p.Vk = cte (k>1)

Por ello, la compresión se efectúa en la práctica, procurando que el cilindro pierda el calor desarrollado en la compresión, para lo cual se le rodea de un líquido refrigerante en circulación. Sin embargo, es imposible evitar un cierto calentamiento del gas, especialmente cuando se trata de alcanzar grandes presiones en una sola fase (con una sola compresión), pues entonces es mucho el calor desarrollado, muy pequeña la superficie de enfriamiento y muy poco el tiempo de que se dispone para la disipación del calor.

Por lo que antecede, y por ciertas razones constructivas, los compresores para altas presiones se fraccionan de forma que trabajen en varias fases sucesivas. Aparte de las ventajas de construcción y rendimiento global a que ésto puede dar lugar, es interesante porque permite lograr que el gas llegue a la presión final muy poco caliente.

En efecto, en vez de comprimir de p1 a p4 directamente, con un solo cilindro y émbolo, con lo cual casi todo el calor desarrollado quedaría en el gas comprimido, se fracciona al calor total repartiéndolo entre varios cilindros. Para el razonamiento que sigue es útil la siguiente figura:[pic 37]

[pic 38]

El gas penetra en el primer cilindro a la presión ordinaria p1 y a la temperatura ambiente T1, y sale comprimido a la presión p2 y a la temperatura T2, según la ley de los procesos adiabáticos (o uno politrópico muy próximo a éste, porque la pérdida de calor en los cilindros sería muy pequeña). El gas que sale del primer cilindro pasa por un serpentín refrigerante, que vuelve su temperatura a T1, yendo seguidamente al segundo cilindro, donde vuelve a elevarse su presión (también poco menos que adiabáticamente)desde p2 a p3. Si ocurre que p3 / p2 = p2 / p1, el gas al salir del segundo cuerpo a la presión p3, tendrá también T2 grados. Pasándolo ahora por otro refrigerante, se consigue que vuelva a bajar su temperatura a T1 grados. Entra, por fin, en el tercer cilindro, donde se comprime hasta p4 y vuelve a elevarse su temperatura a T2 (supuesto que p4 / p3 = p3 / p2), después de lo cual un nuevo refrigerante hace bajar su temperatura a T1 grados. Por las condiciones finales del gas (p4, T1) es como si se hubiera corrido isotérmica-mente desde p1 a p4; pero si se sigue el proceso gráficamente en la siguiente figura:[pic 39]

Se puede apreciar que el trabajo consumido es bastante mayor. En la citada figura se ve que la curva correspondiente al proceso real es abcdefg . También se han dibujado las curvas correspondientes a la isoterma y a la adiabática. Se puede apreciar que:

Al trabajo en régimen isotérmico le corresponde el área acegp4p1a.

Al trabajo en régimen adiabático le corresponde el área abf´fgp4p1a.

Al trabajo real le corresponde el área abcdefgp4p1a.

En la misma figura puede verse que los trozos de adiabáticas ab, cd y ef corresponden, respectivamente, a las compresiones en los cilindros C1, C2 y C3; y que los segmentos bc, de y fg se deben a los enfriamientos provocados por los refrigerantes por los que pasa el gas a la salida de cada cilindro.

Por lo que en una compresión multietapa, si cada etapa opera adiabáticamente, todo el compresor opera de esa forma. Además, se demuestra que la eficiencia de todo el compresor es menor que la de las etapas individuales.

[pic 40]

En la figura de la izquierda se aprecia que el área .c-a-e-d representa el trabajo ahorrado por medio de la compresión de dos etapas con interenfriamiento a la isoterma inicial. También se observa que para valores de p1 y p2 existe una presión óptima para el interenfriamiento la cual es posible calcular mediante:

[pic 41]

Es evidente que si en vez de tres cilindros y tres refrigerantes se hubiera empleado un número infinito de unos y de otros, la curva representativa del proceso sería la isoterma, con lo que el trabajo de compresión sería mínimo. Pero si bien es cierto que un compresor que tuviese un número infinito de cilindros en serie resultaría el más económico (sin tener en cuenta rendimientos, que son función de la relación de compresión), también es cierto que costaría infinitamente caro. En la práctica, el número de fases puede venir establecido de acuerdo a un óptimo económico. [pic 42]

A título de información, en la siguiente figura se representa el coste total de una compresión como suma de dos sumandos: la curva representativa del coste de la energía disminuye con el número de cilindros; la otra curva fina viene a representar la fracción del coste total correspondiente a la amortización del aparato. La curva gruesa se ha trazado sumando las ordenadas de las otras dos, y se ve que presenta un mínimo para cierto número de cilindros.

¿Qué es la relación de compresión?

La Relación de compresión

Se llama relación de compresión al cociente entre las presiones final e inicial. En el caso estudiado en el párrafo anterior la relación de compresión total, a, era p4/p1; la relación de compresión de cada cilindro, α, era p2/p1 = p3/p2 = p4/p3.

Los compresores para alta presión se construyen de manera que todos los cilindros trabajen con igual relación de compresión. De esta manera, los trabajos consumidos en cada cilindro viene a ser apoximadamente los mismos, lo que a su vez determina el consumo mínimo de trabajo para llevar el gas a la presión final, además de que la máquina marcha más equilibrada.

Si N es el número de cilindros o fases, se cumple que: α N = a

En la práctica se suele elegir α entre 2,5 y 6, porque es la zona donde el rendimiento adiabático de la compresión es máximo también (ver figura). Pero no se suele sobrepasar el valor 5, para evitar la posible ignición del lubricante o la descomposición de los gases que se comprimen.[pic 43]

Como la presión final es un dato, por lo general, y como N se deduce del estudio económico del proceso, es fácil fijar el valor de α, de acuerdo con la fórmula anterior.

La compresión en varias etapas eleva también el rendimiento volumétrico, ya que la relación de presión respecto a la primera etapa decrece.

La refrigeración intermedia perfecta se logra