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Didacta Italia

PN30D

Banco Prueba Compresores Alternativos

Manual Operativo

y Ejercitaciones Didácticas


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Didacta Italia

PN30D

Banco Prueba Compresores Alternativos

Manual Operativo

y Ejercitaciones Didácticas

El presente manual ilustra las caracteristicas técnicas y las modalidades operativas

del sistema Didacta PN30D – Banco Prueba Compresores Alternativos,

proporcionando al docente y al estudiante las informaciones necesarias para la

utilización del sistema además de una panorámica sobre las experiencias de

laboratorio realizables.

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con la máxima atención. En cualquier caso, ninguna responsabilidad que derive de su

utilización se podrá imputar a los autores, o a Didacta Italia o a cualquier otra persona

o soc iedad implicada en la realizac ión de este texto.

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Imprimido en Italia —24/11/09

Code 01579E1109 —Edition 01 - Revision 02


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indice

PN30D —Manual del Usuario v

Indice

1. Premisas Teóricas....................................................................1

1.1 Introducción .............................................................................................. 1

1.2 Principales elementos constitutivos de los compresores alternativos2

1.3 Ciclo de trabajo de un compresor alternativo..................................... 4

1.4 Relaciones analiticas y consideraciones útiles para el estudio delos compresores alternativos................................................................... 6

1.4.1 Potencia mecánica absorbida por la máquina ......................................................6

1.4.2 Caudal de fluido en envío ..........................................................................................8

1.4.3 Subdivisión de la compresión en más fases con interrefrigeración.......................9

2. Descripción del Banco y de su Funcionamiento...............11

2.1 Descripción del banco prueba ............................................................ 11

2.2 Predisposición del banco prueba para el funcionamiento.............. 18

3. Experiencias de Laboratorio................................................19

3.1 Medición de la potenc ia necesaria al compresor ............................ 19

3.1.1 Notas de teoría ...........................................................................................................19

3.1.2 Modalidad de ejecución de la prueba ..................................................................20

3.1.3 Resultados experimentales .......................................................................................21

3.1.4 Análisis de los resultados............................................................................................22

3.2 Medición de la característica manométrica del compresor........... 23

3.2.1 Notas de teoría ...........................................................................................................23

3.2.2 Modalidad de ejecución de la prueba ..................................................................243.2.3 Resultados experimentales .......................................................................................26


3.3 Medición del caudal de aire aspirado y del caudal de envío ........ 28

3.3.1 Notas de teoría ...........................................................................................................28

3.3.2 Modalidad de ejecución de la prueba ..................................................................29

3.3.3 Resultados experimentales .......................................................................................31


3.4 Medición del incremento de temperatura producido por lacompresión .............................................................................................. 33


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indice

vi Didacta Italia

3.4.1 Notas de teoría .......................................................................................................... 33

3.4.2 Modalidad de ejecución de la prueba .................................................................33

3.4.3 Resultados experimentales.......................................................................................35

3.4.4 Análisis de los resultados........................................................................................... 36

3.5 Medición de la potencia térmica a sustraer para la refrigeracióndel aire comprimido................................................................................37

3.5.1 Notas de teoría .......................................................................................................... 37


3.5.3 Experienc ias de laboratorio ..................................................................................... 40


3.6 Medición de los caudales de aire comprimido con dispositivosde estrangulac ión ...................................................................................42

3.6.1 Notas de teoría .......................................................................................................... 423.6.2 Modalidad de ejecución de la prueba .................................................................46



3.7 Medición de las caídas de presión en diferentes tipologías decircuitos.....................................................................................................48

3.7.1 Notas de teoría .......................................................................................................... 48




4. Bibliografia..............................................................................51


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Capítulo 1

PN30D —Manual del Usuario 1/52

1. Premisas Teóricas

1.1 Introducción

Los compresores de gas son máquinas operadoras de fluido, o sea máquinas que

tratan un fluido comunicando al mismo la energía necesaria para un determinado

cambio de su estado; en efectos los mismos tratan un gas restituyéndolo con una presión

mayor respecto a la con la que lo reciben.

Los compresores de gas se pueden clasificar según las modalidades con las que la

máquina comunica la energía al fluido, en compresores de turbina o turbocompresores

y en compresores volumétricos. Mientras que los primeros transfieren trabajo al fluido

imponiendo una variación del momento de la cantidad de movimiento a la corriente

fluida, los segundos actúan de modo casi estático, a través de una pared móvil que

constriñe una cantidad determinada de gas en un volumen progresivamente decreciente,

o la desplaza de un ambiente de presión inferior a otro de presión superior.

Los compresores volumétricos pueden ser, a su vez, ulteriormente subdivididos en

compresores alternativos y en compresores rotativos, según si la variación de volumen

característica de las máquinas volumétricas se realiza mediante el movimiento alternado

de un émbolo o bien por medio de la realización de cámaras rotatorias ( como ocurre

por ejemplo en los compresores de engranajes o de álabes).

Las diferentes características de las diversas tipologías de compresores citadas, hacen

que cada una de las mismas resulte particularmente idónea para determinadasaplicaciones, según las específicas exigencias de los usuarios (como ser, por ejemplo,

caudal de gas, presión de envío, etc.): generalmente en el campo de la producción de

aire comprimido para uso industrial, se emplean los compresores volumétricos

alternativos, cuyas principales características serán brevemente resumidas en los

párrafos sucesivos, y cuyo funcionamiento podrá ser estudiado con el auxilio de las

experiencias de laboratorio realizables mediante el banco prueba compresores PN30D.


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Premisas Teóricas

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1.2 Principales elementos constitutivos de los compresoresalternativos

Los compresores alternativos están caracterizados por la presencia de una cámara de

volumen variable, realizada mediante el movimiento alternado de un émbolo en elinterior de un cilindro cerrado en la extremidad opuesta a la culata (v. fig. 1.1).

El émbolo está conectado mediante una biela al árbol motor y se mueve con

movimiento alternado entre dos posiciones extremas, denominadas respectivamente

punto muerto superior (PMS) y punto muerto inferior (PMI), en correspondencia de las

cuales el volumen de la cámara alcanza los valores mínimo y máximo.

El cilindro está puesto en comunicación con el externo por apropiadas válvulas de

aspiración y envío, generalmente de tipo automático: la primera (válvula V1 fig. 1.1)

permite introducir en el interno de la cámara de volumen variable el aire a comprimir

extraido del ambiente durante la fase de aspiración, mientras que la segunda (válvula V2 fig. 1.1) permite transferir el aire comprimido al usuario durante la fase de envío (v. §

1.3 para la descripción del funcionamiento de la máquina).

Las principales magnitudes geométricas (v. fig. 1.1) que caracterizan un compresor

alternativo son, por lo tanto las siguientes:

• alisado d - diámetro del cilindro dentro del cual se mueve el émbolo

• carrera c - espacio recorrido por el émbolo en su movimiento alternativo entrelas dos posiciones extremas correspondientes al PMS y al PMI

• cilindrada V o - diferencia entre el volumen máximo Vmax de la cámara devolumen variable (alcanzado con el émbolo en el PMI) y el volumen mínimo

Vmin de la cámara (alcanzado con el émbolo en el PMS)

Vo = Vmax - Vmin = πd

c2

4

• grado de espacio muerto µ - relación entre el volumen mínimo Vmin y lacilindrada Vo:

µ =Vmin

V o


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Capítulo 1


Fig. 1.1 - Esquema constructivo de un compresor alternativo


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Premisas Teóricas

4/52 Didacta Italia

1.3 Ciclo de trabajo de un compresor alternativo

El ciclo de trabajo de un compresor alternativo se realiza a través de dos solas

carreras del émbolo, necesitando por lo tanto una única rotación completa del árbol

motor: esto se puede ilustrar observando el diagrama de trabajo de la máquina (v. fig

1.2), diagrama que tiene por abscisas los volúmenes totales V y por ordenadas las presiones p en el interior del cilindro (no es conveniente utilizar un diagrama

termodinámico presiones/volúmenes macizos, dado que algunas fases no son de masa

constante). Siendo además el ciclo de trabajo real (v. fig. 1.2a) particularmente

complejo, se hace referencia usualmente a un ciclo de trabajo convencional (v. fig.

1.2b) en el cual se introducen algunas hipótesis simplificadoras.

El ciclo de trabajo de un compresor alternativo consta de las siguientes cuatro fases:

1) Fase de aspiración (DA ). Durante esta fase viene introducido al interno delcilindro el aire a comprimir: el émbolo trasladándose del PMS al PMI crea en el

interior del cilindro una depresión que provoca la abertura de la válvula de

aspiración V1 y atrae el fluido fresco desde el ambiente de aspiración (supuesto a

presión p1): cabe notar que la fase de aspiración no aprovecha la carrera total del

émbolo, sino una sola fracción de la misma, pues la abertura de la válvula V1 se

puede efectuar solamente una vez que el gas contenido en el espacio muerto se

haya expandido hasta alcanzar una presión ligeramente inferior respecto a p1. En

el ciclo real la fase de aspiración se realiza a presión variable a causa de la falta

de estacionariedad del movimiento, mientras que en el ciclo convencional la

misma viene aproximada con su línea media (inferior a la presión p1 a causa de

las pérdidas por laminación sufridas por el fluido durante el paso a través de la

válvula).

2) Fase de compresión (AB). Durante esta fase el émbolo, empujado por el árbolmotor, se traslada del PMI al PMS, actuando la compresión del gas contenido en

el interior del cilindro: en efectos la válvula de aspiración V1 se cierra no bien

comienza la carrera de compresión, debido a la sobrepresión que se crea en el

cilindro respecto al ambiente de aspiración, mientras que la válvula de envío V2

permanece cerrada hasta que la presión en el interior del cilindro no supera la

presión p2 que reina en el ambiente de envío. En el ciclo convencional esta fase

viene aproximada mediante una relación analítica del tipo pVm = constante.

(Durante esta fase , si las fugas son insignificantes, la masa de gas contenida en

el interior del cilindro es constante y por lo tanto la ecuación precedente se puedetambién escribir en términos de volúmenes macizos como pvm = constante: en

consecuencia la compresión puede ser esquematizada como una transformación

politrópica con exponente m).

3) Fase de envío (BC). Al final de la fase de compresión, no bien la presión en el

interior del cilindro supera la presión p2 que reina en el ambiente de envío, se

abre la válvula V2 y comienza la fase de envío en la cual el émbolo, siguiendo en

su carrera hasta alcanzar el PMS expele el gas comprimido hacia el ambiente de

envío: En el ciclo real esta fase se realiza con presión variable a causa de la falta

de estacionariedad del movimiento, mientras que en el ciclo convencional la

misma viene aproximada con su línea media (superior a la presión p2 a causa de


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Capítulo 1


las pérdidas por laminación sufridas por el fluido durante el paso a través de la

válvula).

4) Fase de expansión del gas contenido en el espacio muerto (CD). Al final de la

fase de envío el volumen del espacio muerto está ocupado por gas comprimido

que el émbolo no está en condición de expeler: en cuanto el émbolo mismo iniciasu carrera hacia el PMI, la válvula V2 se cierra y el gas contenido en el interior

del cilindro se expande hasta alcanzar una presión ligeramente inferior respecto a

la presión del ambiente de aspiración p1 y a provocar por lo tanto la abertura de

la válvula V1 y el inicio de la fase de aspiración. En el ciclo convencional esta

fase viene aproximada mediante una relación analítica del tipo pVm’ = constante.

( Durante esta fase, si las fugas son insignificantes, la masa de gas contenida en

el interior del cilindro es constante y por lo tanto la ecuación se puede también

escribir en términos de volúmenes macizos como pvm’ = constante: en

consecuencia la compresión puede ser esquematizada como una transformación

politrópica con exponente m’).

Fig. 1.2 - Ciclo de trabajo real (a) y ciclo de trabajo convencional (b) de un compresoralternativo


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Premisas Teóricas

6/52 Didacta Italia

1.4 Relaciones analiticas y consideraciones útiles para elestudio de los compresores alternativos

1.4.1 Potencia mecánica absorbida por la máquina

La potencia mecánica Pmecc absorbida por un compresor alternativo resulta igual a:

PL n

mecccic cic

m

=η

donde

Lcic es el trabajo realizado por la máquina sobre el fluido por ciclo.

ncic es el número de ciclos descripto por la máquina en la unidad de tiempo (que

coincide con el número de revoluciones efectuado en la unidad de tiempo).

ηm es el rendimiento mecánico, relación entre el trabajo efectivamente suministradoal fluido y el trabajo absorbido por la máquina en un ciclo (inferior a la unidad en

cuanto parte del trabajo absorbido está destinado a ser consumido por las pérdidas

mecánicas).

El trabajo Lcic se puede determinar, conociendo el ciclo de trabajo de la máquina, en

base a las siguientes consideraciones:

El trabajo infinitesimal dL efectuado por el fluido sobre el émbolo luego de un

desplazamiento infinitesimal dx de este último, resulta igual a::

dL = pSdx = pdV

donde:

p es la presión en el interior del cilindro

S es la superficie del émbolo

dV es la variación infinitesimal de volumen consecuente al desplazamiento dx del

émbolo

Resulta por tanto:

Lcic = = = + + +∫ ∫∫ ∫ ∫ ∫dL pdV pdV pdV pdV pdVA

B

B

C

C

D

D

A

El trabajo Lcic resulta por lo tanto igual al área encerrada en el diagrama (p,V) del

ciclo de trabajo de la máquina. Cabe notar como en conjunto se trate en realidad de un

trabajo negativo según las convenciones adoptadas usualmente en la termodinámica,

pues se trata de un trabajo realizado por la máquina sobre el fluido: sin embargo en el

por la máquina sobre el fluido, considerando por lo tanto como trabajo al ciclo el

módulo de la cantidad precedentemente definida.


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Capítulo 1


Sin embargo el cálculo del trabajo Lcic es más bien complejo, aun en el caso en que

se haga referencia al ciclo convencional, pues es necesario conocer los exponentes de

las líneas de compresión y de expansión del gas contenido en el espacio muerto, y

además la entidad de las caídas de presión introducidas por las válvulas automáticas. Es

fácil, en cambio, el cálculo del trabajo al ciclo en el caso ideal, en que la compresión y

la expansión sean isentrópicas y las caídas de presión debidas a las válvulas seaninsignificantes. En efectos, en este caso se obtiene :

Lk

k p V p Vcic id

k

k k , max min( )( )= −

− −−

11

1

1 11 β β

donde:

k es el exponente de la isentrópica (igual a 1,4 en el caso en que el gas sea aire)

β es la relación manométrica de compresión, o sea la relación entre la presión de

envío p2 y la presión de aspiración p1.

Vmax es el volumen máximo en el interior del cilindro, igual a (1+µ)Vo.

Vmin es el volumen mínimo en el interior del cilindro, igual a µVo.

El trabajo ideal calculado de este modo puede ser utilizado como término de

comparación para valorar las prestaciones de un compresor real, definiendo como

rendimiento del compresor la relación entre el trabajo ideal y el trabajo al ciclo

efectivamente solicitado. (Cabe recordar, sin embargo, que el trabajo ideal considerado

como término de referencia representa el mínimo trabajo necesario para un ciclo de

compresión sólo en la hipótesis en que el fluido sea tratado adiabáticamente).

La relación analítica permite además evidenciar como el trabajo al ciclo dependa,

además que de las características geométricas de la máquina (cilindrada Vo y grado de

espacio muerto µ) de las condiciones operativas en las que el compresor tiene que

funcionar, o sea de la relación manométrica de compresión β (y por lo tanto de la presión de envío p2, suponiendo fija la presión en el ambiente de aspiración p1).

Para comcluir, se puede observar como la determinación de la potencia absorbida por

la máquina a través del cálculo del trabajo al ciclo resulte bastante compleja: es por lo

tanto generalmente más fácil determinar a través de una medición directa en el

laboratorio la potencia absorbida y eventualmente deducir de esta última el trabajo alciclo (previa medición de la velocidad de rotación de la máquina) si fuese necesario.

En alternativa, la potencia absorbida por un compresor se puede expresar en función

del caudal de fluido en envío, utilizando la siguiente relación:

PL m

mecci

m

= &

η

donde:

Li es el trabajo realizado por la máquina sobre el fluido por unidad de masa


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Premisas Teóricas

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&m es el caudal de fluido en envío

Sin embargo también en este caso la determinación del trabajo realizado por unidad

de masa exige una serie de hipótesis y de aceptaciones de constantes numéricas no

fáciles, por lo cual resulta, una vez más, aconsejable determinar a través de una

medición directa en laboratorio la potencia absorbida y eventualmente deducir de estaúltima el trabajo másico (previa medición del caudal de envío desde el compresor) si

fuese necesario.

1.4.2 Caudal de fluido en envío

En ausencia de fugas, la masa de gas en envío por ciclo coincide obviamente con la

masa de gas aspirada por el compresor. Se puede por lo tanto aceptar como valor de

referencia, o bien como masa de aire teóricamente aspirable, el producto de la densidad

del gas en el ambiente de aspiración ρ1 por la cilindrada Vo del compresor.

Se puede por lo tanto definir como coeficiente de llenado del compresor ηv larelación entre la masa enviada en cada ciclo mcic y la masa de referencia p1 Vo, o bien:

ηρv

cic

o

m

V=

1

El coeficiente de llenado ηv de un compresor alternativo es siempre inferior a launidad, por las siguientes razones:

• las fugas a través de las juntas imperfectas del cilindro hacen que la masa

enviada sea inferior a la masa aspirada.

• no todo el espacio de la cilindrada está disponible para la carga fresca, pues una

fracción considerable viene ocupada por la expansión del gas contenido en el

espacio muerto (v. fig. 1.2): este efecto tiende a manifestarse de manera tanto

más evidente cuanto más grande es el grado de espacio muerto µ y, por un

determinado compresor, tiende a crecer con el aumentar de la relación

manométrica de compresión β, o bien con el aumentar de la presión de envío p2.

• Al final de la carrera de aspiración la densidad del aire que se encuentra en el

interior del cilindro es inferior a la densidad que reina en el ambiente de

aspiración, porque el aire se encuentra a una presión inferior a la presiónambiente (a causa de la laminación sufrida en el paso a través de la válvula de

aspiración) y a una temperatura superior a la temperatura ambiente (por efecto

del calor recibido de las paredes del cilindro durante la aspiración).

El cálculo del coeficiente de llenado permite, conocidas las características

geométricas del compresor y las condiciones del aire en el ambiente de aspiración,

determinar el caudal de aire enviado por el compresor. Sin embargo, análogamente a

cuanto visto en el párrafo precedente a propósito de la potencia absorbida por la

máquina, también en este caso el cálculo exige una serie de hipótesis y de aceptaciones

constantes numéricas por nada fáciles, por lo cual resulta, una vez más, aconsejable

determinar a través de una medición directa en laboratorio el caudal envíado por el


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Capítulo 1


compresor y, eventualmente, deducir de este último la masa enviada por ciclo y el

coeficiente de llenado si fuese necesario.

1.4.3 Subdivisión de la compresión en más fases con interrefrigeración

El uso de válvulas automáticas permite que el compresor se adapte a eventualesvariaciónes de las condiciones operativas respecto a los valores previstos en sede de

diseño: así si la presión exigida por el usuario aumenta pasando de p2 a p2*> p2, la fase

de compresión se prolongará hasta alcanzar el nivel p2*, y la fase de envío comenzará

solamente después de la superación de este nivel. Esta “adecuación” automática del

compresor está en condición de cumplir con eventuales aumentos de p2 hasta alcanzar

las condiciones en que, para obtener el valor de la presión de envío exigida por p2lim, es

necesario utilizar la carrera total del émbolo desde el PMI al PMS para la fase de

compresión, anulando la fracción de carrera reservada a la fase de envío. En este caso,

haciendo referencia a un ciclo de trabajo convencional y pasando por alto, por

simplicidad, las caídas de presión introducidas por las válvulas, se tiene:

( ) β

µ

µ

µ

µ lim

lim= =

=

+

=

+

p

p

V

V

V

V

A

C

m

O

O

m m

2

1

1 1

El máximo valor de la presión de envío p2lim alcanzable depende por lo tanto del

exponente m de la línea de compresión y del grado de espacio muerto µ: aceptando por

simplicidad m = k (igual a 1,4 en el caso del aire), se puede notar como p 2lim aumente

con la disminución del grado de espacio muerto y como los compresores alternativos

permitan alcanzar fácilmente relaciones manométricas de compresión β elevadas (porejemplo, con µ = 0.2 se obtiene βlim ≈ 12). En el caso en que se deban alcanzar nivelesde presión de envío particularmente elevados, no siendo posible reducir µ debajo de un

valor mínimo por problemas constructivos, es necesario introducir una o más fases

ulteriores de compresión, o bien compresores que traten el fluido ya comprimido por la

primera máquina. En este caso es oportuno acoplar a la subdivisión de la compresión en

más fases también la práctica de la interrefrigeración, enfriando el gas comprimido por

cada una de las fases antes de enviarlo a la sucesiva.

La subdivisión de la compresión en más fases con interrefrigeración permite obtener

múltiples ventajas:

• reducción de la temperatura alcanzada por el gas al final de la compresión: en

este modo se evita que las elevadas temperaturas finales alcanzadas por el gas en

ausencia de refrigeración intermedia provoquen atascamientos o deformaciones

de las válvulas y la degradación de las calidades del lubrificante.

• reducción del trabajo exigido para comprimir el gas: en efectos, de este modo el

trabajo necesario se acerca al trabajo exigido de una compresión isoterma,

que se puede demostrar como ser el mínimo trabajo de compresión a paridad de

relación manométrica y de temperatura mínima del gas.

En la práctica las citadas ventajas y la necesidad de obtener de todos modos caudales

con envíos considerables (cabe recordar que la masa enviada disminuye con el aumentarde β) imponen recurrir a compresores con más fases interrefrigeradas para valores de β


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Premisas Teóricas

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superiores a 6. Por lo que se refiere a la subdivisión de la relación manométrica exigida

entre las diversas fases, se adopta generalmente el criterio de la compresión

interrefrigerada uniforme, volviendo después de cada fase el fluido siempre a la

temperatura ambiente y asignando a cada fase el mismo valor de β, igual a la raíz n.avade la relación manométrica total exigida βtot; así, por ejemplo, en el caso del compresor

utilizado en el banco PN30D, debiendose alcanzar una relación manométrica βtot igual a11, la compresión puede subdividirse en dos fases, cada una de las cuales tenga:

β = ²√ 11 = 3.3

En fin, es oportuno recordar que es muy frecuente la práctica de disponer de un

refrigerador también después de la última fase de compresión, con el objeto de contener

la temperatura del aire comprimido enviado al usuario.


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Capítulo 2


2. Descripción del Banco y de su Funcionamiento

2.1 Descripción del banco prueba

El banco prueba compresores PN30D está constituido por un compresor alternativo

bifásico, accionado por un motor eléctrico asíncrono mediante una transmisión de

correas trapezoidales. La unidad de compresión está dotada además con dos

cambiadores de calor para la refrigeración del aire comprimido, ubicados a la salida de

ambas fases, y con la instrumentación necesaria para la Medición de los caudales, de las

presiones y de las temperaturas en diversos puntos del circuito. Por fin el banco prueba

posee una serie de tuberías con diferentes geometrías, con el objeto de permitir el

estudio de las pérdidas de carga que se pueden verificar en una red para la distribución

del aire comprimido.

Un esquema del banco prueba está reproducido en la fig. 2.1, mientras que el cuadro

eléctrico de mando y control está ilustrado detalladamente en el esquema de la fig. 2.2;

las principales características de los diversos componentes están ilustradas a

continuación.

Motor eléctrico

• tipo: trifásico

• alimentación: 220/380 V - 50 Hz

• potencia: 3kW

• velocidad: 2830 rev/min.

Compresor alternativo (6)

• tipo: bifásico

• construcción: bicilíndrico con cilindros verticales en línea

• caudal: 450 litros/min. (referidos a las condiciones de aspiración)

• presión máxima de envío: 11 bar

• velocidad de rotación: 1200 rev./min.

Refrigerador intermedio (7)

Cambiador de calor a batería de tubos aire/agua en contracorriente para el

enfriamiento del aire después de la 1ª fase de compresión, completo con:

• válvula de seguridad


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Descripción del Banco y de su Funcionamiento


• 2 sondas termométricas para la medición de la temperatura del aire a la entrada

(T1) y a la salida (T2) del cambiador

• 2 sondas termométricas para la medición de la temperatura del agua a la entrada


• manómetro tipo Bourdon (M1) escala 0 ÷ 16 bar para la Medición de la presión

aire

• fluxómetro (9) para la medición del caudal de agua de enfriamiento (escala 0 ÷

300 l/h)

• grifo de interceptación y regulación caudal agua (11)

Refrigerador final (8)

Cambiador de calor a batería de tubos aire/agua en contracorriente para elenfriamiento del aire después de la 2ª fase de compresión; completo con:

• válvula de seguridad

• 2 sondas termométricas para la medición de la temperatura del aire a la entrada


• 2 sondas termométricas para la medición de la temperatura del agua a la entrada


• manómetro tipo Bourdon (M2) escala 0 ÷ 16 bar para la Medición de la presiónaire

• fluxómetro (10) para la medición del caudal de agua de enfriamiento (escala 0 ÷

300 l/h)

• grifo de interceptación y regulación caudal agua (12)

Depósito aire (14)

Depósito de tipo cilíndrico, horizontal, ensayado ISPESL, capacidad 200 litros,

completo con:

• manómetro tipo Bourdon (M3) escala 0 ÷ 16 bar para la Medición de la presión

aire

• presóstato regulable 1÷12 bar para conexión y desconexión motor eléctrico

accionamiento compresor (4)

• arrestoneumático (3)

• tapón descarga condensación


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Capítulo 2


Dispositivo para la medición del caudal aire aspirado por el compresor (1 - 2)

Comprenden:

• tobera tarada montada sobre recipiente amortiguador (2)

• micromanómetro diferencial de escala inclinada para la medición de la caída de

presión producida por la tobera (1)

Dispositivos para la medición del caudal de aire enviado (18 - 19 - 20 - 21)

Comprenden:

• fluxómetro (18) (campo de medición 0 ÷ 25 Nm³/h, presión máxima 10 bar)

• 3 diafragmas regulados según normas UNI, con diámetro respectivamente de

4.628 mm, 5.329 mm, 5.989 mm, montados sobre trozos de tuberia de 3/4” contomas de presión diferencial de 1/8” sobre las bridas contenedoras

• válvula (17) ubicada antes de la tubería; contiene los medidores de caudal

citados para la regulación del caudal de aire

• válvulas de estrangulación (28 - 29 - 30) ubicadas después de las tuberías;

contienen los medidores de caudal citados, para la regulación del caudal aire

• sonda termométrica (T9) para la medición de la temperatura del aire antes de los

diafragmas

• manómetro aire tipo Bourdon (M4), escala 0 ÷ 10 bar para la medición de la

presión antes de los diafragmas

• manómetro diferencial (27) de mercurio, escala 0 ÷ 300 mmHg, para la medición

de la presión diferencial entre antes y después de los diafragmas

Dispositivo para la determinación de las pérdidas de presión en las tuberías (22- 23 - 24 - 25 - 26)

Comprenden:

• una serie de 5 trozos de tubería de diámetro, forma y longitud diversas, para la

determinación de las pérdidas de presión en funcion del caudal de aire que fluye

en los mismos, registrado mediante el fluxómetro (18)

• válvula (17) ubicada antes de la tubería en prueba para la regulación del caudal

de aire

• sonda termométrica (T10) para la medición de la temperatura del aire ubicada

antes de la tubería en prueba

• manómetro aire tipo Bourdon (M5), escala 0 ÷ 10 bar para la medición de la presión, ubicado antes de la tubería en prueba


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• válvulas de estrangulación (31 - 32 - 33 - 34 - 35) ubicadas después de las

tuberías, para la regulación del caudal de aire

Por fin el cuadro eléctrico de mando y control (v. esquema de la fig. 2.2) que

comprende los siguientes dispositivos:

• Interruptor general (38)

• Conmutador voltímetro (39)

• Selector de marcha y parada (40)

• Testigos luminosos (41)

• Watímetro (42)

• Amperómetro (43)

• Voltímetro (44)

• Visualizador digital temperaturas (45)

• Conmutador para sondas termométricas (46)

• Interruptor reactivación térmica (lado posterior cuadro eléctrico - 47)


21/58

Capítulo 2


T6T3

T2

T8

T9

T7

T4

T5

H O2

A.C.

T10

18

T11

T1

T12

1

2

3

4 5

6

7

8

910

1112

1314

15

16

17

19 20 21

28 29 30

36

26 25 24 23 22

31 32 33 34 35

27

Fig. 2.1 – Esquema banco prueba compresores PN30D

Leyenda esquema banco prueba compresore

1. Micromanómetro diferencial

2. Depósito de calma

3. Arrestoneumático

4. Presóstato de máxima

5. Válvula de seguridad6. Compresor alternativo

7. Refrigerador intermedio aire/agua

8. Refrigerador final aire/agua

9. Fluxómetro medición caudal agua (refrigerador intermedio)

10. Fluxómetro medición caudal agua (refrigerador final)

11. Válvula regulación caudal agua (refrigerador intermedio)

12. Válvula regulación caudal agua (refrigerador final)

13. Válvula de retención

14. Depósito aire

15. Válvula descarga condensación

16. Válvula de recepción

17. Válvula de regulación18. Fluxómetro medición caudal aire


22/58



19. Diafragma tarado Ø = 4.628 mm.

20. Diafragma tarado Ø = 5.329 mm.

21. Diafragma tarado Ø = 5.989

22-23-24-25-26. Tuberías con diferentes geometrías

27. Manómetro diferencial

28-29-30. Válvulas de interceptación

31-32-33-34-35. Válvulas de interceptación

36. Grifo recepción aire comprimido

Puntos de medición presiones

M 1 Presión envío 1ª fase

M 2 Presión envío 2ª fase

M 3 Presión depósito envío

M 4 Presión antes de los diafragmas

M 5 Presión antes de las tuberías perfiladas

Puntos de medición temperaturas

T 1 Entrada aire compressorT 2 Entrada aire cambiador “A”

T 3 Salida aire cambiador “A”

T 4 Entrada aire cambiador “B”

T 5 Salida aire cambiador “B”

T 6 Entrada agua cambiador “A”

T 7 Entrada agua cambiador “B”

T 8 Salida agua cambiador “A”

T 9 Salida agua cambiador “B”

T 10 Entrada aire diafragmas

T 11 Entrada aire cañerias

T 12 Aire tanque


23/58

Capítulo 2


Fig. 2.2 Esquema cuadro eléctrico de mando y control banco prueba compresores PN30D

Leyenda cuadro eléctrico de mando y control

38 - Interruptor general

39 - Conmutador voltimétrico

40 - Selector de marcha y parada

41 - Testigos luminosos

42 - Watímetro

43 - Amperímetro

44 - Voltímetro

45 - Visualizador digital temperaturas

46 - Conmutador para sondas termométricas

47 - Interruptor reactivación térmica


24/58



2.2 Predisposición del banco prueba para el funcionamiento

Se debe proceder de la siguiente manera:

a) controlar que la tensión de alimentación corresponda a la indicada en los

documentos de remesa.

b) conectar el banco a la red eléctrica y controlar que las tensiones concadenadas

correspondan al valor correcto (efectuar la operación utilizando el voltímetro 44

y el conmutador de fase 39; diferencia admitida: ± 10%.

c) controlar que el sentido de rotación del motor eléctrico corresponda al indicado

sobre el motor mismo, arrancando y parando inmediatamente el motor, actuando

sobre el selector marcha/parada 40.

d) Controlar que el nivel del aceite en el cárter del compresor alcance cerca de la

mitad de la excursión visible sobre el testigo.

e) conectar el circuito de enfriamiento a la red hídrica y abrir los grifos de

interceptación 11 y 12; controlar luego que el flujo de agua de refrigeración,

mediante los fluxómetros 9 y 10, sea aproximadamente de 150 l/h.

f) controlar que el arrestoneumático 3 esté tarado a cerca de 9 bar, que el presóstato

4 esté tarado a cerca de 10 bar y que las dos válvulas que conectan el arrestoy el

presóstato al depósito 14 estén abiertas.

g) poner en función el motocompresor, actuando sobre el selector de marcha 40.

h) controlar que no haya pérdidas de aire comprimido de las juntas, de las válvulas,

de los prensaestopas.

i) verificar, mediante el manómetro M3, que la presión en el depósito aumente

progresivamente: en caso contrario verificar nuevamente la presencia de

eventuales pérdidas.

j) hacer funcionar la instalación hasta alcanzar la presión de aproximadamente 9

bar en el depósito y verificar que el arrestoneumático 3 intervenga correctamente

a la presión de tarado.

k) excluir luego el arresto3 cerrando el apropiado grifo de interceptación y verificar

que el presóstato de máxima intervenga a la presión de tarado de

aproximadamente 10 bar deteniendo el motor eléctrico.

l) reabrir el grifo de interceptación para la exclusión del arrestocerrado

precedentemente.


25/58

Capítulo 3


3. Experiencias de Laboratorio

3.1 Medición de la potencia necesaria al compresor

3.1.1 Notas de teoría

La medición de la potencia absorbida por el compresor puede ser efectuada mediante

el motor asíncrono que acciona el compresor mismo.

En efectos, la potencia eléctrica Pel que este último recibe de la red se puede medir

por medio de un Watímetro (n. 42, fig. 2.2); es necesario pero tener presente que esta

potencia será en parte disipada tanto al interno de la máquina eléctrica, como al interno

de la transmisión de correa que conecta el motor eléctrico al compresor: por lo tanto

este último recibirá efectivamente sólo una fracción Pmecc de la potencia eléctrica Pel medida mediante el Watímetro.

La potencia mecánica recibida por el compresor por lo tanto resulta igual a:

P Pmecc el tr = η

donde:

Pel potencia eléctrica absorbida desde la red (kW)

Pmecc potencia mecánica efectivamente recibida por el compresor (kW)

ηtr rendimiento global de la máquina eléctrica y de la transmisión (en el casoen examen se puede aceptar: ηtr = 0.9).

Una vez determinada la potencia mecánica efectivamente recibida por el compresor,

es necesario considerar el hecho que solamente una fracción Pi de la misma será

suministrada al fluido, pues una parte será disipada por las pérdidas mecánicas al

interno del compresor.

Por lo tanto la potencia suministrada al fluido resulta igual a:

P Pi mecc m= η

donde:

Pi potencia suministrada al fluido (kW)

Pmecc potencia mecánica efectivamente recibida por el compresor (kW)

ηm rendimiento mecánico del compresor (en el caso en examen se puedeaceptar ηm = 0.9).

La potencia que es necesario suministrar al fluido y en consecuencia la potencia

mecánica exigida por el compresor, son naturalmente función de la preponderancia


26/58

Experiencias de Laboratorio


necesaria: objeto de la experiencia es por lo tanto medir el comportamiento de la

potencia exigida en función de la presión de envío registrada mediante el manómetro

M3, o bien de la relación manométrica β entre la presión de envío citada y la presión deaspiración.

3.1.2 Modalidad de ejecución de la prueba

¡ ATENCIÓN !

Antes de poner en función el compresor, es preciso comprobar que el banco prueba

haya sido predispuesto correctamente para el funcionamiento siguiendo los

procedimientos descriptos en el § 2.2. En particular se debe verificar la puesta a punto

del arrestoneumático (cerca de 9 bar) y del presóstato de máxima (cerca de 10 bar) y

que la presión de envío al interno del depósito 14, registrable mediante el manómetro

M3, sea suficientemente inferior a los citados valores de puesta a punto (por ejemplo:

presión de envío ≈ 2 ÷ 3 bar) en modo de evitar la intervención del arrestoo del presóstato en el curso de las mediciones experimentales.

a) medir presión y temperatura del aire al interno del Laboratorio.

b) poner en marcha el compresor actuando sobre el selector marcha/parada (n. 40,

fig 2.2).

c) abrir completamente la válvula de envío 16 y una cualquiera de las válvulas de

interceptación 31-32-33-34-35; luego abrir la válvula de regulación 17: en este

modo será simulado un usuario para el caudal de aire comprimido producido por

el compresor.

d) esperar el tiempo necesario hasta que la presión al interno del depósito 14 se

estabilice, luego efectuar la lectura de los valores de potencia eléctrica P el

mediante el Watímetro (n. 42, fig. 2.2) y de presión de envío mediante el

manómetro M3 y anotar en la Tabla 3.1 los valores visualizados.

e) intervenir sobre la válvula de regulación 17, cerrándola parcialmente: esto

provocará un aumento de la presión de envío en el depósito 14; esperar luego el

tiempo necesario hasta que la presión al interno del depósito se estabilice y

efectuar nuevamente la lectura de los valores de presión y de potencia eléctrica

absorbida, anotando en la Tabla 3.1 los valores visualizados.

f) repetir el procedimiento hasta alcanzar la presión de intervención del

arrestoneumático o del presóstato de máxima, anotando de vez en vez en la

Tabla 3.1 las lecturas de los valores de presión y de potencia eléctrica absorbida.

g) utilizando las ecuaciones del § 3.1.1, completar la Tabla 3.1, calculando los

valores de potencia mecánica exigida por el compresor Pmec y de potencia

suministrada al fluido Pi, diagramándolos luego en el gráfico de la fig. 3.1.


27/58

Capítulo 3


3.1.3 Resultados experimentales

Presión envío

(bar)

Relación

manométricaβ

Pel

(kW)

Pmecc

(kW) Pi

(kW)

Presión ambiente:............ Temperatura ambiente:.................

Tab. 3.1 - Medición de la potencia exigida por el compresor

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

1 3 5 7 9 11

PiPmecc

(kW)

Fig. 3.1 - Potencia suministrada al fluido P i y potencia mecánica exigida por el compresor

P mecc en función de la relación manométrica de compresión


28/58



3.1.4 Análisis de los resultados

La potencia que es necesario suministrar al fluido y, en consecuencia, la potencia

mecánica exigida por el compresor, deben presentar un comportamiento monótono

creciente al aumentar de la presión de envío exigida y por lo tanto de la relación

manométrica β.


29/58

Capítulo 3


3.2 Medición de la característica manométrica delcompresor


Para valorar la idoneidad de un compresor para un particular empleo es necesario

conocer su característica manométrica, o sea el comportamiento de la relación

manométrica β en función del caudal enviado m. Esta curva característica permite, enefectos, establecer para cada uno de los valores de caudal exigidos por el usuario, la

preponderancia que el compresor está en condición de suministrar (o,viceversa, para

cada uno de los valores de preponderancia exigida cuál es el caudal que el compresor

está en condición de suministrar). Objeto de la presente experiencia es por lo tanto el de

obtener la citada curva característica, registrando el caudal enviado por el compresor,

mediante un fluxómetro (n. 18, fig. 2.1), al variar de la presión de envío, medida por

medio del manómetro M3.

Considerado que el fluxómetro proporciona una indicación del caudal de gas en

Nm³/h, o bien con referencia a particulares condiciones de presión y temperatura del

fluido (denominadas condiciones normales y correspondientes a p = 760 mmHg, T =

20°C) es necesario medir la presión y la temperatura del fluido en proximidad del

fluxómetro en el curso de las mediciones experimentales, mediante el manómetro M5 y

la sonda termométrica T10, y calcular el caudal efectivo utilizando la relación:

10

52.1T

T

p

pmm o

o

l && =

donde:

⋅

m es el caudal efectivo (kg/h)⋅

m 1 es el caudal medido durante las mediciones experimentales (Nm3/h)

1.2 es la densidad del aire en las condiciones de referencia (kg/m3)

po es la presión del aire en condiciones de referencia (igual a 760 mmHg, o bien a

1.013 bar)

p5 es la presión del aire medido durante las mediciones experimentales

To es la temperatura del aire en condiciones de referencia (igual a 20°C)

T10 es la temperatura del aire medida durante las mediciones experimentales

Por fin, considerado que el caudal de aire enviado por el compresor depende, además

que de la relación manométrica β, también de las condiciones a la aspiración, en el

estudio de los compresores se hace referencia usualmente a un caudal correcto⋅

m *, que

representa el caudal enviado en condiciones de referencia, utilizando la relación:


30/58



& * &m m p

p

T

T

o

amb

amb

o

=

donde

⋅m * es el caudal correcto (kg/h)

⋅

m es el caudal efectivo medido durante las mediciones experimentales (kg/h)

po es la presión atmosférica de referencia (usualmente igual a 760 mmHg)

pamb es la presión atmosférica medida durante las mediciones experimentales

To es la temperatura ambiente de referencia (usualmente igual a 20°C)

Tamb es la temperatura ambiente medida durante las mediciones experimentales

Nota

En las relaciones citadas es indiferente la unidad de medida utilizada para las

presiones atmosféricas, mientras que las temperaturas se deben expresar en grados K.


¡ ATENCIÓN !


haya sido correctamente predispuesto para el funcionamiento, siguiendo los

procedimientos descriptos en el § 2.2. En particular se debe verificar las puestas a punto







fig 2.2).




el compresor.


estabilice, luego efectuar la lectura de los valores de la presión de envío mediante

el manómetro M3, del caudal enviado, mediante el fluxómetro 18, de la presión yde la temperatura del fluido en proximidad del fluxómetro por medio del


31/58

Capítulo 3


manómetro M5 y la sonda termométrica T10 y anotar los datos visualizados en la

Tabla 3.2.


provocará un aumento de la presión de envío en el depósito 14; luego esperar el

tiempo necesario hasta que la presión al interno del depósito se estabilice yefectuar nuevamente la lectura de los valores de la presión de envío mediante el

manómetro M3, del caudal de envío por medio del fluxómetro 18, de la presión y

de la temperatura del fluido en proximidad del fluxómetro mediante el manómetro

M5 y la sonda termométrica T10, anotando en la Tabla 3.2 los valores visualizados.


arrestoneumático o del presóstato de máxima, anotando de vez en vez en la Tabla

3.2 las lecturas de los valores registrados.


valores de la relación manométrica de compresión, del caudal efectivo y delcaudal correcto, trazando luego sobre el gráfico de la fig. 3.2 la característica

manométrica del compresor.


32/58




Presión

envíoM3

(bar)

Relaciónmanom..

β

&m l

Caudalmedido(Nm

3/h)

Presión

fluxómetroM5

(bar)

Temperaturafluxómetro

T10(°C)

&m

Caudalefectivo(kg/h)

& *m

Caudalcorrecto(kg/h)

Presión ambiente:........... Temperatura ambiente:.............

Tab. 3.2 - Medición de la característica manométrica del compresor

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

0 5 10 15 20 25 30 35 40

m* (kg/h)

β

Fig. 3.2 - Característica manométrica: relación manométrica de compresión en función del

caudal correcto & *m .


33/58

Capítulo 3



La característica manométrica de un compresor alternativo presenta un

procedimiento casi vertical: con el aumentar de la presión de envío exigida y por lo

tanto de la relación manométrica β, el caudal de envío se mantiene casi constante,

evidenciando reducciones considerables solamente para valores de β elevados, pues elcampo de normal utilización corresponde a valores de la relación manométrica muy

inferiores respecto al valor límite βlim correspondiente a la anulación del caudal (v.§1.4.3)


34/58



3.3 Medición del caudal de aire aspirado y del caudal deenvío


En el estudio de los compresores alternativos puede ser útil evidenciar, en función de

la relación manométrica β, no solamente el desarrollo del caudal de envío, comoilustrado en la experiencia precedente, sino también el desarrollo del caudal aspirado

por el compresor: la comparación entre los dos caudales puede, en efectos, permitir la

valoración de la entidad de las fugas que se realizan durante la operación de

compresión del fluido. Objeto de la presente experiencia es por lo tanto el de obtener las

informaciones citadas, midiendo el caudal de envío mediante un fluxómetro (n.18, fig.

2.1) y el caudal de aire aspirado mediante una tobera conectada a un micromanómetro

diferencial (n.1, fig.2.1), al variar de la presión de envío, medida mediante el

manómetro M3.

Por cuanto concierne la medición del caudal de envío, son válidas las indicaciones

citadas en el § 3.2.1, mientras que por lo que se refiere a la medición del caudal de aire

aspirado se puede observar lo siguiente.

La tobera, puesta a la entrada de un depósito de calma (n.2, fig 2.1) colocado antes

del compresor, crea un estrechamiento de la sección de pasaje del fluido, generando un

aumento de la velocidad del mismo y por lo tanto una disminución de presión en la

sección restringida. Aplicando el teorema de Bernoulli se puede demostrar que el caudal

másico ma de la corriente fluida es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la

diferencia ∆ p de presión entre la sección restringida y el ambiente anterior:

&m K pa = ∆

siendo K un factor de proporcionalidad, dependiente de la geometría de la tobera y

de las condiciones de presión y temperatura del aire en el ambiente de aspiración. La

medición del caudal viene por lo tanto reconducida a la medición de una diferencia de

presión fácilmente efectuable.

Para determinar la diferencia de presión se utiliza un micromanómetro, considerada

la exigüidad de la diferencia misma.

Para llegar fácilmente al caudal, sin recurrir a fórmulas, se pueden utilizar diagramas

del tipo impreso en la fig. 3.3 que permiten el cálculo inmediato del caudal en base al

valor medido de ∆ p.

En realidad los valores visualizados en el diagrama tendrían que ser corregidos en

función de las condiciones ambientales (presión atmosférica y temperatura): sin

embargo si las diferencias de presión y temperatura respecto a los valores estándar son

bastante pequeñas, la citada corrección se puede omitir.

La presencia del depósito de calma ubicado después de la tobera resulta

indispensable para amortiguar las oscilaciones de ∆ p que serían producidas por elfuncionamiento pulsante del flujo de aire aspirado por el compresor.


35/58

Capítulo 3


Fig 3.3 - Curva característica de la tobera utilizada para la medición del caudal de aire

aspirado por el compresor


¡ ATENCIÓN !


haya sido predispuesto correctamente para el funcionamiento siguiendo los

procedimientos descriptos en el § 2.2. En particular se debe verificar la puesta a puntodel arrestoneumático (cerca de 9 bar) y del presóstato de máxima (cerca de 10 bar) y


36/58






a) medir presión y temperatura del aire al interno del Laboratorio


fig. 2.2).




el compresor.


estabilice, luego efectuar la lectura de los valores de la presión de envío medianteel manómetro M3, de la caída de presión sobre la tobera por medio del

micromanómetro 1, del caudal de envío mediante el fluxómetro 18, de la presión

y de la temperatura del fluido en proximidad del fluxómetro por medio del

manómetro M5 y la sonda termométrica T10 y anotar los datos visualizados en la

Tabla 3.3.



tiempo necesario hasta que la presión al interno del depósito se estabilice y

efectuar nuevamente la lectura de los valores de la presión de envío mediante el

manómetro M3, de la caída de presión sobre la tobera por medio delmicromanómetro 1, del caudal de envío mediante el fluxómetro 18, de la presión

y de la temperatura del fluido en proximidad del fluxómetro mediante el

manómetro M5 y la sonda termométrica T10, anotando en la Tabla 3.3 los valores

visualizados.



3.3 las lecturas de los valores obtenidos.


valores de la relación manométrica de compresión y del caudal de envío efectivo;utilizando el diagrama de la fig. 3.3 determinar el valor del caudal aspirado;

anotar, por fin, sobre el gráfico de la fig. 3.4 el desarrollo del caudal de envío

efectivo y del caudal aspirado en función de la relación manométrica β.


37/58

Capítulo 3



Presión envíoM3

(bar)

&m l

Caudal envíomedido

(Nm

3

/h)

Presiónfluxómetro

M5

(bar)

Temperaturafluxómetro

T10

(°C)

∆ p Caída presión

tobera

(mmH2O)


Tab. 3.3 - Medición del caudal de envío y del caudal aspirado por el compresor (datos

experimentales registrados

Presión envíoM3

(bar)

Relaciónmanométrica

β

&m l

Caudal envíomedido

(Nm3/h)

&m

Caudal envíoefectivo

(kg/h)

&ma

Caudal aspirado

(kg/h)

Tab. 3.4 - Medición del caudal de envío y del caudal aspirado por el compresor (datos

calculados)


38/58



0

5

10

15

20

25

30

35

40

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

ma

m

(kg/h)

Fig. 3.4 - Desarrollo del caudal aspirado ma y del caudal de envío m en función de la

relación manométrica de compresión .


En base a cuanto ilustrado a propósito de la característica manométrica, el

desarrollo del caudal de envío y del caudal aspirado resulta generalmente casi constantecon el variar de la relación manométrica β, evidenciando una progresiva disminuciónsólo para valores de β elevados: La comparación entre el caudal de envío y el caudalaspirado puede además permitir valorar la entidad de las fugas que se verifican en el

curso de la compresión del fluido: sin embargo el caudal de fluido perdido a causa de

las fugas es, generalmente, extremadamente contenido (casi siempre inferior al 5% del

caudal de envío) y su determinación, mediante los dispositivos usualmente utilizados en

ámbito industrial, como ser fluxómetros, diafragmas y toberas, cuya precisión está en el

orden del 2-3%, puede resultar por lo tanto frecuentemente problemática.


39/58

Capítulo 3


3.4 Medición del incremento de temperatura producido porla compresión


La operación de compresión provoca un incremento no sólo de la presión, sino

también de la temperatura del gas tratado: objeto de la experiencia es por lo tanto la

medición del citado incremento de temperatura, en función de la presión de envío. las

mediciones experimentales se pueden efectuar tanto sobre la primera como sobre la

segunda fase del compresor: mediante las sondas termométricas Tamb y T1 se pueden en

efectos medir las temperaturas del fluido respectivamente antes y después de la primera

fase, mientras que el manómetro M1 permite determinar la relación manométrica de

compresión βI de la primera fase; análogamente, por medio de las sondas termométricasT2 y T3 se pueden medir las temperaturas del fluido respectivamente antes y después de

la segunda fase, mientras que los manómetros M1 y M2 permiten determinar la relación

manométrica de compresión βII de la segunda fase.

Los incrementos de temperatura registrados pueden ser comparados con los

incrementos calculados en la hipótesis de compresión isentrópica. Según la citada

hipótesis se tendría en efectos:

)1(1

1

1

1 −=−⇒=

−

−

k

k

I ambambisk

k

I ambis T T T T T β β

)1(1

223

1

23 −=−⇒=

−

−

k

k

II isk

k

II is T T T T T β β

Por fin se pueden valorar los efectos positivos de la interrefrigeración por cuanto se

refiere al contenimiento de la temperatura alcanzada al final de la compresión,

calculando la temperatura que sería alcanzada por el gas al final de una compresión

isentrópica sin interrefrigeración (indicando con β la relación de compresión total,igual a βIβII:

)1(

1

,

1

, −=−⇒=

−

−

k

k

ambambis fink

k

ambis fin T T T T T β β

NotaEn las relaciones citadas las temperaturas se deben expresar en grados K.


¡ ATENCIÓN !


haya sido correctamente predispuesto para el funcionamiento, siguiendo los


el arrestoneumático (cerca de 9 bar) y del presóstato de máxima (cerca de 10 bar) y quela presión de envío al interno del depósito 14, registrable mediante el manómetro M 3,


40/58



sea suficientemente inferior a los citados valores de puesta a punto (por ejemplo:

presión de envío ≈ 2 ÷3 bar) en modo de evitar la intervención del arrestoo del presóstato en el curso de las mediciones experimentales.


b) poner en marcha el compresor actuando sobre el selector marcha/parada (n.40,

fig. 2.2).




el compresor.


estabilice, luego efectuar la lectura de los valores de las presiones de envío de la

primera y de la segunda fase mediante los manómetros M1 y M2, y anotar en laTabla 3.5 los valores visualizados; por medio del apropiado selector (n. 46, fig.

2.2) visualizar sobre el indicador digital (n. 45, fig. 2.2) la temperatura del aire a

la entrada de la primera fase medida por la sonda termométrica Tamb, poniendo el

selector mismo en la posición 1; repetir luego la operación visualizando la

temperatura a la salida de la primera fase, medida por la sonda termométrica T1,

la temperatura a la entrada de la segunda fase, medida por la sonda termométrica

T2 y, en fin,la temperatura a la salida de la segunda fase medida por la sonda

termométrica T3, anotando de vez en vez en la Tabla 3.5 los valores visualizados.


provocará un aumento de la presión de envío en el depósito 14; luego esperar eltiempo necesario hasta que la presión al interno del depósito se estabilice y

efectuar nuevamente la lectura de los valores de presión y de temperatura,

anotando en la Tabla 3.5 los valores visualizados.



3.5 las lecturas de los valores de presión y de temperatura.


valores de las temperaturas isentrópicas y diagramándolos luego juntamente con

los de las temperaturas medidas en el gráfico de la fig. 3.5.


41/58

Capítulo 3



Presiónenvío1ª

faseM1

(bar)

Relaciónmanom.1ª fase

βI

Presiónenvío

2ª faseM2

(bar)


βII

Temp.entrada1ª fase

Tamb

(°C)

Temp.envío

1ª faseT1

(°C)


T2

(°C)

Temp.envío

2ª faseT3

(°C)


Tab. 3.5 - Temperaturas del fluido registradas en función de la relación manométrica de

compresión I de la 1ª fase y II de la 2ª fase.


βI


Tamb

(°C)

Temp. is.envío

1ª faseT1is

(°C)


βII


T2

(°C)

Temp. is.envío

2ª faseT3is

(°C)

Relaciónmanom.compl.

β = βI βII

Temp. is.envío

no interr.Tfin,is

(°C)

Tab. 3.6 - Temperaturas isentrópicas del fluido calculadas en función de las relaciones

manométricas de compresión I de la 1ª fase, II de la 2ª fase y de la relación manométrica

total en ausencia de interrefrigeración.


42/58



0

50

100

150

200

250

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Temperature

(°C)

Fig. 3.5 - Temperaturas del fluido registradas y temperaturas isentrópicas calculadas en

función de las relaciones manométricas de compresión I de la 1ª fase, II de la 2ª fase y de la

relación manométrica total en ausencia de interrefrigeración.


En base a las relaciones analíticas citadas en el § 3.4.1, es evidente que el incrementode temperatura producido por una compresión isentrópica aumenta con el aumentar de

la relación manométrica: el desarrollo de las temperaturas de envío calculadas será en

consecuencia función monótona creciente de β. Por cuanto se refiere, en cambio, aldesarrollo de las temperaturas de envío registradas experimentalmente, se podrán

observar diferencias considerables respecto a los valores calculados. Esto es debido al

hecho que en el curso de la compresión real el fluido intercambia calor con las paredes

del cilindro; la entidad de los citados intercambios térmicos depende de la temperatura

del fluido mismo y además de la temperatura media de las paredes del cilindro, y resulta

por lo tanto condicionada de la relación manométrica: mayor es la presión de envío,

mayor será la temperatura alcanzada por el fluido y por lo tanto mayor será la entidad

del flujo de calor desde el fluido a las paredes y en consecuencia la diferencia respecto alos valores calculados suponiendo la compresión isentrópica.


43/58

Capítulo 3


3.5 Medición de la potencia térmica a sustraer para larefrigeración del aire comprimido


El incremento de temperatura del gas provocado por la operación de compresión

no es, generalmente, tolerable por los motivos expuestos en el § 1.4.3, y es por lo tanto

oportuno recirrir a la refrigeración del aire comprimido, usualmente mediante

cambiadores de calor agua/aire: objeto de la experiencia es por lo tanto la medición de

la potencia térmica a sustraer, en función de la presión de envío. Las mediciones

experimentales se pueden efectuar tanto sobre el refrigerador intermedio ubicado entre

la primera y la segunda fase de compresión, como sobre el refrigerador final ubicado

después de la segunda fase; además, para cada uno de los refrigeradores la medición de

la potencia térmica cambiada puede ser efectuada tanto sobre el lado aire comprimido,

como sobre el lado fluido refrigerante (en el caso en examen: agua). Mediante las

sondas termométricas T1 y T2 se puede, en efectos, medir las temperaturas del aire

comprimido respectivamente antes y después del primer refrigerador, mientras que el

fluxómetro 18 (v. fig. 2.2) permite medir el caudal másico m enviado por el compresor

(que coincide con el caudal de aire que pasa a través del cambiador, menos las fugas

que normalmente son insignificantes). La potencia térmica Qal sustraida al aire

comprimido en el primer refrigerador resulta por lo tanto:

3600

)( 21 T T cmQ

p

aI

−=

&&

donde:

&QaI es la potencia térmica sustraida al aire comprimido en el primer refrigerador

(kW).

&m es el caudal másico de aire comprimido (kg/h).

c p es la capacidad térmica másica a presión constante del aire (igual a 1 kJ/kgK).

T1 es la temperatura del aire a la entrada del primer refrigerador (°C).

T2 es la temperatura del aire a la salida del primer refrigerador (°C)

Esta potencia debe naturalmente coincidir con la potencia térmica Q Iref recibida del

líquido refrigerante, potencia que puede ser determinada midiendo las temperaturas del

refrigerante antes y después del refrigerador, mediante las sondas termométricas T5 y T7

respectivamente, y el caudal másico mIref de refrigerante por medio del apropiado

fluxómetro 9 (v. fig. 2.2):

3600

)( 57 T T cmQQ

ref ref I

ref I aI

−==

&&&

donde:


44/58



&Q I ref es la potencia térmica recibida por el refrigerante en el primer refrigerador

(kW).

&m Iref es el caudal másico de refrigerante en el primer refrigerador (kg/h)

cref es la capacidad térmica másica del refrigerante (igual a 4.186 kJ/kgK para elagua)

T5 es la temperatura del agua a la entrada del primer refrigerador (°C)

T7 es la temperatura del agua a la salida del primer refrigerador (°C)

Análogamente, mediante las sondas termométricas T3 y T4 se pueden medir las

temperaturas del aire comprimido respectivamente antes y después del refrigerador

final, mientras que las sondas termométricas T6 y T8 permiten la medición de las

temperaturas del agua respectivamente antes y después del refrigerador final; el caudal

másico de aire puede ser medido siempre por medio del fluxómetro 18, mientras que elcaudal másico de agua mIIref se puede medir mediante el apropiado fluxómetro 10 (v.

fig. 2.2). Se tiene por lo tanto para el segundo refrigerador:

)()( 6843 T T cmQT T cmQ ref IIref IIref paII −==−= &&&&


¡ ATENCIÓN !

Antes de poner en función el compresor, es preciso comprobar que el banco pruebahaya sido correctamente predispuesto para el funcionamiento, siguiendo los







b) poner en marcha el compresor actuando sobre el selector marcha/parada (n. 40,fig. 2.2)




el compresor.


estabilice, luego efectuar la lectura de los valores de las presiones de envío de la

primera y de la segunda fase mediante los manómetros M1 y M2 y anotar en la

Tabla 3.7 los valores visualizados; luego efectuar la lectura del caudal de aire pormedio del fluxómetro 18 (medir además la presión y la temperatura del aire en


45/58

Capítulo 3


proximidad del fluxómetro mediante el manómetro M5 y la sonda termométrica

T10 al fin de poder efectuar las correcciones necesarias, según las modalidades

expuestas en el § 3.2.1) y anotar los datos visualizados en la Tabla 3.7.

e) mediante el selector apropiado (n. 46, fig. 2.2) visualizar sobre el indicador

digital (n. 45, fig 2.2) la temperatura del aire a la entrada del primer refrigerador,medida por la sonda termométrica T1, poniendo el selector mismo en la posición

2; repetir la operación visualizando la temperatura del aire a la salida del primer

refrigerador, medida por la sonda termométrica T2, la temperatura del agua a la

entrada del primer refrigerador (T5), la temperatura del agua a la salida del

primer refrigerador (T7): en el caso en que la diferencia (T7 – T5) resultase

particularmente contenida, reducir el caudal de agua que circula en el cambiador

por medio del grifo de regulación 11, hasta obtener una diferencia de temperatura

de aproximadamente 10°; efectuar luego la lectura del caudal de agua mediante

el fluxómetro 9 y anotar los datos visualizados en la Tabla 3.8.

f) proceder con las mediciones sobre el segundo refrigerador análogamente a loefectuado en el punto e) para el primer refrigerador: medir las temperaturas del

aire a la entrada (T3) y a la salida (T4), luego las temperaturas del agua a la

entrada (T6) y a la salida (T8); en el caso en que la diferencia (T8 – T6) resultase

particularmente contenida, reducir el caudal de agua que circula en el cambiador

mediante el grifo de regulación 12, hasta obtener una diferencia de temperatura

de aproximadamente 10°; efectuar luego la lectura del caudal de agua por medio

del fluxómetro 10 y anotar los datos visualizados en la Tabla 3.8.

g) intervenir sobre la válvula de regulación 17, cerrándola parcialmente: esto


tiempo necesario hasta que la presión al interno del depósito se estabilice yrepetir las operaciones expuestas en los puntos d), e) y f), anotando en las Tablas

3.7 y 3.8 los valores visualizados.

h) repetir el procedimiento hasta alcanzar la presión de intervención del

arrestoneumático o del presóstato de máxima, anotando de vez en vez en las

Tablas 3.7 y 3.8 las lecturas de los valores de presión, de temperatura y de

caudal.

i) utilizando las ecuaciones del § 3.5.1, completar la Tabla 3.9, calculando los

valores de las potencias térmicas y diagramándolos luego en el gráfico de la fig.

3.6.


46/58



3.5.3 Experiencias de laboratorio

Presiónenvío

1ª faseM1


βI

Presiónenvío

2ª faseM2


βII

⋅

m 1 caudal

aire

medida

Presiónfluxóm.

M5

Temp.fluxóm.

T10

⋅

m Caudal

aire

efectivo(bar) (bar) (Nm³/h) (bar) (°C) (kg/h)

Presión ambiente:.............. Temperatura ambiente:..............

Tab. 3.7 - Medición presiones y caudales de aire en función de las relaciones manométricas

de compresión I de la 1ª fase y II de la 2ª fase.

Temp.aire

entr.1° refr.

T1 (°C)

Temp.aire

sal.1° refr.

T2 (°C)

Temp.agua

entr.1° refr.

T5 (°C)

Temp.agua

sal.1° refr.

T7 (°C)

Caudalagua

1° refr.mIref

(kg/h)

Temp.aire

entr.2° refr.

T3 (°C)

Temp.aire

sal.2° refr.

T4 (°C)

Temp.agua

entr.2° refr.

T6 (°C)

Temp.agua

sal.2° refr.

T8 (°C)

Caudalagua

2° refr.mIIref

(kg/h)

Tab. 3.8 - Medición temperaturas y caudales de agua refrigerante


47/58

Capítulo 3


0

0.5

1

1.5

2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Q

(kW)

Fig. 3.6 - Potencias térmicas sustraídas en el primero y en el segundo refrigerador en función

de las relaciones manométricas de compresión I de la 1ª fase y II de la 2ª fase.


La potencia térmica a sustraer para la refrigeración del aire comprimido presenta un

desarrollo creciente con el aumentar de β, en base a lo visto a propósito del desarrollode los incrementos de temperatura sufridos por el fluido por efecto de la compresión.

Cabe observar además que errores aun modestos en la lectura de las temperaturas

pueden comportar errores notables en la determinación de la potencia térmica sustraída:

así, por ejemplo, en el caso en que el incremento de temperatura del agua refrigerante

sea igual a solos 10°, un error de 1° en la lectura de la temperatura del agua produce

evidentemente un error del 10% aproximadamente en la determinación de la potencia

térmica sustraída por el refrigerante.


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3.6 Medición de los caudales de aire comprimido condispositivos de estrangulación


En el estudio de los compresores alternativos, así como en el estudio de los

circuitos neumáticos, es necesario frecuentemente efectuar mediciones del caudal, como

ya evidenciado en el curso de las experiencias precedentes; para esta tarea no siempre

son utilizables los fluxómetros, sea por razones de coste como por razones de espacio,

mientras que es muy difundido el empleo de dispositivos de estrangulación, como

diafragmas y toberas, los cuales pero no permiten la visualización inmediata y directa

del caudal medido, como los fluxómetros, sino que permiten la determinación del

caudal sólo por vía indirecta a través del empleo de relaciones analíticas. Objeto de la

presente experiencia es por lo tanto el de efectuar mediciones de caudal tanto mediante

un fluxómetro (n. 18, fig. 2.1), como por medio de diafragmas de diferentes

dimensiones (n. 19-20-21, fig. 2.1), comparando los resultados obtenidos con los

diversos tipos de medidores.

En cuanto se refiere al caudal mediante el fluxómetro, valen las indicaciones citadas

en el § 3.2.1, mientras que por lo que concierne la medición del caudal por medio de

diafragmas, se puede observar lo siguiente.

El diafragma (v. fig. 3.7) crea un estrechamiento de la secció

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