Análisis Termodinámico de un Compresor

Análisis termodinámico del compresor con su respectivo antecedentes.

1. Analisis Termodinámico, compresor. Instituto Tecnológico de Ciudad Madero. Ing. Mecánica. Compresor Flujo Axial .

2. Generalidades. Al igual que las bombas y los ventiladores, los compresores son dispositivos que se utilizan para incrementar la presión de un fluido. A estos dispositivos el trabajo se suministra desde una fuente externa a través de un eje giratorio, por lo tanto los compresores requieren entrada de trabajo. Aún cuando estos tres dispositivos funcionan de manera similar, difieren en las tareas que llevan a cabo . Compresor de dos etapas con estudio de diafragma

3. Diferencias entre un compresor a una bomba y ventilador. Un ventilador se usa sobre todo para movilizar un gas y sólo incrementa ligeramente la presión, mientras que un compresor es capaz de comprimir el gas a presiones muy altas. Las bombas funcionan de manera muy parecida a los compresores excepto que manejan líquidos en lugar de gases . Compresores de tornillo .

4. Generación de Energía. Las turbinas producen potencia mientras que los compresores, bombas y ventiladores requieren entrada de potencia. La transferencia de calor desde las turbinas por lo general es insignificante (Q ) ya que normalmente están bien aisladas. La transferencia de calor es también insignificante para los compresores, a menos que haya enfriamiento intencional. Los cambios de energía potencial son insignificantes para todos estos dispositivos ( EP ); mientras que las velocidades, con excepción de turbinas y ventiladores, son demasiado bajas para causar algún cambio importante en su energía cinética ( EC 0).  

5. Definición y clasificación. Se designa por compresor a la máquina útil conducida, que realiza el trabajo de elevar la presión de un gas. Estas máquinas se pueden clasificar de distintas formas; Compresor de desplazamiento positivo : confina sucesivamente los volúmenes del gas dentro de un espacio cerrado y eleva su presión . Compresor reciprocante (alternativo): e leva la presión mediante desplazamiento positivo mediante un émbolo con movimiento alternativo. Compresor rotativo: la compresión y desplazamiento del gas se efectúa por la acción positiva de los elementos rotatorios . Otros: a) paletas deslizantes. b) anillo. c) rotor helicoidal. d) diafragma centrífugo.

6. Fundamento. El proceso de compresión del aire, responde a las leyes generales de compresión y expansión de los gases, fundamentalmente establecidas por Boyle y Mariotte y Guy Lussac.

7. Ley de Boyle y Mariotte . A temperatura constante (isotérmica), la presión absoluta de un gas ideal, es inversamente proporcional al volumen.

8. Robert Boyle . Robert Boyle , (Waterford, 25 de enero de 1627-Londres, 31 de diciembre de 1691) fue un filósofo-natural , químico, físico e inventor irlandés. También fue un prominente  teólogo cristiano. Como científico es conocido principalmente por la formulación de la ley de Boyle ,  además de que es generalmente considerado hoy como el primer químico moderno, y por lo tanto uno de los fundadores de la química moderna. Su obra  The Sceptical Chymist  ( El químico escéptico ) es considerada una obra fundamental en la historia de la química.

9. Edme mariotte Edme Mariotte  (1620 - Dijon (Francia); 12 de mayo de 1684- (París)), abad y físico  francés. Estudió la compresión de los gases y llegó a descubrir la ley hoy conocida como  ley de Boyle – Mariotte . Ambos científicos Boyle y Mariotte , de forma independiente llegaron a la misma ley. Como curiosidad, Boyle en sus escritos no especificó que la temperatura debía ser constante para que la ley fuese válida, seguramente realizó sus experimentos y así lo daría por hecho. Mariotte si especificó esta constante. Edme Mariotte fue un pionero de la física experimental y profesor de física en 1654-1658, y uno de los fundadores de este dominio en Francia. Estudió también la óptica, las deformaciones elásticas de los sólidos y la hidrodinámica.

10. Ley de Charles-Gay Lussac. A presión constante (isobárica), el volumen de un gas ideal, es directamente proporcional ala temperatura.

11. Jacques Charles. Jacques Alexandre César Charles   (Beaugency-sur-Loire , 12 de noviembre de 1746 - 7 de abril de 1823) inventor, científico y matemático francés. Rompió el récord de globo aerostático, el 27 de agosto de  1 Ainé Roberts, logró elevarse hasta una altura de 1.000 metros. Inventó varios dispositivos, entre ellos un densímetro (también llamado hidrómetro), aparato que mide la gravedad específica de los líquidos. Cerca del 1787 descubrió la ley de Charles. Su descubrimiento fue previo al de Louis Joseph Gay-Lussac, que publicó en 1802 la ley de expansión de los gases. Charles fue electo en 1793 como miembro de la  Académie des Sciences 783 . El 1 de diciembre de ese año, junto con  , instituto real de Francia. Fue profesor de Física hasta su muerte el 7 de abril de 1823.

12. Louis Joseph Gay-Lussac. Louis Joseph  o  Joseph-Louis Gay-Lussac  (Saint- Léonard -de- Noblat , Francia 6 de diciembre de  1778 – París, Francia, 9 de mayo de 1850) fue un químico y físico francés. Es conocido en la actualidad por su contribución a las leyes de los gases. En 1802, Gay-Lussac fue el primero en formular la ley según la cual un gas se expande proporcionalmente a su temperatura (absoluta) si se mantiene constante la presión (Ley de Charles) y que aumenta proporcionalmente su presión si el volumen se mantiene constante (Ley de Gay-Lussac).

13. Balance termodinámico. W Q ent . sal. Variables que comprenden un compresor para el balance. Entrada   Salida     1ª Ley de la termodinámica Su función es comprimir un fluido comprensible, por lo tanto: <<   Suposiciones: ( edo estable) Las velocidades tienden a ser muy parecidas  

14. Balance termodinámico. W Q ent . sal. Variables que comprenden un compresor para el balance. Entrada   Salida     1ª Ley de la termodinámica Su función es comprimir un fluido comprensible, por lo tanto: <<   Suposiciones: ( edo estable) Las velocidades tienden a ser muy parecidas   Q ≈ 0     Como las velocidades tienden a ser muy parecidas   Nuestro Balance De Energía Queda: -W = m( )  

15. 15 De igual manera. A volumen constante ( isocórica ), las presiones son directamente proporcionales a las variaciones de las temperaturas absolutas.

16. 16 Modificación del peso específico. Si en un gas de peso P que ocupa un volumen V 1 a una presión p 1 manteniendo constante la temperatura, hacemos variar su presión a p 2 su volumen adquiere el valor V 2 por lo que el peso específico respectivo asume el valor:

17. 17 Calor específico del gas. Se debe recordar que el calor específico del gas varía con la temperatura y con la presión a que está sometido. Calor específico a volumen constante c v Calor específico a presión constante c p

18. 18 Calor específico a volumen constante, A volumen constante, el calor específico "c v " de un gas, es el cociente entre la cantidad de calor entregado al mismo y el producto de su masa por el salto de temperatura y representa la cantidad de calor que es necesario para que un kg de dicho gas eleve su temperatura en 1°C, manteniendo constante su volumen e incrementando su presión. )  

19. 19 Calor específico a presión constante. A presión constante, el calor específico " c p " de un gas, es el cociente entre la cantidad de calor entregado al mismo y el producto de su masa por el salto de temperatura, y representa la cantidad de calor que es necesario para que un kg de dicho gas eleve su temperatura en 1 ºC manteniendo constante su presión e incrementando su volumen. )  

20. 20 Valores de c v y c p . En los gases, el valor de "c v " es menor que el de " c p " y, por ejemplo, para el aire vale: Si bien estos valores varían con la temperatura, hasta los 100° C – 373.15 K – 212 °F – 671.67 °R pueden considerarse constantes . 0.7076 = 0.169   0.9923 = 0.237  

21. 21 Otras consideraciones. En toda transformación de calor a trabajo que se formula en una masa de gas, la cantidad de calor entregado al sistema es igual al trabajo realizado por el mismo, más la variación de energía interna. Al respecto, cabe consignar las equivalencias de toda transformación de calor a trabajo mecánico o viceversa.  

22. 22 Ecuación de estado de los gases. Otra variación importante se formula mediante "p", "V", "T ", ya que la presión, el volumen y la temperatura de un gas establecen su estado térmico y conforman la ecuación de estado. La relación entre estos tres parámetros es tal que si dos de ellos se modifican, el tercero varía, en consecuencia, manteniendo constante el valor de la relación.

23. 23 Constante R de los gases. En cuanto a la constante R, si la relacionamos con los calores específicos, se establecen las siguientes expresiones: Siendo k el exponente adiabático

24. 24 Transformaciones Termodinámicas. En cuanto a las transformaciones posibles durante una compresión, cabe recordar que, cuando la misma es a temperatura constante se denomina isotérmica y cumple con la ley de Boyle y Mariotte , siendo su representación una hipérbola equilátera.

25. 25 Transformaciones Termodinámicas. Cuando la transformación es adiabática, el sistema no transfiere calor al exterior y su representación está dada por una hipérbola que no es equilátera. donde el exponente adiabático k, es la relación entre los calores específicos a presión constante y a volumen constante, como se vio anteriormente

26. 26 Transformaciones Termodinámicas. Cuando la transformación es politrópica , implica que existe transferencia de calor desde el medio al exterior, o a la inversa, y que el incremento o reducción de temperatura es proporcional a la cantidad de calor añadida o disipada. La curva difiere de las otras dos y la expresión asume la forma; donde n es el exponente politrópíco cuyos valores, en la práctica, están entre 1,2 y 1,3 y que, por lo general, son menores que "k". donde "c" es la cantidad de calor que debe absorber un kg de gas para obtener, además del trabajo realizado, un incremento de temperatura de 1 ºC .

27. 27 Transformaciones Termodinámicas

28. 28 Compresor alternativo - Aspiración

29. 29 Compresor alternativo - Impulsión

30. 30 Ciclo de trabajo teórico de un compresor ideal, sin pérdidas, con espacio muerto nulo y con un gas perfecto

31. 31 Trabajos realizados. Trabajo de compresión (L1) Trabajo de aspiración (L2) Trabajo de impulsión (L3)

32. 32 Transformación adiabática.

33. 33 Transformación isotérmica.

34. 34 Comparación Adiabática - isotérmca .

35. 35 Curvas reales.

36. 36 Compresor de dos etapas.

37. 37 Compresor de tres etapas.

38. Fuentes. Termodinámica, Cengel , 7ma Edición. http://es.slideshare.net/luisbiglieri/termodinmica-compresores-8505102