INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS
INGENIERÍA PETROLERA
CANDELARIO MARTINEZ FRANCISCO JAVIER
Nombre del Alumno: ____________________________________________________ Apellido Paterno
No. Control:
14082234
MATERIA:
TEMAS:
Apellido Materno
Semestre:
6 °
Grupo:
E
SISTEMA DE BOMBEO EN LA INDUSTRIA PETROLERA
UNIDAD VI
Nombre del Docente:
Nombre(s)
Periodo: FEBRERO – JUNIO 2017
SANTOS
MARTINEZ
Apellido Paterno
Apellido Materno
1
CELESTES
Nombre(s)
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INDICE
INTRODUCCION 6.1 TURBOCOMPRESORES ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO LINEA DE SOBRECARGA LINEA DE ESTRANGULACION 6.2 COMPRESORES RECIPROCANTES 6.3 VENTILADORES 6.4 NORMATIVIDAD PARA LA SELECCIÓN DE VENTILADORES Y COMPRESORES. BIBLIOGRAFIA.
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INTRODUCCION
Los compresores son máquinas que tienen por finalidad aportar una energía a los fluidos compresibles (gases y vapores) sobre los que operan, para hacerlos fluir aumentando al mismo tiempo su presión. En esta última característica precisamente, se distinguen de las soplantes y ventiladores que manejan grandes cantidades de fluidos compresibles (aire por ejemplo) sin modificar sensiblemente su presión, con funciones similares a las bombas de fluidos incompresibles. Un compresor admite gas o vapor a una presión p1 dada, descargándolo a una presión p2 superior. La energía necesaria para efectuar este trabajo la proporciona un motor eléctrico o una turbina de vapor. Campo de utilización.- Los compresores alternativos tienen una amplia gama de volúmenes desplazados en el intervalo, 0 ÷ 1000 m3/h, entrando en competencia con los de paletas, tornillo, etc.
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COMPRESORES Y VENTILADORES. 6.1 TURBO COMPRESORES. Un turbocompresor es una maquina pensada para aprovechar la energía de los gases de escape de un motor y usarla en la acción de comprimir el aire fresco del conducto de admisión de un motor de combustión, se compone de una turbina, accionada por los gases de escape y un compresor que comprime los gases del conducto de admisión, unidos ambos por un eje que los hace girar solidarios. Los primeros turbocompresores axiales se construyeron alrededor de 1900 por Sir Charles Parsons; tenían una baja relación de compresión, así como rendimientos muy modestos, del orden del 55%, por lo que se abandonaron en favor de los turbocompresores centrífugos de varios escalonamientos por su más alto rendimiento, del 70% al 80%.
FIGURA. 1 TURBO COMPRESOR.
Estructura y funcionamiento Los compresores de la mayoría de los turbocompresores suelen ser de tipo centrífugo. Este tipo de compresor está formado por tres componentes básicos: rueda del compresor, difusor y caja espiral. Sirviéndose de la velocidad de rotación de la rueda, se introduce el aire axialmente y se acelera a gran velocidad. El aire abandona la rueda del compresor en dirección radial. El difusor frena el aire que fluye a gran velocidad, sin apenas pérdidas, para aumentar tanto la presión c omo la temperatura. El difusor se compone de la placa de apoyo del compresor y parte del
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alojamiento en espiral, que a su vez recoge el aire y lo frena aún más antes de que llegue a la salida del compresor.
Características de funcionamiento El comportamiento operativo del compresor se define normalmente mediante planos que reflejan la relación existente entre la relación de presiones y el volumen o el caudal másico. La sección del plano relativa a los compresores centrífugos está delimitada por las líneas de sobrecarga y cierre y la velocidad m áxima permitida del compresor.
Línea de sobrecarga El ancho del mapa está delimitado a la izquierda por la línea de sobrecarga. Esto es básicamente la “pérdida” de l flujo de aire en la entrada del compresor. Con un caudal demasiado pequeño y una relación de presiones demasiado alta, el flujo no puede seguir adhiriéndose a la cara de aspiración de las aspas, lo que provoca la interrupción del proceso de impulsión. La circulación de aire a través del compresor se invierta hasta que se alcance una relación de presiones estable con un caudal volumétrico positivo, se vuelve a generar presión y se repite el ciclo. Esta inestabilidad del flujo continúa con una frecuencia constante y el ruido resultante se conoce como "sobrecarga".
FIGURA. 2 PLANO DE COMPRESOR DE UN TURBOCOMPRESOR PARA APLICACIONES EN TURISMOS .
Línea de estrangulación El caudal volumétrico máximo del compresor centrífugo normalmente está limitado por la sección transversal en la toma del compresor. Cuando el flujo en la entrada de la rueda alcanza la velocidad sónica, ya no puede aumentar más el caudal. La línea de estrangulamiento se puede reconocer por la pronunciada pendiente
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descendiente que describen las líneas de velocidad a la derecha del plano del compresor Las ventajas de los turbocompresores en comparación con los compresores alternativos son: - Construcción compacta - Volumen de máquina reducido - Seguridad de funcionamiento - Mantenimiento prácticamente nulo - Carencia de desgaste - Escasa cimentación - Montaje sencillo - Marcha exenta de vibraciones - Regulación progresiva fácil - Carencia de vibraciones en los conductos de gas - Empleo de motores eléctricos normales, para su accionamiento CLASIFICACION DE LOS TURBOCOMPRESORES Los turbocompresores se clasifican, según la dirección del flujo, en los tres tipos siguientes, Fig III.1: a) Radiales; b) Diagonales (semiaxiales, radioaxiales ó de flujo mixto); c) Axiales
FIGURA. 3 Corte de un turbocompresor: a) Radial; b) Diagonal; c) Axial
Los turbocompresores radiales y diagonales se denominan turbocompresores centrífugos; los turbocompresores diagonales no son muy corrientes y su teoría fundamental no difiere de la de los turbocompresores radiales. El diseño específico del rodete de doble curvatura, característico de las turbomáquinas diagonales, es análogo al empleado en las bombas helicocentrífugas. El turbocompresor diagonal puede suministrar un caudal 2 ÷ 3 veces mayor que un turbocompresor del mismo diámetro con un rendimiento un 5% mayor. Se utiliza para humos, gas de alto horno,
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plantas de desulfurización, industrias de productos farmacéuticos y alimenticios, túneles de aireación, etc.)
6.2 COMPRESORES RECIPROCANTES. Es un compresor de desplazamiento positivo, en el que la compresión se obtiene por desplazamiento de un pistón moviéndose lineal y secuencialmente de atrás hacia adelante dentro de un cilindro; reduciendo de esta forma, el volumen de la cámara (cilindro) donde se deposita el gas; este efecto, origina el incremento en la presión hasta alcanzar la presión de descarga, desplazando el fluido a través de la válvula de salida del cilindro.
FIGURA. 4 COMPRESOR RECIPROCANTE.
A continuación describiremos el ciclo ideal y el real en un compresor reciprocante.
FIGURA. 5 CICLO IDEAL.
El comprimido es 100%. El vector A-B representa el movimiento del stroke o carrera de succión en el cual el gas empieza a ingresar al cilindro a través de la válvula de succión hasta el volumen V1 En el ciclo ideal de la compresión, la descarga del gas comprimido es 100 %. El vector A-B representa el movimiento del stroke o carrera de succión en el cual el gas empieza a ingresar al cilindro a través de la válvula de succión hasta el volumen V1 que es el volumen total del cilindro de compresión, durante éste movimiento la presión P1 permanece constante y es igual a la presión
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en la succión o tubería de carga al compresor. En el punto “B”, la fuerza d co mpresor actúa positivamente y comprime el gas hasta el punto “C” en el cual se alcanza la
presión deseada de descarga P2 y es éste el momento en el cual la válvula de salida se abre permitiendo la transferencia total del gas del cilindro de compresión al sistema en el punto D. Como asumimos que estamos operando un compresor ideal o perfecto que nos permite hacer u na compresión ideal, el punto “D” corresponderá a un volumen de cero cuando se cierran las válvulas de salida. Aquí empieza el retorno del pistón, pasando del punto “D” al punto “A” y de la presión P2 a la presión P1 idealmente, ya que al llegar al punto “D”, como el volumen es cero, no habrá
moléculas remanentes de gas y la presión, en éste instante, no tendrá ningún valor, luego tan pronto se abran las válvulas de entrada de gas en el punto “A” la presión será la de carga o succión al compresor, “P1”, ini ciándose nuevamente el ciclo de
compresión. En la realidad los equipos de compresión no son perfectos, ni se puede pensar en una compresión ideal, por lo que es mejor analizar el ciclo real que sucede en un compresor reciprocante, modelo más conocido en el campo petrolero.
FIGURA. 6 CICLO REAL.
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FIGURA. 7 CICLO REAL DE COMPRESIÓN.
En las figuras de los ciclos ideal y real se puede observar claramente las diferencias en diagramas. Complementamos la explicación con el gráfico de posición del pistón en cada uno de los puntos del ciclo real de compresión que podemos observar en cualquier compresor reciprocante.
Posición 1 Este es el inicio del stroke o carrera de compresión. El cilindro está lleno de gas a la presión de succión. El pistón empieza a desplazarse para llegar a la posición 2, el gas es comprimido por éste desplazamiento del pistón y está representado por el tramo curvo 1-2.
Posición 2 En éste punto la presión del cilindro supera en un diferencial a la presión existente en la tubería de descarga. Este diferencial origina la apertura de la válvula de la descarga. La descarga o transferencia de gas continúa haci a la tubería . Esta acción está representada por el tramo 2-3 en el diagrama y por el cambio de posición del pistón desde la posición 2 a la posición 3.
Posición 3 En ésta posición, el pistón completó toda la descarga o transferencia del gas desde el cilindro de compresión hasta la tubería ó línea de descarga. En éste instante termina el stroke o carrera de descarga. Es obvio que el diseñ o de un compresor no pueda lograr un acoplamiento perfecto de la superficie circular del pistón y el extremo del cilindro, éste es el origen del volumen remanente de gas, el cual recibe el nombre de CLEARANCE VOLUMEN 0 VOLUMEN MUERTO. Al empezar el retorno del pistón, la presión dentro del cilindro será mayor que la presión de succión, porque el volumen muerto o volumen clearance está a la presión de
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descarga, y se irá expandiendo (Ley de Boyle) con la consecuente disminución de presión a lo largo de la curva 3-4, hasta llegar a la presión de s ucción en el punto 4.
Posición 4 En éste punto, al estar la presión del cilindro igualizada con la presión de succión o de carga al compresor, y empezar el stroke o carrera de succión, se produce la apertura de la válvula de succión permitiendo el ingreso del gas al cilindro. Esta acción está representada por el tramo 4-1. La compresión del gas natural origina tambien incremento de temperatura, éste incremento de temperatura hace necesario enfriar el gas para que pase a la siguiente etapa de compresión a la temperatura adecuada. Despues de la exposición de los ciclos ideal y real de compresión pasamos a conocer otros conceptos necesarios para poder calcular un compresor de gas. Desplazamiento del pistón: “PD”.
Es el volumen de gas natural desplazado por el pistón en su desplazamiento desde la Posición 1 (botton dead center) hasta la posición 3 (top dead ce nter). El “PD” se expresa normalmente en pies cubico por minuto, PCM. En el caso de los cilindros de doble acción se incluye el barrido de la otra superficie del cilindro descontando el volumen del eje (Piston Rod Displaces). Su ecuación es:
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6.3 VENTILADORES. Las características de rendimiento de un ventilador se determinan, principalmente, por la forma y colocación de las aspas de la rueda. Por ello, en la actualidad pueden clasificarse en cinco grupos que, en términos generales, en orden de eficiencia decreciente son: aspas de inclinación hacia atrás, axiales, con curvatura al frente, de punta radial y radial. La rueda del ventilador axial impulsa el aire o gas en línea recta, los otros tipos de rueda son centrifugas.
FIGURA. 8 VENTILADOR.
Ventilador con curva hacia atrás Los diseños de ruedas del tipo con inclinación hacia atrás en uso común son: una con aspas de espesor sencillo y otras con aspas aerodinámicas; este último es el diseño de mayor eficiencia mecánica, que puede llegar al 90%, y suele ser el más silencioso. Las aspas de espesor sencillo pueden manejar partículas finas arrastradas por el aire o humedad en éste, las que dañarían las aspas aerodinámicas, pero son algo más ruidosas y menos eficientes. Su eficiencia mecánica pico es del 84% o más. Una ventaja de los tipos con inclinación hacia atrás es que sus curvas de potencia de entrada no presentan sobrecarga.
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FIGURA. 9 VENTILADOR CON CURVA HACIA ATRAS.
Ventiladores axiales El tipo más común es el de hélice, que se utiliza para ventilación en ventanas, muros o techos. la mayor parte de los ventiladores axiales se limitan al movimiento de aire limpio a temperaturas relativamente bajas; aunque hay diseños especiales para aire acondicionado o a alta temperatura. Los ventiladores axiales son un poco más ruidosos que los centrífugos en línea, pero el ruido suele ser de alta frecuencia y es más fácil atenuarlo.
FIGURA. 10 VENTILADOR AXIAL.
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Ventiladores con curvatura al frente Estos ventiladores, llamados también de jaula de ardilla, se utilizan para mover volúmenes bajos a medios, a baja presión. Las numerosas aspas cóncavas tienden a retener las partículas contaminantes; por ello, su uso se limita a manejar el aire más limpio. Aunque el ruido producido esta en relación directa con la eficiencia mecánica, el ventilador con curvatura al frente por lo común es más silencioso que otros de eficiencia similar.
FIGURA. 11 VANTILADOR CON CURVATURA HACIA EL FRENTE.
Ventiladores de puntas radiales El diseño de puntas radiales ocupa un lugar intermedio entre los ventiladores para aire limpio y los de aspas radiales, más fuertes, utilizados para manejo de materiales. La rueda de ventilador con puntas radiales tiene un ángulo más bien bajo de ataque sobre el aire, lo que hace que este siga las aspas con mínima turbulencia. Este tipo de rueda es ideal para aire contaminado. Pero, no se utiliza para el manejo de materiales a granel y transportación neumática, en que se emplean las aspas radiales.
Ventiladores de aspas radiales Estos ventiladores son “el caballo de batalla” de la industria, pues son los más
comunes para manejar volúmenes bajos y medianos a altas presiones y para manejar corrientes de aire con alto contenido de partículas.
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Sus aplicaciones van desde mover aire limpio hasta el transporte de polvo, astillas de madera e incluso padecería de metales. El diseño de aspas radiales es adecuado para manejo de materiales porque las aspas planas reducen la acumulación de material y se pueden fabricar con aleaciones resistentes a la abrasión.
SELECCIÓN DE UN VENTILADOR La selección depende, primero, del rendimiento del flujo y presión requeridos para la aplicación. Otros factores, que pueden eliminar ciertos ventiladores o tipos de ventiladores, son las partículas y los productos químicos en la corriente de aire, restricciones en el tamaño y en el espacio, temperatura de la corriente de aire y el ruido. Por último, la evaluación de los costos de capital y de operación definirá cual es el ventilador más económico.
6.4 NORMATIVIDAD PARA LA SELECCIÓN DE COMPRESORES Y VENTILADORES. NORMAS DE VENTILADORES. La Norma Internacional 205 AMCA fue aprobada por los miembros de Air Movement and Control Association International, Inc. el 19 de febrero de 2010. Esta norma define la clasificación para todos los tipos de ventiladores diseñados para ser impulsados por motores con potencial nominal de 125 W (1/6 hp) y superior. Los ventiladores pueden ir desde el solo ventilador a la producción de series de ventiladores fabricados en grandes cantidades. Esta norma se aplica a los ventiladores y no al sistema del ventilador. Esta norma excluye clasificación para ventiladores de circulación. Esta norma puede ser utilizada también por los órganos legislativos o normativos para definir los requisitos de eficiencia energética de los ventiladores utilizados en aplicaciones específicas. Los siguientes documentos referenciados se utilizarán para la aplicación de este documento. Para referencias fechadas, solamente se aplica la edición citada. Para referencias no fechadas, se aplica la última edición del documento referenciado (incluyendo cualquier corrección).
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Norma ANSI/AMCA 210-07.- Métodos de laboratorio para pruebas de ventiladores para la clasificación del rendimiento aerodinámico certificado. Norma AMCA 99.- Manual de normas IEEE 112-2004.- Procedimiento de prueba estándar para generadores y motores de inducción polifásica. IEEE 114-2001.- Procedimiento de prueba estándar para motores de inducción monofásicos. ISO 5801:2007.- Ventiladores industriales - Prueba de rendimiento utilizando vías aéreas estandarizadas. ISO/DIS 12759.- Ventiladores - Clasificación de eficiencia para ventiladores. ISO 13348:2007.- Ventiladores industriales - Presentación de datos técnicos, tolerancias y métodos de conversión. ISO 13349:2008.- Ventiladores industriales - Vocabulario y definiciones de categorías
NORMAS DE COMPRESORES Según las normas, IEC 335-2-34: 2000 y la ISO917: 2000, los compresores herméticos se diseñan para ser empleados en ciclos de refrigeración por compresión de vapor y se clasifican de acuerdo con la presión correspondiente a la gama de temperaturas de evaporación en la cual el compresor funciona. Dentro de la categoría de aplicación de baja presión de aspiración (LBP) y bajo torque de arranque (LST), quedan los compresores utilizados en los congeladores y refrigeradores domésticos. A modo de ejemplo se utilizan en los apartados posteriores de este trabajo, los compresores herméticos aplicados a refrigeradores domésticos por ser los más conocidos y de situación más crítica en las situaciones comentadas anteriormente .ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) ha venido estableciendo desde el año 1953 las condiciones de ensayo para la evaluación de compresores que se han mantenido hasta nuestros días y es utilizada por la mayoría de los fabricantes de compresores, aunque posteriormente los países europeos decidieran establecer las suyas, conocidas como CECOMAF (Air- Conditioning and Refrigeration Equipment Manufactures). La diferencia entre ambas condiciones de ensayo es, que en el caso CECOMAF no hay subenfriamiento de líquido.
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NORMAS DE LUBRICACIÓN PARA COMPRESORES DE AIRE. Para los lubricantes para compresores existen una serie de normativas. Son normativas fijadas por una comisión llamada PNEUROP y compuesta por la mayoría de los fabricantes de compresores, herramientas neumáticas, sistemas de seguridad etc., para asegurar una calidad mínima de un lubricante para un compresor trabajando bajo ciertas condiciones. Estas normas no solamente consideran la lubricación sino también la seguridad y el mantenimiento con el fin de reducir el costo del aire comprimido. Si en un compresor, trabajando a 8 atmósferas falla el sistema de refrigeración, el aire podría salir a una temperatura de hasta 230ºC. Con relación a la calidad, la norma DIN-VD-L, o DIN-VC-L si el compresor es de baja presión (4atmósferas), se debe considerar como requisito mínimo. A esta norma, que va dirigida a fijar las propiedades anti oxidación, se deben añadir propiedades anti desgaste, para proteger los segmentos y válvulas, y anticorrosión, para proteger la máquina contra el agua condensada originada por el aire comprimido.
API standard 18.
Bibliografía GREENE, Richard W. Compresores selección, uso y mantenimiento editorial McGraw Hill Pg. 3 - 9, 260 - 265 JARAMILLO, María Elena. Elevador Colombia. Seccional Medellín. Pg 18 - 21
Hidroneumático. Universidad Nacional
de
RIVERA, Alfonso. Apuntes de bombeo y compresión. Universidad autónoma de México. Facultad de ingeniería.
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