Guayaquil, 29 de Mayo del 2012.

PROYECTO DE FISICA II

TEMA: MOTOR DE AIRE COMPRIMIDO (LEY DE GASES).

MARCO TEORICO.

COMPRESION DE AIRE:

Introducción

La tendencia en la industria es construir plantas cada vez más grandes con equipos de un solo componente, más grande y confiable.

La confiabilidad del equipo rotatorio siempre se debe definir en términos de la duración esperada de la planta y el tiempo de amortización requerido para producir utilidades al propietario. Por ejemplo, muchas plantas de productos químicos tienen una duración de cinco años o menos, pues el proceso ya será anticuado al cabo de ese tiempo, mientras que las refinerías o las plantas petroquímicas tienen un tiempo de amortización de diez a quince años o más.

El “corazón” de muchos procesos y el que más problemas puede ocasionar es el compresor. Cuando se selecciona un compresor, es indispensable contar con todas las condiciones del proceso para su examen. Si hay algún especialista en la planta, debe estar informado de esas condiciones; de no hacerlo, ha de ocasionar infinidad de problemas.

Compresores

Son maquinas que aspiran aire ambiente a la presión y temperatura atmosférica y lo comprime hasta conferirle una presión superior. Son las maquinas generadoras de aire comprimido. Existen varios tipos de compresores, dependiendo la elección de las necesidades y características de utilización.

a pistón

Alternativos

a membrana

Desplazamiento Fijo

a paletas

Rotativos a tornillo Roots

Tipos de Compresores

Desplazamiento Variable Radial

(turbocompresores)

Axial

COMPRESORES ALTERNATIVOS

Compresores a pistón

Son los de uso mas difundido, en donde la compresión se efectúa por el movimiento alternativo de un pistón accionado por un mecanismo biela-manivela. En la carrera descendente se abre la válvula de admisión automática y el cilindro se llena de aire para luego en la carrera ascendente comprimirlo, saliendo así por la válvula de descarga. Una simple etapa de compresión como la descrita no permitirá obtener presiones elevadas, para ello será necesario recurrir a dos mas etapas de compresión, en donde el aire comprimido a baja presión de una primera etapa (3 a 4 bar) llamada de baja, es vuelto a comprimir en otro cilindro en una segunda etapa llamada de alta, hasta la presión final de utilización. Puesto que la compresión produce una cierta cantidad de calor, será necesario refrigerar el aire entre las etapas para obtener una temperatura final de compresión más baja.

El cilindro de alta es de diámetro mas reducido que el de baja, puesto que este toma el aire ya comprimido por la primera etapa y por lo tanto ocupara menos volumen. Para presiones superiores será necesario recurrir a varias etapas de compresión. Una buena rentabilidad del equipo compresor se obtendrá trabajando en los siguientes rangos de presión, de acuerdo al numero de etapas:

hasta 3-4 bar: 1 etapa

hasta 8-10 bar: 2 etapas

mas de 10 bar: 3 etapas o más

Donde se requiere aire sin vestigios de aceite puede recurrirse al compresor de pistón seco en donde los aros son de material antifricción tipo teflón o de grafito.

El campo de utilización de estos compresores va desde 50 a 25.000m/h de capacidad y presiones desde 2 a 1.000 o 2.000 bar.

Compresores a membrana

Son de construcción sencilla y consisten en una membrana accionada por una biela montada sobre un eje motor excéntrico; de este modo se obtendrá un movimiento de vaivén de la membrana con la consiguiente variación de volumen de la cámara de compresión en donde se encuentran alojadas las válvulas de admisión y descarga, accionadas automáticamente por la acción del aire.

Permiten la producción de aire comprimido absolutamente exento de aceite, puesto que el mismo no entra en contacto con el mecanismo de accionamiento, y en consecuencia el aire presenta gran pureza.

Utilizados e medicina y ciertos procesos químicos donde se requiera aire sin vestigios de aceite y de gran pureza. No utilizados en general para uso industrial.

COMPRESORES ROTATIVOS

Compresores a paletas

También llamados multialetas o de émbolos rotativos. Constan de una carcasa cilíndrica en cuyo interior va un rotor montado un excéntricamente de modo de rozar casi por un lado la pared de la carcasa formando así del lado opuesto una cámara de trabajo en forma de media luna. Esta cámara queda dividida en secciones por un conjunto de paletas deslizantes alojadas en ranuras radiales del rotor.

Al girar este ultimo, el volumen de las secciones varía desde un máximo a un mínimo, produciéndose la aspiración, compresión y expulsión del aire sin necesidad de válvula alguna. Este tipo de compresor es muy adecuado para casos en que no es problema la presencia de aceite en el aire comprimido, fabricándose unidades de hasta 6.000 m /h de capacidad y hasta presión de 8 bar en una sola etapa y de 30 bar en dos etapas

De requerirse aire exento de aceite, las paletas deben ser hechas de materiales autolubricantes, tipo teflón o grafito. Alcanzan una vida útil de 35.000 a 40.000 horas de funcionamiento dado el escaso desgaste de los órganos móviles (paletas) por la abundante presencia de aceite. Este tipo de compresores suministran un flujo casi sin pulsaciones y en forma continua utilizando un deposito de dimensiones reducida que actua de separador de aceite.

Compresores a tornillo

También llamados compresores helicoidales. La compresión de estas maquinas es efectuada por dos rotores helicoidales, uno macho y otro hembra que son prácticamente dos tornillos engranados entre sí y contenidos en una carcasa dentro de la cual giran.

El macho es un tornillo de 4 entradas y la hembra de 6. El macho cumple prácticamente la misma función que el pistón en el compresor en el compresor alternativo y la hembra la del cilindro. En su rotación los lóbulos del macho se introducen en los huecos de la hembra desplazando el aire axialmente, disminuyendo su volumen y por consiguiente aumentando su presión. Los lóbulos se “llenan” de aire por un lado y descargan por el otro en sentido axial.

Los dos rotores no están en contacto entre sí, de modo tal que tanto el desgaste como la lubricación resultan mínimas. Esto se logra a través de un juego de engranajes que mantiene el sincronismo de giro de los rotores y evita que estos presionen unos contra otros, asegurándose la

estanqueidad necesaria por la estrecha tolerancia de los juegos que existen entre ellos y la de estos con la carcasa.

Se construyen de 1, 2 o más escalones de compresión y entregan un flujo casi continuo por lo que las dimensiones del deposito son reducidas, cumpliendo mas bien funciones de colector y separador de aceite que de acumulador.

El campo de aplicación de estos va desde 600 a 40.000 m /h y se logran presiones de hasta 25 bar.

Compresores Roots

Solo transportan el volumen de aire aspirado del lado de aspiración al de compresión, sin comprimirlo en este recorrido. No hay reducción de volumen y por lo tanto tampoco aumento de presión. El volumen que llega a la boca de descarga, todavía con la presión de aspiración, se mezcla con el aire ya comprimido de la tubería de descarga y se introduce en la cámara llegando este a la presión máxima siendo luego expulsado.

Un juego de engranajes accionan los rotores en forma sincrónica y evita que se rocen entre sí. Resultan apropiados cuando se requiera aire comprimido a bajas presiones completamente libre de rastros de lubricante.

Solo se alcanzan presiones no muy superiores a 1,5 bar y por tal razón su uso es restringido en aplicaciones neumáticas.

TURBOCOMPRESORES

Funcionan bajo el principio de la dinámica de fluidos, en donde el aumento de presión no se obtiene a través del desplazamiento y reducción de volumen sino por efectos dinámicos del aire.

Compresores radiales

Se basan en el principio de la compresión de aire por fuerza centrifuga y constan de un rotor centrifugo que gira dentro de una cámara espiral, tomando aire en sentido axial y arrojándolo a gran velocidad en sentido radial. La fuerza centrifuga que actúa sobre el aire lo comprime contra la cámara de compresión. Pueden ser de una o varias etapas de compresión consecutivas, alcanzándose presiones de 8 bar y caudales entre 10.000 y

20.000 m /h. Son maquinas de alta velocidad, siendo esta un factor fundamental en el funcionamiento ya que esta basado en principios dinámicos, siendo la velocidad de rotación del orden de las 15.000 a 20.000 r.p.m., y aun más.

Compresores axiales

Se basan en el principio de la compresión axial y consisten en una serie de rodetes consecutivos con alabes que comprimen el aire. Se construyen hasta 20 etapas de compresión (20 rodetes). El

campo de aplicación de este tipo de compresor alcanza caudales desde los 200.000 a 500.000 m /h y presiones de 5 bar, raramente usados en neumática industrial.

ACUMULADORES

Las funciones principales del deposito son:

1. Obtener una considerable acumulación de energía para afrontar “picos” de consumo que superen la capacidad del compresor.

2. Contribuir al enfriamiento del aire comprimido y la disminución de su velocidad, actuando así como separadores de condensado y aceite provenientes del compresor.

3. Amortiguar las pulsaciones originadas en los compresores, sobre todo en los alternativos.

4. Permitir la regulación del compresor compensando los diferencias entre el caudal generado y el consumido, los cuales normalmente trabajan con regímenes diferentes.

Su capacidad dependerá de:

Las características de la demanda del aire en la red. Esta puede ser:

Constante

Intermitente

Instantánea

Del sistema de regulación que tenga el compresor. Esto determina él numero máximo de maniobras horarias: normalmente 10 cuando es por marcha y parada, 60 o más cuando es por carga y vacio.

Su construcción deberá ser horizontal o vertical, prefiriéndose estos últimos por el menor espacio ocupado. El deposito deberá ubicarse en un lugar fresco y seco, lo mas cerca posible del compresor, preferentemente fuera del edificio, donde pueda disipar parte del calor producido en la compresión.

El deposito debe ser anclado firmemente al piso para evitar vibraciones debidas a las pulsaciones de aire.

Los accesorios mínimos que deberá incluir son:

Válvula de seguridad

Manómetro

Grifo de purga

Boca de inspección

La Válvula de seguridad debe ser regulada a no más de un 10% por encima de la presión de trabajo y deberá poder descargar el total del caudal generado por el compresor. Deberá contar además con un dispositivo de accionamiento manual para poder probar periódicamente su funcionamiento.

Cuando el tanque se instala en el exterior y existe peligro de temperatura por debajo de 0º C, el manómetro y la válvula de seguridad, deben conectarse con tuberías para ubicarlos en el interior. Estas tuberías deben tener pendiente hacia el deposito para que sean autodrenantes. Nunca instale válvulas de bloqueo entre el deposito y la válvula de seguridad, pues lo prohíben los reglamentos.

En los tamaños pequeños la inspección se realizara por medio de una simple boca bridada de 100 a 150 mm de diámetro; en los tamaños mayores estas bocas serán del tipo “entrada de hombre” (460 a 508 mm). Las cañerías para el control (regulación) deben ser conectados al deposito en un punto donde el aire sea lo mas seco posible. Es importante que este provista de un filtro con válvula de purga para permitir drenar el agua y aceite acumulado y asegurar un perfecto funcionamiento del sistema de regulación.

También se deberá instalar un regulador de presión que permita independizar la presión de trabajo del compresor de aquella con que operan los sistemas de regulación (normalmente de 4 a 6 bar).

En algunas instalaciones el presostato de regulación y la electroválvula que comanda el dispositivo de regulación (abreválvulas), Se ubican cerca del deposito; en otros casos, estos elementos forman parte de un tablero de control general.

Cuando se coloque una válvula de cierre en alguna de estas cañerías, deberá tenerse especial cuidado de que el compresor este desconectado mientras la válvula este cerrada.

Debe tenerse que el depósito constituye un elemento sometido a presion y por lo tanto existen algunas regulaciones oficiales respecto a sus características constructivas

LEY DE LOS GASES IDEALES

La ley de los gases ideales es la ecuación de estado del gas ideal, un gas hipotético formado por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos (conservación de momento y energía cinética). La energía cinética es directamente proporcional a la temperatura en un gas ideal. Los gases reales que más se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gasesmonoatómicos en condiciones de baja presión y alta temperatura.

Empíricamente, se observan una serie de relaciones proporcionales entre la temperatura, la presión y el volumen que dan lugar a la ley de los gases ideales, deducida por primera vez por Émile Clapeyron en 1834. En 1648, el químico Jan Baptist van Helmont creó el vocablo gas, a partir del término griego kaos (desorden) para definir las características del anhídrido carbónico. Esta denominación se extendió luego a todos los cuerpos gaseosos y se utiliza para designar uno de los estados de la materia.

La principal característica de los gases respecto de los sólidos y los líquidos, es que no pueden verse ni tocarse, pero también se encuentran compuestos de átomos y moléculas.

La causa de que un gas sea tal se encuentra en sus moléculas, que se encuentran muy separadas unas de otras y se mueven en todas las direcciones. Al igual que ocurre con los otros dos estados de la materia, el gas también puede transformarse (en líquido) si se somete a temperaturas muy bajas. A este proceso se le denomina condensación.

La mayoría de los gases necesitan temperaturas muy bajas para lograr condensarse. Por ejemplo, en el caso del oxígeno la temperatura necesaria es de -183°C.

La ecuación que describe normalmente la relación entre la presión, el volumen, la temperatura y la cantidad (enmoles) de un gas ideal es:

Donde:

= Presión absoluta(medida en atmósferas)

= Volumen (en esta ecuación el volumen se expresa en litros)

= Moles de Gas

= Constante universal de los gases ideales (R = 0,082 atm·L/(mol·K))

= Temperatura absoluta

Teoría cinética molecular

Esta teoría fue desarrollada por Ludwig Boltzmann y Maxwell. Nos indica las propiedades de un gas ideal a nivel molecular.

Todo gas ideal está formado por N pequeñas partículas puntuales (átomos o moléculas).

Las moléculas gaseosas se mueven a altas velocidades, en forma recta y desordenada.

Un gas ideal ejerce una presión continua sobre las paredes del recipiente que lo contiene, debido a los choques de las partículas con las paredes de este.

Los choques moleculares son perfectamente elásticos. No hay pérdida de energía cinética.

No se tienen en cuenta las interacciones de atracción y repulsión molecular.

La energía cinética media de la translación de una molécula es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas.

En estas circunstancias, la ecuación de los gases se encuentra teóricamente:

donde es la constante de Boltzmann, donde N es el número de partículas.

LA ECUACIÓN DE ESTADO PARA GASES REALES

Artículo principal: Ley de los gases reales.

Valores de R

Haciendo una corrección a la ecuación de estado de un gas ideal, es decir, tomando en cuenta las fuerzas intermoleculares y volúmenes intermoleculares finitos, se obtiene la ecuación para gases reales, también llamada ecuación de Van der Waals:

Donde:

= Presión del gas

= Volumen del gas

= Número de moles de gas

= Constante universal de los gases ideales

= Temperatura del gas

y son constantes determinadas por la naturaleza del gas con el fin de que haya la mayor congruencia posible entre la ecuación de los gases reales y el comportamiento observado experimentalmente.

Ecuación general de los gases ideales

Regla mnemotécnica para recordar la ecuación general de los gases ideales o tambien de la forma palomas volando igual a numero de ratones trotando

Partiendo de la ecuación de estado:

Tenemos que:

Donde R es la constante universal de los gases ideales, luego para dos estados del mismo gas, 1 y 2:

Para una misma masa gaseosa (por tanto, el número de moles «n» es constante), podemos afirmar que existe una constante directamente proporcional a la presión y volumen del gas, e inversamente proporcional a su temperatura.

Formas alternativas

Como la cantidad de sustancia podría ser dada en masa en lugar de moles, a veces es útil una forma alternativa de la ley del gas ideal. El número de moles (n) es igual a la masa (m) dividido por la masa molar (M):

y sustituyendo , obtenemos:

donde:

De esta forma, la ley del gas ideal es muy útil porque se vincula la presión, la densidad ρ = m/ V, y la temperatura en una fórmula única, independiente de la cantidad del gas considerado.

En mecánica estadística las ecuaciones moleculares siguientes se derivan de los principios básicos:

Aquí k es el constante de Boltzmann y N es el número real de moléculas, a diferencia de la otra fórmula, que utiliza n, el número de moles. Esta relación implica que Nk = nR, y la coherencia de este resultado con el experimento es una buena comprobación en los principios de la mecánica estadística.

Desde aquí podemos observar que para que una masa de la partícula promedio de μ veces la constante de masa atómica m U (es decir, la masa es μ U)

y desde ρ = m/ V, nos encontramos con que la ley del gas ideal puede escribirse como:

Entropía

Rudolf Clausius fue el primero en introducir la propiedad de entropía a la ciencia. La entropía es una de las variables termodinámicas más importantes. Su relación con la teoría del caos abre un nuevo campo de estudio e investigación a este concepto. Se define de diversas maneras, pero todas las definiciones son congruentes y no se contradicen entre ellas:

Medida de capacidad de un sistema para efectuar trabajo útil

Determina la dirección del tiempo. Distingue los sucesos en el tiempo

Medida del desorden de un sistema

La entropía, en el caso de medida del orden (o desorden) de un sistema, no está definida como una cantidad absoluta, sino lo que se puede medir es la diferencia entre la entropía inicial de un sistema y la entropía final del mismo. No tiene sentido hablar de entropía sino en términos de un cambio en las condiciones de un sistema.

En el segundo principio (Clausius), podemos encontrar la relación con la entropía y la energía liberada en un proceso. Si pensamos en un motor, notamos que necesita una fuente de energía para obtener trabajo. La gasolina, junto con el sistema del motor, proporciona energía química de combustión, capaz de hacer que un automóvil se mueva. La energía utilizada por el automóvil para realizar desplazarse, fue consumida, por lo que la energía liberada ya no es utilizable para que un motor produzca trabajo. Al consumirse la energía del motor, esta energía no desaparece por el principio de conservación de la energía, sino que se disipa y transfiere al medio donde se encuentra como calor.

De forma generalizada, la entropía se define de la siguiente manera:

Todos los procesos naturales tienden a un estado de mayor desorden, y por tanto aumenta la entropía total del Universo

Por lo tanto la entropía en un sistema aislado siempre aumenta cuando el sistema experimenta un proceso irreversible o reversible, pero en menor grado éste último. La fórmula que permite calcular la entropía es la siguiente

S Cambio de Entropía

Q Cantidad de calor

T Temperatura

Unidad SI de entropía Joule/Kelvin (J/K)

FUNCIONAMIENTO DEL PROYECTO.

TEMA DEL PROYECTO: “MOTOR DE AIRE COMPRIMIDO” (LEY DE GASES).

OBJECTIVO GENERAL

Análisis y mejora de sistemas en máquinas de aire comprimido en las diferentes compañías como principio básico de funcionamiento.

OBJECTIVO DEL PROYECTO

Demostrar la ley de Gases, utilizando un cilindro como cámara de compresión, aprovechar la energía del aire comprimido y transformarla en energía mecánica.

INTRODUCCION

Como proyecto, se fabricará un cilindro de metálico, el mismo que nos servirá como cámara de compresión y un mecanismo el cual nos permita transformar la energía comprimida del aire en energía mecánica, utilizando como fuente hielo seco (CO2) y agua (H2O).

FUNCIONAMIENTO DEL PROYECTO.

El principio de funcionamiento de este proyecto es poder realizar un trabajo mecánico por medio del aprovechamiento de el gas obtenido por la unión del hielo seco y agua (Ley de gases) comprimiendo el gas en un compresor y al llegar a la presión adecuado en (Bar o psi), descargarla en un pistón o mecanismo para que me efectué un trabajo.

En la cámara el pistón tendrá válvulas en este caso fabricados con mica tanto de entrada como de salida de aire comprimido (Gas (hielo seco + agua)), en el cual las válvulas harán el trabajo de mover el pistón de madera que se encuentra dentro de la cámara el cual dará un movimiento horizontal a la rueda que efectuara un trabajo.

MATERIALES A UTILIZAR.

Madera Hielo seco (CO2) Agua (H2O). Cilindro de Metal. Manómetro Válvula de salida del cilindro. Mica Manguera concéntrica de uso industrial. Abrazaderas. Rodamientos .

CARPETA DE: FISICA II (PROYECTO)

TEMA: MOTOR DE AIRE COMPRIMIDO (LEY DE GASES)

PROFESOR: ING. MIGUEL VACA

CARPETA DE: FISICA II (PROYECTO)

TEMA: MOTOR DE AIRE COMPRIMIDO (LEY DE GASES)

PROFESOR: ING. MIGUEL VACA