REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA.

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIN SUPERIOR.

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

RAFAEL MARIA BARALT.

CATEDRA: EQUIPOS DE PROCESOS II.

PRESENTADO POR:

Crdova Wilfredo CI.18006035Urdaneta Jhon CI.17917677

ALTAGRACIA, MARZO DEL 2008,

CONTENIDO Definicin

Caractersticas

Usos y Aplicaciones

Componentes bsicos

Tipos, ( carcaza partida y barril )

Comparacin

Parmetros para la seleccin y dimensionamiento

Compresores centrfugos comerciales (Dresser rand, cooper,etc),

Problemas operacionales surge y choke.

Definicin

El compresor centrfugo es una turbomquina que consiste en un rotor que gira dentro de una carcasa provista de aberturas para el ingreso y egreso del fluido. El rotor es el elemento que convierte la energa mecnica del eje en cantidad de movimiento y por tanto energa cintica del fluido. En la carcasa se encuentra incorporado el elemento que convierte la EC en energa potencial de presin (el difusor) completando as la escala de conversin de energa.Para comprender el principio de funcionamiento de un compresor centrfugo, hay que tener en cuenta que por su diseo, la velocidad de los alabes vara considerablemente a lo largo del recorrido del flujo por el compresor. La razn es que el dimetro medio aumenta desde la entrada hasta la salida.Como la velocidad tangencial del labe es mayor a la salida del compresor que a la entrada, la magnitud de la velocidad absoluta a la salida (Vas ) es tambin mayor que a la entrada (Vae ).

En este caso, la ecuacin de Euler toma la siguiente forma:

El factor de deslizamiento est relacionado con el nmero de labes del rodete, siendo bastante aproximado decir:

siendo (n) el nmero de labes. Como puede apreciarse, el factor de deslizamiento tiende a uno cuando ms labes se instalan en el rodete. Sin embargo, el nmero de labes influye tambin en las prdidas por friccin hacindose necesario buscar un valor prudente para el factor de deslizamiento. Mattingly (4), recomienda usar factores de deslizamiento prximos a 0.9.La eficiencia de los compresores centrfugos se evala de manera similar a los axiales.

Caractersticas

Los motores de turbina de flujo centrfugo normalmente usan compresores de acero o titanio mecanizado, aunque en motores pequeos se estn usando compresores de fundicin. El difusor del compresor generalmente tambin est fabricado de fundicin. En muchos casos el inductor o labes guas, que suaviza y dirige el flujo de aire dentro del motor atenuando de esta forma el choque en el impulsor, est fabricado independientemente del impulsor o rotor. Los labes del rotor pueden ser bien de longitud total, como en la figura 4-1, o algunos pueden ser de media longitud como en la figura 4-2. Es importante que exista un ajuste apretado entre el compresor y su carcasa con idea de obtener el mximo rendimiento del compresor. La holgura normalmente se comprueba con una galga de espesores o con un til especial. El equilibrado del rotor puede realizarse quitando material de reas especficas del compresor o usando contrapesos de equilibrado instalados en orificios del buje del compresor. En algunos motores en los que el compresor y la rueda de turbina se equilibran como una unidad, se usan pernos o tuercas especiales que tienen ligeras variaciones en peso. Los cojinetes de apoyo del compresor pueden ser bien de bolas o de rodillos, aunque todos los fabricantes usan por lo menos un cojinete de bolas en el compresor para soportar las cargas radiales y axiales.

Los compresores centrfugos se usaron en muchos de los primeros motores de turbina de gas por su robustez, poco peso, fcil construccin, y alta relacin de presin por cada etapa de compresin. Un compresor centrfugo tpico consta de tres componentes: el impulsor, el difusor, y el colector. Vase la figura 4-3.

Usos y Aplicaciones Los usos y campos de aplicaciones de este tipo de compresores es muy variado aqu se mencionan algunos de ellos: Petrleo y gas en tierra y en alta mar

Petroqumicos

Fertilizantes

Olefinas

Refineras

Distribucin y almacenamiento del gas natural

Metanol . Aeronutica

Componentes bsicos

El compresor centrfugo es el primer diseo empleado con xito en las turbinas de gas. Un compresor centrfugo tpico consta de tres componentes: el impulsor, el difusor, y el colector. Vase la figura 4-3., cada uno con una funcin especfica en el proceso de compresin.

El aire entra al compresor cerca de su eje en direccin axial y es impulsado en forma radial por la fuerza centrfuga producida por el movimiento del rodete. El aire que sale radialmente y a gran velocidad del rodete, es tomado por el difusor donde la energa cintica del aire se transforma en energa potencial en forma de presin. El mltiple de distribucin recoge el aire a presin y lo entrega a las cmaras de combustin.

Rotor El rotor de las figuras anteriores es del tipo abierto, de un solo lado y de paletas rectas o perfectamente radiales. Los rotores pueden ser de doble entrada, y tambin pueden tener una cubierta sobre los bordes de las paletas (Figura 3.3):

Figura 3.3: Rotores abiertos, cerrados y de doble entrada (Shepherd)

En la descarga la paleta puede ser perfectamente radial o bien inclinada hacia adelante (en el sentido de rotacin) o hacia atrs (Figura 3.4)

Figura 3.4: Paletas con distintas inclinaciones (Shepherd)En ocasiones cada segunda paleta es recortada, comenzando a cierta distancia de la entrada, configuracin denominada divisora (splitter vane). La Figura 3.5 muestra un rotor de diseo avanzado, paletas inclinadas hacia atrs y divisoras en la entrada:

Figura 3.5: Rotor de diseo avanzado (Wilson)Transferencia de cantidad de movimiento en el rotor

Convencionalmente las estaciones de entrada y salida del rotor se indican con los ndices 1 y 2. Debido a que el fludo sufre un cambio de direccin de 90 grados es necesario dibujar los diagramas de velocidades en dos planos: una vista en ireccin radial para la entrada y una vista en direccin axial para la salida (Figura 3.6)

Figura 3.6: Diagramas de velocidades en el rotor (Shepherd)La velocidad relativa W (en el diagrama, Vr) se indica paralela a la superficie media de la paleta, es decir, correctamente direccionada para una entrada sin prdidas por choque, y saliendo en la direccin de la paleta. La velocidad absoluta de entrada C1 (en la figura V1 ) se indica en el diagrama como perfectamente axial, por lo que no habr componente de C1 en la direccin de U1. Luego, el teorema de Euler para el rotor ser:

Componentes del rotor

La Figura 3.7 indica la nomenclatura en castellano e ingls de las partes del rotor:

Figura 3.7: Partes del rotor (Gannio)Funciones

Las partes del rotor cumplen distintas funciones.

En el inductor la paleta tiene el ngulo apropiado para que el fludo ingrese al rotor con la velocidad relativa paralela a la superficie de la paleta. En el caso de que la paleta tenga un espesor apreciable y un borde de ataque redondeado, se tomar la lnea media del espesor como referencia para el ngulo de W. Se debe notar que como U vara con el radio por ser el producto de la velocidad de rotacin por el radio, el ngulo de la paleta debe variar radialmente desde la maza hasta la cubierta para cumplir con la condicin de tangencia de W. En ciertos casos se suelen inclur paletas fijas alabeadas en el conducto de entrada para variar el ngulo de la velocidad absoluta de entrada C1 y obviar as la necesidad de alabear la paleta del rotor. Luego del inductor sigue una seccin del conducto en que el fludo gira aproximadamente 90 grados y comienza a moverse en direccin radial, siguiendo el movimiento giratorio del rotor. En esta seccin es donde se produce la mayor parte de la impulsin del fludo en la direccin tangencial, y donde las paletas ejercen presin sobre el fludo, distinguindose una cara de presin (la ms retrasada en la direccin del movimiento) y una cara de succin (la ms avanzada).

En la seccin de salida, que puede ser radial, inclinada hacia delante o hacia atrs, el fludo ya posee la velocidad tangencial del rotor, y la presin que ejercen las caras de la paleta disminuye hasta anularse en el borde de fuga.

Aunque no es estrictamente necesario, en general se disea el conducto para que presente una seccin constante, y como la presin esttica relativa prcticamente no vara (la densidad no vara) la velocidad relativa W es considerada constante.

Deslizamiento

El fludo en el canal se mueve girando alrededor del eje de la mquina forzado por la presencia de las paletas. Sin embargo, no hay razn para que, al mismo tiempo, gire sobre s mismo como si fuera un cuerpo rgido. Si se imagina una parcela de fludo en la vista frontal, sus posiciones sucesivas al girar el rotor seran como se indica en la Figura 3.8, es decir, desde el punto de vista del rotor gira con la misma velocidad angular y sentido opuesto:

Como resultado el fludo posee en la salida una componente de velocidad tangencial en la direccin opuesta a U, que reduce el valor de la componente tangencial de C2, reduciendo la cantidad de movimiento transferida al fluido. Esto se ejemplifica en la Figura 3.9, donde la velocidad absoluta C se indica como V, y la relativa W como Vr:

Figura 3.9: Velocidades de salida con deslizamiento (Shepherd)Otra manera de explicar este fenmeno es considerar que sobre el borde de fuga hay una diferencia de presin entre las caras de la paleta, por lo que el fudo tratar de pasar de la cara de presin a la de succin, movindose en direccin opuesta al rotor. En definitiva el efecto es debido a que el nmero de paletas es finito y por lo tanto el guiado del fludo no puede ser perfecto: si bien es posible guiar a un fludo perfectamente con la cara de presin (empujndolo), es mucho menos eficaz hacerlo con la cara de succin. Si cuantificamos este efecto con un coeficiente de deslizamiento x tal que:

resulta en la ecuacin de Euler:

Es importante notar que, si bien se transmite menos energa al fludo, no se trata de una prdida en el sentido de ineficiencia, sino simplemente que, debido al nmero finito de paletas, el rotor no es capaz de transmitir toda la energa que dicta la ecuacin de Euler, pero el rotor tampoco absorbe la energa de Euler. Vista la explicacin del origen del fenmeno de deslizamiento parece posible predecir su magnitud en funcin de la geometra del rotor, y desde principios del siglo 20 ha habido un gran nmero de investigaciones sobre el fenmeno, generndose frmulas para estimar el coeficiente de deslizamiento. Sin entrar en detalles, el conocimiento actual es que el valor real del coeficiente depende de mucho ms que la simple geometra, por lo que no se lo puede calcular explcitamente.

Para el predimensionado puede utilizarse la siguiente estimacin: si el rotor tiene dimetro D y est formado por Z paletas, el espacio entre paletas es pD/Z. Si el fludo en este espacio est girando en direccin contraria al rotor, formar cerca de la salida un torbellino de dimetro d=pD/Z y velocidad de rotacin w, por lo que la componente de velocidad en la periferia del torbellino ser wd/2. Para el caso de un rotor con paletas perfectamente radiales la componente relativa W es perpendicular a U (ver Figuras 3.4 y 3.6) y la componente tangencial de C es exactamente igual a U. Luego, podemos escribir:

y, como U=wD/2,

Para rotores con paletas inclinadas a un ngulo b2 respecto a U (90 grados para el caso de paleta recta), se recomienda

Difusor

El rotor incrementa la energa cintica del fludo absorbiendo energa mecnica del eje. La energa mecnica se emplea en vencer el par resistente que provoca la diferencia de presin entre las caras de la paleta.

Para completar la funcin del compresor es necesario convertir la energa cintica en energa de presin, lo que se logra por medio del difusor. Si bien existen difusores supersnicos, que como se ha visto debieran ser conductos convergentes, los ms comunes son los difusores subsnicos, formados por conductos divergentes.

Tipos

Los difusores utilizados en compresores centrfugos son de dos tipos: de labes y de caracol (Figura 3.10)

Figura 3.10: Difusores de compresores centrfugos (Wilson)

Para el anlisis de ambos tipos de difusores es conveniente primero analizar la trayectoria de una parcela de fludo que abandona el rotor (Figura 3.11)

Figura 3.11: Trayectoria libre del fludo (Smith)Planteamos la conservacin de la cantidad de movimiento angular para la unidad de masa:

y la conservacin de la masa en la direccin radial:

Si el espesor e y la densidad no cambian mucho, de las dos ecuaciones obtenemos la simple relacin:

Esta es la expresin abreviada de la espiral logartmica. Luego, al abandonar el rotor el fludo se mueve en una trayectoria espiral.

Usualmente se deja un espacio entre el rotor y el aro del difusor para uniformizar el flujo y para reducir el ruido y las tensiones mecnicas que produce el paso de las paletas del rotor al pasar frente a las paletas fijas del difusor. Este espacio tambin se suele utilizar como difusor sin paletas para reducir la velocidad en el caso que la salida del rotor sea supersnica. La estacin de entrada del difusor se indica con el ndice 3. En este espacio el fludo se mueve en espiral.

Difusor de alabes

El difusor de labes consiste en un sector anular que sigue el rotor donde se ubican paletas fijas para formar conductos divergentes. Las paletas pueden ser de espesor constante o tener forma de perfil aerodinmico, o bien forma de cua (wedge). La Figura 3.12 ilustra el difusor de paletas tipo cua y, en lnea de puntos, como se formara el de perfil aerodinmico:

Figura 3.12: Difusor de tipo cua y espacio entre rotor y difusor (Shepherd)

Difusor caracol

El difusor caracol consiste en un conducto que rodea al rotor cuya seccin va aumentando a medida que lo rodea, proveyendo el camino apropiado segn la ley de la espiral y aumentando la seccin transversal para reducir la velocidad y aumentar la presin esttica. El difusor de caracol tiene la ventaja de entregar el fludo comprimido en un conducto, lo que facilita su uso posterior. La Figura 3.13 ilustra un caso de caracol doble, utilizado para reducir el rea frontal del compresor en usos aeronuticos:

Figura 3.13: Caracol con dos salidas (Smith)

El comienzo del caracol (denominado lengeta) es una pieza de gran importancia en el diseo ya que controla el ruido y vibracin producido y en gran medida la eficiencia del compresorCompresor centrifugo tipo barril

Tipos, ( carcaza partida y barril )

En verticalmente la hendidura o compresores de tipo de barril el barril compresor contiene el rotor y diafragmas y es quitado a partir del final del compresor. Estos compresores tpicamente son usados en usos de volumen ms altos bajos de presin. Si un barril de repuesto est disponible ellos pueden ser reparados ms rpidamente que horizontalmente compresores de hendidura. Ellos requieren el argumento (complot) adicional el rea ya que deben proporcionar el espacio para quitar el barril del caso (similar a una cscara y el transformador de calor de tubo).

ComparacionesEquipos ReciprocantesEquipos centrfugos

Pueden alcanzar mayores presiones que los centrfugosEs la seleccin ideal y de mayor aplicacin

Pueden manejar bajos flujos de gasLas condiciones de proceso deben estar bien definidas, debido a que los errores de especificacin son imperdonables ya que son sensitivos a la composicin de los gases y a las propiedades cambiantes

Mayor flexibilidad operacional en capacidad y adaptabilidad de rangos de presionesAltos volmenes de gas y presiones de bajas a medias

Fundaciones ms grandes para eliminar las altas vibraciones, debido al flujo pulsanteIdeales para instalaciones costa fuera y lejanas

En servicios continuos se requieren unidades de reserva, para impedir paradas de planta debido al mantenimiento del compresorComo operan a altas velocidades, el desgaste, la vibracin y la erosin se amplifica

Los costos de mantenimiento son 2 a 3 veces ms altos que los compresores centrfugosRequieren de mano de obra especializada

El funcionamiento continuo es ms corto que en los centrfugos

Requieren inspeccin ms frecuente

Parmetros para la seleccin y dimensionamiento

Cabezal del compresor Energa del compresor

Temperatura de descarga del compresor

Numero de impeler requeridos

Dimetro aproximado de los impeler

Velocidad aproximada del ejeCompresores centrfugos comerciales

Problemas OperacionalesSurgeLa oleada ocurre en alguna capacidad mnima, en cada velocidad, donde operaciones inestables pasan. En esta capacidad, el compresor no encuentra la presin de descarga de modo que una serie de inversiones de flujo ocurra. La oleada ocurre porque el compresor o bien entrega el gas y el sistema lo devuelve. Una etapa dada se levanta en una capacidad algo proporcional al peso molecular de gas

Choke

El estrter (el efecto de stonewall) limita la capacidad del compresor. Esta condicin es causada por el caudal restrictivo del gas por el ojo del primer impulsor. Este flujo es siempre ms alto que el diseo y por lo general no ocurrira debajo 115 - el 120 % de capacidad normal. La velocidad mxima es limitada por el nmero de mach (la velocidad de sonido) del gas. Tericamente, el efecto de estrter ocurrira en este valor, pero la prctica habitual debe al diseo limitado a 0.85 - 0.90 del nmero de mach. El gas ms ligero (ms de luz) comprimido donde el estrter ha sido un problema significativo es propileno. El propano, el butano, y el fren tienen muchas velocidades de aproximadamente 200 m/s en menos 40 C. Comprimiendo gases con ms ligereza que el propano, el estrter no es de conocimiento prctico