01 agosto 2012

Guía técnica de diseño de sistemas con compresores (6ª PARTE)



Ver 5ª PARTE

Compresores dinámicos

Los compresores dinámicos pertenecen a la familia de las turbomáquinas que incluyen ventiladores, impulsores y turbinas. Al contrario que los compresores de desplazamiento positivo que dependen del cambio de volumen del proceso de compresión, los compresores centrífugos y axiales usan el efecto dinámico del cambio de velocidad, aceleración seguida por deceleración y recuperación de la presión estática, para el proceso de compresión. Así, la tecnología usada es diferente para los compresores centrífugos y axiales que para los compresores de desplazamiento positivo.
Una ecuación clave usada en el análisis del rendimiento del compresor dinámico es la bomba de Euler y la ecuación de la turbina:

Donde Ws es la entrada de trabajo del eje por masa unitaria del fluido; u, la velocidad en punta del álabe; y CѲ, el componente tangencial de la velocidad de fluido dejando el álabe. Esta ecuación, derivada de la ley de conservación del momento angular, puede ser usada con la ayuda de los diagramas de velocidad para mostrar los mecanismos de transferencia de energía en compresores de flujos axial y centrífugo.

Compresores centrífugos

En un compresor centrífugo, el gas de succión entra el elemento rotatorio, o impulsor, en la dirección axial y se descarga en una dirección radial a velocidad más alta. El cambio en diámetro a través del impulsor incrementa la velocidad del flujo del gas. Esta presión dinámica luego se convierte en presión estática a través de un proceso de difusión, que generalmente comienza dentro del impulsor y acaba en un difusor radial hacia afuera del impulsor.
Un compresor centrífugo puede ser un compresor de una etapa, dejando sólo un impulsor, o puede ser un compresor multietapa, dejando dos o más impulsores montados en la misma carcasa. El gas de succión generalmente pasa a través de una serie de álabes guía interior ajustables o una trampilla antes de entrar en el impulsor rotatorio. Los álabes guía (o la trampilla de succión) se usan para controlar el caudal a través del compresor. El gas de alta velocidad descargando del impulsor entra en un difusor radial, que puede tener o no paletas. Los difusores con paletas típicamente se usan en compresores diseñados para proporcionar ratios de alta presión. Estas paletas son típicamente fijas, pero también pueden ser ajustables. Los difusores ajustables pueden usarse por modulación de capacidad.
Los compresores centrífugos son comparativamente máquinas simples con pocas partes móviles y tolerancias de fabricación moderadas. También tienen alta eficiencia y son muy robustas. Si el impulsor del compresor lo permite, la velocidad del compresor puede variarse para controlar el ratio de presión. Los compresores centrífugos tienen un amplio rango de manejo de caudal. A una velocidad dada, el límite superior en el caudal se pone en el difusor o los pasajes del impulsor.
El rango de compresores centrífugos en el caudal va de 0,071 m3/s en los turbocargadores de automóviles a 12 m3/s en grandes compresores de procesos industriales. El rango por etapas de ratios de presión es de 6:1 para los compresores de aire, con valores más altos alcanzados en el equipo de investigación. El eje horizontal es proporcional al caudal del volumen de succión y el eje vertical es proporcional a la altura (la altura es el incremento de la entalpía isentálpica del gas fluyendo a través del impulsor). El término altura se expresa en metros o pies incluso para los compresores. La altura es un índice del ratio de presión a través del compresor.
En la siguiente figura mostramos el contorno de eficiencia constante,
η
La altura, caudal, eficiencia, y velocidad en punta, u, todas son no dimensionalizadas en la gráfica usando valores de referencia. El valor de referencia en cada caso es el valor de los parámetros en el punto de diseño/rating de la máquina.

La mayoría de los compresores operan sobre un rango de condiciones en sus aplicaciones. El mapa de rendimiento permite al ingeniero determinar si alguno de los requerimientos de la aplicación causará que el compresor opere demasiado cerca de los límites. Si es así, la velocidad puede tener que ser cambiada, puede tener que cambiarse la pre-rotación, o tiene que ser seleccionado un diseño de compresor diferente.
Los límites operacionales de los compresores centrífugos pueden tener límites estructurales o por parámetros de caudal. Para gases de peso molecular bajo tales como el aire, la velocidad del compresor debe quedar dentro de los límites de tensión de los materiales del impulsor. Las velocidades en punta del impulsor comúnmente caen por debajo de 460 m/s. Para gases con pesos moleculares más altos y velocidades acústicas más bajas, la velocidad del compresor está limitada por el caudal compresible en las entradas del difusor e impulsor. Las velocidades en punta del impulsor comúnmente caen bajo un número Mach de la máquina de 1,5. El número Mach aquí definido como la velocidad en punta del impulsor dividido por la velocidad del gas de entrada en el compresor.
Los rodamientos en compresores centrífugos son comúnmente accionados por motores eléctricos con cajas de engranaje para acelerar el nivel requerido para el trabajo del compresor. Las turbinas de gas y vapor impulsan también algunos compresores centrífugos. Los motores recíprocos se usan en unas pocas aplicaciones, generalmente con engranajes de incremento de velocidad.
La eficiencia de compresores centrífugos pueden ser bastante altos bajo condiciones de aplicación apropiadas. Las eficiencias isentrópicas de 80 a 83 % pueden ser alcanzadas en máquinas de una etapa. Las fuentes de pérdidas que reducen la eficiencia son fricción de caudal (debido a las altas velocidades de gas), pérdidas de separación y mezcla, windage en espacios de holgura, pérdidas de rodamientos, y efectos del flujo del número Mach alto (shocks local y compresibilidad).
Los compresores centrífugos continúan siendo la elección dominante para tamaños de refrigeración muy grandes, ej. aplicaciones por encima de 1500 kW.

Compresores de flujo axial

En los compresores de flujo axial, el gas de succión entra y el gas de descarga deja el compresor en la dirección axial.
Los compresores de flujo axial se usan principalmente como componentes de las turbinas de gas para generación de potencia o propulsión de aeronaves. Unos pocos se usan en servicios de compresión de gas de procesos donde se requieren grandes caudales. El caudal típico de un compresor de flujo axial se mueve en un rango que va de 12 m3/s en pequeños motores de aeronaves a 470 m3/s para grandes plantas estacionarias. El número de rango de etapas va de 7 a 17, con límite superior establecido para consideraciones dinámicas del rotor.
Los compresores axiales son máquinas complejas con alta precisión requerida en la fabricación de álabes. Cada dila de álabes se hace con una superficie sustentadora cuidadosamente perfilada y delgada, que debe tener una resistencia adecuada para resistir las fuerzas aerodinámicas. Consecuentemente, el rango de caudal es estrecho para los compresores axiales como los indicados en el mapa de rendimiento típico mostrado en la siguiente figura.

El control de caudal en compresores axiales se alcanza usando álabes de estator variable y, en aplicaciones de motores, control de velocidad. El rango de caudal viene limitado por stall del álabe en los lados de bajo y alto caudal del mapa de rendimiento. Los compresores axiales pueden exhibir surge y también modelos de stall rotatorio bajo condiciones de bajo caudal – ambas son condiciones de caudal inestables.
Los efectos del flujo compresible (número de Mach) debido a las altas velocidades de flujo en compresores de flujo axial comúnmente limitan el ratio de presión que se alcanza por etapa.
Se requieren holguras ajustadas entre las puntas de álabe rotatorias y las superficies de la carcasa para minimizar pérdidas en punta. Así, la mayoría de los compresores axiales son empleados donde una alta eficiencia es esencial. Las eficiencias isentrópicas exceden un 80 % en la mayoría de las aplicaciones. Las fuentes de pérdidas que reducen la eficiencia incluyen baja fricción (resultando altas velocidades), pérdidas asociadas con el flujo transónico, pérdidas por holgura en punta, pérdidas de mezcla y separación de caudal, pérdidas de desviación de flujo y etapas aguas abajo, pérdidas por resistencia al viento en el espacio de holgura del disco, y pérdidas en rodamiento. Las pérdidas debidas a transferencia de calor internas son despreciables en los compresores axiales.

Bibliografía

The CRC Handbook of Thermal Engineering.. Ed. Frank Kreith. Boca Raton: CRC Press LLC, 2000
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