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.
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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