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Banco Prueba Compresores Alternativos
Manual Operativo
y Ejercitaciones Didácticas
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Banco Prueba Compresores Alternativos
Manual Operativo
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El presente manual ilustra las caracteristicas técnicas y las modalidades operativas
del sistema Didacta PN30D – Banco Prueba Compresores Alternativos,
proporcionando al docente y al estudiante las informaciones necesarias para la
utilización del sistema además de una panorámica sobre las experiencias de
laboratorio realizables.
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indice
PN30D —Manual del Usuario v
Indice
1. Premisas Teóricas....................................................................1
1.1 Introducción .............................................................................................. 1
1.2 Principales elementos constitutivos de los compresores alternativos2
1.3 Ciclo de trabajo de un compresor alternativo..................................... 4
1.4 Relaciones analiticas y consideraciones útiles para el estudio delos compresores alternativos................................................................... 6
1.4.1 Potencia mecánica absorbida por la máquina ......................................................6
1.4.2 Caudal de fluido en envío ..........................................................................................8
1.4.3 Subdivisión de la compresión en más fases con interrefrigeración.......................9
2. Descripción del Banco y de su Funcionamiento...............11
2.1 Descripción del banco prueba ............................................................ 11
2.2 Predisposición del banco prueba para el funcionamiento.............. 18
3. Experiencias de Laboratorio................................................19
3.1 Medición de la potenc ia necesaria al compresor ............................ 19
3.1.1 Notas de teoría ...........................................................................................................19
3.1.2 Modalidad de ejecución de la prueba ..................................................................20
3.1.3 Resultados experimentales .......................................................................................21
3.1.4 Análisis de los resultados............................................................................................22
3.2 Medición de la característica manométrica del compresor........... 23
3.2.1 Notas de teoría ...........................................................................................................23
3.2.2 Modalidad de ejecución de la prueba ..................................................................243.2.3 Resultados experimentales .......................................................................................26
3.2.4 Análisis de los resultados............................................................................................27
3.3 Medición del caudal de aire aspirado y del caudal de envío ........ 28
3.3.1 Notas de teoría ...........................................................................................................28
3.3.2 Modalidad de ejecución de la prueba ..................................................................29
3.3.3 Resultados experimentales .......................................................................................31
3.3.4 Análisis de los resultados............................................................................................32
3.4 Medición del incremento de temperatura producido por lacompresión .............................................................................................. 33
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indice
vi Didacta Italia
3.4.1 Notas de teoría .......................................................................................................... 33
3.4.2 Modalidad de ejecución de la prueba .................................................................33
3.4.3 Resultados experimentales.......................................................................................35
3.4.4 Análisis de los resultados........................................................................................... 36
3.5 Medición de la potencia térmica a sustraer para la refrigeracióndel aire comprimido................................................................................37
3.5.1 Notas de teoría .......................................................................................................... 37
3.5.2 Modalidad de ejecución de la prueba .................................................................38
3.5.3 Experienc ias de laboratorio ..................................................................................... 40
3.5.4 Análisis de los resultados........................................................................................... 41
3.6 Medición de los caudales de aire comprimido con dispositivosde estrangulac ión ...................................................................................42
3.6.1 Notas de teoría .......................................................................................................... 423.6.2 Modalidad de ejecución de la prueba .................................................................46
3.6.3 Experienc ias de laboratorio ..................................................................................... 47
3.6.4 Análisis de los resultados........................................................................................... 47
3.7 Medición de las caídas de presión en diferentes tipologías decircuitos.....................................................................................................48
3.7.1 Notas de teoría .......................................................................................................... 48
3.7.2 Modalidad de ejecución de la prueba .................................................................48
3.7.3 Experienc ias de laboratorio ..................................................................................... 49
3.7.4 Análisis de los resultados........................................................................................... 49
4. Bibliografia..............................................................................51
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Capítulo 1
PN30D —Manual del Usuario 1/52
1. Premisas Teóricas
1.1 Introducción
Los compresores de gas son máquinas operadoras de fluido, o sea máquinas que
tratan un fluido comunicando al mismo la energía necesaria para un determinado
cambio de su estado; en efectos los mismos tratan un gas restituyéndolo con una presión
mayor respecto a la con la que lo reciben.
Los compresores de gas se pueden clasificar según las modalidades con las que la
máquina comunica la energía al fluido, en compresores de turbina o turbocompresores
y en compresores volumétricos. Mientras que los primeros transfieren trabajo al fluido
imponiendo una variación del momento de la cantidad de movimiento a la corriente
fluida, los segundos actúan de modo casi estático, a través de una pared móvil que
constriñe una cantidad determinada de gas en un volumen progresivamente decreciente,
o la desplaza de un ambiente de presión inferior a otro de presión superior.
Los compresores volumétricos pueden ser, a su vez, ulteriormente subdivididos en
compresores alternativos y en compresores rotativos, según si la variación de volumen
característica de las máquinas volumétricas se realiza mediante el movimiento alternado
de un émbolo o bien por medio de la realización de cámaras rotatorias ( como ocurre
por ejemplo en los compresores de engranajes o de álabes).
Las diferentes características de las diversas tipologías de compresores citadas, hacen
que cada una de las mismas resulte particularmente idónea para determinadasaplicaciones, según las específicas exigencias de los usuarios (como ser, por ejemplo,
caudal de gas, presión de envío, etc.): generalmente en el campo de la producción de
aire comprimido para uso industrial, se emplean los compresores volumétricos
alternativos, cuyas principales características serán brevemente resumidas en los
párrafos sucesivos, y cuyo funcionamiento podrá ser estudiado con el auxilio de las
experiencias de laboratorio realizables mediante el banco prueba compresores PN30D.
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Premisas Teóricas
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1.2 Principales elementos constitutivos de los compresoresalternativos
Los compresores alternativos están caracterizados por la presencia de una cámara de
volumen variable, realizada mediante el movimiento alternado de un émbolo en elinterior de un cilindro cerrado en la extremidad opuesta a la culata (v. fig. 1.1).
El émbolo está conectado mediante una biela al árbol motor y se mueve con
movimiento alternado entre dos posiciones extremas, denominadas respectivamente
punto muerto superior (PMS) y punto muerto inferior (PMI), en correspondencia de las
cuales el volumen de la cámara alcanza los valores mínimo y máximo.
El cilindro está puesto en comunicación con el externo por apropiadas válvulas de
aspiración y envío, generalmente de tipo automático: la primera (válvula V1 fig. 1.1)
permite introducir en el interno de la cámara de volumen variable el aire a comprimir
extraido del ambiente durante la fase de aspiración, mientras que la segunda (válvula V2 fig. 1.1) permite transferir el aire comprimido al usuario durante la fase de envío (v. §
1.3 para la descripción del funcionamiento de la máquina).
Las principales magnitudes geométricas (v. fig. 1.1) que caracterizan un compresor
alternativo son, por lo tanto las siguientes:
• alisado d - diámetro del cilindro dentro del cual se mueve el émbolo
• carrera c - espacio recorrido por el émbolo en su movimiento alternativo entrelas dos posiciones extremas correspondientes al PMS y al PMI
• cilindrada V o - diferencia entre el volumen máximo Vmax de la cámara devolumen variable (alcanzado con el émbolo en el PMI) y el volumen mínimo
Vmin de la cámara (alcanzado con el émbolo en el PMS)
Vo = Vmax - Vmin = πd
c2
4
• grado de espacio muerto µ - relación entre el volumen mínimo Vmin y lacilindrada Vo:
µ =Vmin
V o
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Capítulo 1
PN30D —Manual del Usuario 3/52
Fig. 1.1 - Esquema constructivo de un compresor alternativo
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Premisas Teóricas
4/52 Didacta Italia
1.3 Ciclo de trabajo de un compresor alternativo
El ciclo de trabajo de un compresor alternativo se realiza a través de dos solas
carreras del émbolo, necesitando por lo tanto una única rotación completa del árbol
motor: esto se puede ilustrar observando el diagrama de trabajo de la máquina (v. fig
1.2), diagrama que tiene por abscisas los volúmenes totales V y por ordenadas las presiones p en el interior del cilindro (no es conveniente utilizar un diagrama
termodinámico presiones/volúmenes macizos, dado que algunas fases no son de masa
constante). Siendo además el ciclo de trabajo real (v. fig. 1.2a) particularmente
complejo, se hace referencia usualmente a un ciclo de trabajo convencional (v. fig.
1.2b) en el cual se introducen algunas hipótesis simplificadoras.
El ciclo de trabajo de un compresor alternativo consta de las siguientes cuatro fases:
1) Fase de aspiración (DA ). Durante esta fase viene introducido al interno delcilindro el aire a comprimir: el émbolo trasladándose del PMS al PMI crea en el
interior del cilindro una depresión que provoca la abertura de la válvula de
aspiración V1 y atrae el fluido fresco desde el ambiente de aspiración (supuesto a
presión p1): cabe notar que la fase de aspiración no aprovecha la carrera total del
émbolo, sino una sola fracción de la misma, pues la abertura de la válvula V1 se
puede efectuar solamente una vez que el gas contenido en el espacio muerto se
haya expandido hasta alcanzar una presión ligeramente inferior respecto a p1. En
el ciclo real la fase de aspiración se realiza a presión variable a causa de la falta
de estacionariedad del movimiento, mientras que en el ciclo convencional la
misma viene aproximada con su línea media (inferior a la presión p1 a causa de
las pérdidas por laminación sufridas por el fluido durante el paso a través de la
válvula).
2) Fase de compresión (AB). Durante esta fase el émbolo, empujado por el árbolmotor, se traslada del PMI al PMS, actuando la compresión del gas contenido en
el interior del cilindro: en efectos la válvula de aspiración V1 se cierra no bien
comienza la carrera de compresión, debido a la sobrepresión que se crea en el
cilindro respecto al ambiente de aspiración, mientras que la válvula de envío V2
permanece cerrada hasta que la presión en el interior del cilindro no supera la
presión p2 que reina en el ambiente de envío. En el ciclo convencional esta fase
viene aproximada mediante una relación analítica del tipo pVm = constante.
(Durante esta fase , si las fugas son insignificantes, la masa de gas contenida en
el interior del cilindro es constante y por lo tanto la ecuación precedente se puedetambién escribir en términos de volúmenes macizos como pvm = constante: en
consecuencia la compresión puede ser esquematizada como una transformación
politrópica con exponente m).
3) Fase de envío (BC). Al final de la fase de compresión, no bien la presión en el
interior del cilindro supera la presión p2 que reina en el ambiente de envío, se
abre la válvula V2 y comienza la fase de envío en la cual el émbolo, siguiendo en
su carrera hasta alcanzar el PMS expele el gas comprimido hacia el ambiente de
envío: En el ciclo real esta fase se realiza con presión variable a causa de la falta
de estacionariedad del movimiento, mientras que en el ciclo convencional la
misma viene aproximada con su línea media (superior a la presión p2 a causa de
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Capítulo 1
PN30D —Manual del Usuario 5/52
las pérdidas por laminación sufridas por el fluido durante el paso a través de la
válvula).
4) Fase de expansión del gas contenido en el espacio muerto (CD). Al final de la
fase de envío el volumen del espacio muerto está ocupado por gas comprimido
que el émbolo no está en condición de expeler: en cuanto el émbolo mismo iniciasu carrera hacia el PMI, la válvula V2 se cierra y el gas contenido en el interior
del cilindro se expande hasta alcanzar una presión ligeramente inferior respecto a
la presión del ambiente de aspiración p1 y a provocar por lo tanto la abertura de
la válvula V1 y el inicio de la fase de aspiración. En el ciclo convencional esta
fase viene aproximada mediante una relación analítica del tipo pVm’ = constante.
( Durante esta fase, si las fugas son insignificantes, la masa de gas contenida en
el interior del cilindro es constante y por lo tanto la ecuación se puede también
escribir en términos de volúmenes macizos como pvm’ = constante: en
consecuencia la compresión puede ser esquematizada como una transformación
politrópica con exponente m’).
Fig. 1.2 - Ciclo de trabajo real (a) y ciclo de trabajo convencional (b) de un compresoralternativo
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Premisas Teóricas
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1.4 Relaciones analiticas y consideraciones útiles para elestudio de los compresores alternativos
1.4.1 Potencia mecánica absorbida por la máquina
La potencia mecánica Pmecc absorbida por un compresor alternativo resulta igual a:
PL n
mecccic cic
m
=η
donde
Lcic es el trabajo realizado por la máquina sobre el fluido por ciclo.
ncic es el número de ciclos descripto por la máquina en la unidad de tiempo (que
coincide con el número de revoluciones efectuado en la unidad de tiempo).
ηm es el rendimiento mecánico, relación entre el trabajo efectivamente suministradoal fluido y el trabajo absorbido por la máquina en un ciclo (inferior a la unidad en
cuanto parte del trabajo absorbido está destinado a ser consumido por las pérdidas
mecánicas).
El trabajo Lcic se puede determinar, conociendo el ciclo de trabajo de la máquina, en
base a las siguientes consideraciones:
El trabajo infinitesimal dL efectuado por el fluido sobre el émbolo luego de un
desplazamiento infinitesimal dx de este último, resulta igual a::
dL = pSdx = pdV
donde:
p es la presión en el interior del cilindro
S es la superficie del émbolo
dV es la variación infinitesimal de volumen consecuente al desplazamiento dx del
émbolo
Resulta por tanto:
Lcic = = = + + +∫ ∫∫ ∫ ∫ ∫dL pdV pdV pdV pdV pdVA
B
B
C
C
D
D
A
El trabajo Lcic resulta por lo tanto igual al área encerrada en el diagrama (p,V) del
ciclo de trabajo de la máquina. Cabe notar como en conjunto se trate en realidad de un
trabajo negativo según las convenciones adoptadas usualmente en la termodinámica,
pues se trata de un trabajo realizado por la máquina sobre el fluido: sin embargo en el
por la máquina sobre el fluido, considerando por lo tanto como trabajo al ciclo el
módulo de la cantidad precedentemente definida.
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Capítulo 1
PN30D —Manual del Usuario 7/52
Sin embargo el cálculo del trabajo Lcic es más bien complejo, aun en el caso en que
se haga referencia al ciclo convencional, pues es necesario conocer los exponentes de
las líneas de compresión y de expansión del gas contenido en el espacio muerto, y
además la entidad de las caídas de presión introducidas por las válvulas automáticas. Es
fácil, en cambio, el cálculo del trabajo al ciclo en el caso ideal, en que la compresión y
la expansión sean isentrópicas y las caídas de presión debidas a las válvulas seaninsignificantes. En efectos, en este caso se obtiene :
Lk
k p V p Vcic id
k
k k , max min( )( )= −
− −−
11
1
1 11 β β
donde:
k es el exponente de la isentrópica (igual a 1,4 en el caso en que el gas sea aire)
β es la relación manométrica de compresión, o sea la relación entre la presión de
envío p2 y la presión de aspiración p1.
Vmax es el volumen máximo en el interior del cilindro, igual a (1+µ)Vo.
Vmin es el volumen mínimo en el interior del cilindro, igual a µVo.
El trabajo ideal calculado de este modo puede ser utilizado como término de
comparación para valorar las prestaciones de un compresor real, definiendo como
rendimiento del compresor la relación entre el trabajo ideal y el trabajo al ciclo
efectivamente solicitado. (Cabe recordar, sin embargo, que el trabajo ideal considerado
como término de referencia representa el mínimo trabajo necesario para un ciclo de
compresión sólo en la hipótesis en que el fluido sea tratado adiabáticamente).
La relación analítica permite además evidenciar como el trabajo al ciclo dependa,
además que de las características geométricas de la máquina (cilindrada Vo y grado de
espacio muerto µ) de las condiciones operativas en las que el compresor tiene que
funcionar, o sea de la relación manométrica de compresión β (y por lo tanto de la presión de envío p2, suponiendo fija la presión en el ambiente de aspiración p1).
Para comcluir, se puede observar como la determinación de la potencia absorbida por
la máquina a través del cálculo del trabajo al ciclo resulte bastante compleja: es por lo
tanto generalmente más fácil determinar a través de una medición directa en el
laboratorio la potencia absorbida y eventualmente deducir de esta última el trabajo alciclo (previa medición de la velocidad de rotación de la máquina) si fuese necesario.
En alternativa, la potencia absorbida por un compresor se puede expresar en función
del caudal de fluido en envío, utilizando la siguiente relación:
PL m
mecci
m
= &
η
donde:
Li es el trabajo realizado por la máquina sobre el fluido por unidad de masa
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Premisas Teóricas
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&m es el caudal de fluido en envío
Sin embargo también en este caso la determinación del trabajo realizado por unidad
de masa exige una serie de hipótesis y de aceptaciones de constantes numéricas no
fáciles, por lo cual resulta, una vez más, aconsejable determinar a través de una
medición directa en laboratorio la potencia absorbida y eventualmente deducir de estaúltima el trabajo másico (previa medición del caudal de envío desde el compresor) si
fuese necesario.
1.4.2 Caudal de fluido en envío
En ausencia de fugas, la masa de gas en envío por ciclo coincide obviamente con la
masa de gas aspirada por el compresor. Se puede por lo tanto aceptar como valor de
referencia, o bien como masa de aire teóricamente aspirable, el producto de la densidad
del gas en el ambiente de aspiración ρ1 por la cilindrada Vo del compresor.
Se puede por lo tanto definir como coeficiente de llenado del compresor ηv larelación entre la masa enviada en cada ciclo mcic y la masa de referencia p1 Vo, o bien:
ηρv
cic
o
m
V=
1
El coeficiente de llenado ηv de un compresor alternativo es siempre inferior a launidad, por las siguientes razones:
• las fugas a través de las juntas imperfectas del cilindro hacen que la masa
enviada sea inferior a la masa aspirada.
• no todo el espacio de la cilindrada está disponible para la carga fresca, pues una
fracción considerable viene ocupada por la expansión del gas contenido en el
espacio muerto (v. fig. 1.2): este efecto tiende a manifestarse de manera tanto
más evidente cuanto más grande es el grado de espacio muerto µ y, por un
determinado compresor, tiende a crecer con el aumentar de la relación
manométrica de compresión β, o bien con el aumentar de la presión de envío p2.
• Al final de la carrera de aspiración la densidad del aire que se encuentra en el
interior del cilindro es inferior a la densidad que reina en el ambiente de
aspiración, porque el aire se encuentra a una presión inferior a la presiónambiente (a causa de la laminación sufrida en el paso a través de la válvula de
aspiración) y a una temperatura superior a la temperatura ambiente (por efecto
del calor recibido de las paredes del cilindro durante la aspiración).
El cálculo del coeficiente de llenado permite, conocidas las características
geométricas del compresor y las condiciones del aire en el ambiente de aspiración,
determinar el caudal de aire enviado por el compresor. Sin embargo, análogamente a
cuanto visto en el párrafo precedente a propósito de la potencia absorbida por la
máquina, también en este caso el cálculo exige una serie de hipótesis y de aceptaciones
constantes numéricas por nada fáciles, por lo cual resulta, una vez más, aconsejable
determinar a través de una medición directa en laboratorio el caudal envíado por el
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Capítulo 1
PN30D —Manual del Usuario 9/52
compresor y, eventualmente, deducir de este último la masa enviada por ciclo y el
coeficiente de llenado si fuese necesario.
1.4.3 Subdivisión de la compresión en más fases con interrefrigeración
El uso de válvulas automáticas permite que el compresor se adapte a eventualesvariaciónes de las condiciones operativas respecto a los valores previstos en sede de
diseño: así si la presión exigida por el usuario aumenta pasando de p2 a p2*> p2, la fase
de compresión se prolongará hasta alcanzar el nivel p2*, y la fase de envío comenzará
solamente después de la superación de este nivel. Esta “adecuación” automática del
compresor está en condición de cumplir con eventuales aumentos de p2 hasta alcanzar
las condiciones en que, para obtener el valor de la presión de envío exigida por p2lim, es
necesario utilizar la carrera total del émbolo desde el PMI al PMS para la fase de
compresión, anulando la fracción de carrera reservada a la fase de envío. En este caso,
haciendo referencia a un ciclo de trabajo convencional y pasando por alto, por
simplicidad, las caídas de presión introducidas por las válvulas, se tiene:
( ) β
µ
µ
µ
µ lim
lim= =
=
+
=
+
p
p
V
V
V
V
A
C
m
O
O
m m
2
1
1 1
El máximo valor de la presión de envío p2lim alcanzable depende por lo tanto del
exponente m de la línea de compresión y del grado de espacio muerto µ: aceptando por
simplicidad m = k (igual a 1,4 en el caso del aire), se puede notar como p 2lim aumente
con la disminución del grado de espacio muerto y como los compresores alternativos
permitan alcanzar fácilmente relaciones manométricas de compresión β elevadas (porejemplo, con µ = 0.2 se obtiene βlim ≈ 12). En el caso en que se deban alcanzar nivelesde presión de envío particularmente elevados, no siendo posible reducir µ debajo de un
valor mínimo por problemas constructivos, es necesario introducir una o más fases
ulteriores de compresión, o bien compresores que traten el fluido ya comprimido por la
primera máquina. En este caso es oportuno acoplar a la subdivisión de la compresión en
más fases también la práctica de la interrefrigeración, enfriando el gas comprimido por
cada una de las fases antes de enviarlo a la sucesiva.
La subdivisión de la compresión en más fases con interrefrigeración permite obtener
múltiples ventajas:
• reducción de la temperatura alcanzada por el gas al final de la compresión: en
este modo se evita que las elevadas temperaturas finales alcanzadas por el gas en
ausencia de refrigeración intermedia provoquen atascamientos o deformaciones
de las válvulas y la degradación de las calidades del lubrificante.
• reducción del trabajo exigido para comprimir el gas: en efectos, de este modo el
trabajo necesario se acerca al trabajo exigido de una compresión isoterma,
que se puede demostrar como ser el mínimo trabajo de compresión a paridad de
relación manométrica y de temperatura mínima del gas.
En la práctica las citadas ventajas y la necesidad de obtener de todos modos caudales
con envíos considerables (cabe recordar que la masa enviada disminuye con el aumentarde β) imponen recurrir a compresores con más fases interrefrigeradas para valores de β
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Premisas Teóricas
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superiores a 6. Por lo que se refiere a la subdivisión de la relación manométrica exigida
entre las diversas fases, se adopta generalmente el criterio de la compresión
interrefrigerada uniforme, volviendo después de cada fase el fluido siempre a la
temperatura ambiente y asignando a cada fase el mismo valor de β, igual a la raíz n.avade la relación manométrica total exigida βtot; así, por ejemplo, en el caso del compresor
utilizado en el banco PN30D, debiendose alcanzar una relación manométrica βtot igual a11, la compresión puede subdividirse en dos fases, cada una de las cuales tenga:
β = ²√ 11 = 3.3
En fin, es oportuno recordar que es muy frecuente la práctica de disponer de un
refrigerador también después de la última fase de compresión, con el objeto de contener
la temperatura del aire comprimido enviado al usuario.
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Capítulo 2
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2. Descripción del Banco y de su Funcionamiento
2.1 Descripción del banco prueba
El banco prueba compresores PN30D está constituido por un compresor alternativo
bifásico, accionado por un motor eléctrico asíncrono mediante una transmisión de
correas trapezoidales. La unidad de compresión está dotada además con dos
cambiadores de calor para la refrigeración del aire comprimido, ubicados a la salida de
ambas fases, y con la instrumentación necesaria para la Medición de los caudales, de las
presiones y de las temperaturas en diversos puntos del circuito. Por fin el banco prueba
posee una serie de tuberías con diferentes geometrías, con el objeto de permitir el
estudio de las pérdidas de carga que se pueden verificar en una red para la distribución
del aire comprimido.
Un esquema del banco prueba está reproducido en la fig. 2.1, mientras que el cuadro
eléctrico de mando y control está ilustrado detalladamente en el esquema de la fig. 2.2;
las principales características de los diversos componentes están ilustradas a
continuación.
Motor eléctrico
• tipo: trifásico
• alimentación: 220/380 V - 50 Hz
• potencia: 3kW
• velocidad: 2830 rev/min.
Compresor alternativo (6)
• tipo: bifásico
• construcción: bicilíndrico con cilindros verticales en línea
• caudal: 450 litros/min. (referidos a las condiciones de aspiración)
• presión máxima de envío: 11 bar
• velocidad de rotación: 1200 rev./min.
Refrigerador intermedio (7)
Cambiador de calor a batería de tubos aire/agua en contracorriente para el
enfriamiento del aire después de la 1ª fase de compresión, completo con:
• válvula de seguridad
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Descripción del Banco y de su Funcionamiento
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• 2 sondas termométricas para la medición de la temperatura del aire a la entrada
(T1) y a la salida (T2) del cambiador
• 2 sondas termométricas para la medición de la temperatura del agua a la entrada
(T5) y a la salida (T7) del cambiador
• manómetro tipo Bourdon (M1) escala 0 ÷ 16 bar para la Medición de la presión
aire
• fluxómetro (9) para la medición del caudal de agua de enfriamiento (escala 0 ÷
300 l/h)
• grifo de interceptación y regulación caudal agua (11)
Refrigerador final (8)
Cambiador de calor a batería de tubos aire/agua en contracorriente para elenfriamiento del aire después de la 2ª fase de compresión; completo con:
• válvula de seguridad
• 2 sondas termométricas para la medición de la temperatura del aire a la entrada
(T3) y a la salida (T4) del cambiador
• 2 sondas termométricas para la medición de la temperatura del agua a la entrada
(T6) y a la salida (T8) del cambiador
• manómetro tipo Bourdon (M2) escala 0 ÷ 16 bar para la Medición de la presiónaire
• fluxómetro (10) para la medición del caudal de agua de enfriamiento (escala 0 ÷
300 l/h)
• grifo de interceptación y regulación caudal agua (12)
Depósito aire (14)
Depósito de tipo cilíndrico, horizontal, ensayado ISPESL, capacidad 200 litros,
completo con:
• manómetro tipo Bourdon (M3) escala 0 ÷ 16 bar para la Medición de la presión
aire
• presóstato regulable 1÷12 bar para conexión y desconexión motor eléctrico
accionamiento compresor (4)
• arrestoneumático (3)
• tapón descarga condensación
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Capítulo 2
PN30D —Manual del Usuario 13/52
Dispositivo para la medición del caudal aire aspirado por el compresor (1 - 2)
Comprenden:
• tobera tarada montada sobre recipiente amortiguador (2)
• micromanómetro diferencial de escala inclinada para la medición de la caída de
presión producida por la tobera (1)
Dispositivos para la medición del caudal de aire enviado (18 - 19 - 20 - 21)
Comprenden:
• fluxómetro (18) (campo de medición 0 ÷ 25 Nm³/h, presión máxima 10 bar)
• 3 diafragmas regulados según normas UNI, con diámetro respectivamente de
4.628 mm, 5.329 mm, 5.989 mm, montados sobre trozos de tuberia de 3/4” contomas de presión diferencial de 1/8” sobre las bridas contenedoras
• válvula (17) ubicada antes de la tubería; contiene los medidores de caudal
citados para la regulación del caudal de aire
• válvulas de estrangulación (28 - 29 - 30) ubicadas después de las tuberías;
contienen los medidores de caudal citados, para la regulación del caudal aire
• sonda termométrica (T9) para la medición de la temperatura del aire antes de los
diafragmas
• manómetro aire tipo Bourdon (M4), escala 0 ÷ 10 bar para la medición de la
presión antes de los diafragmas
• manómetro diferencial (27) de mercurio, escala 0 ÷ 300 mmHg, para la medición
de la presión diferencial entre antes y después de los diafragmas
Dispositivo para la determinación de las pérdidas de presión en las tuberías (22- 23 - 24 - 25 - 26)
Comprenden:
• una serie de 5 trozos de tubería de diámetro, forma y longitud diversas, para la
determinación de las pérdidas de presión en funcion del caudal de aire que fluye
en los mismos, registrado mediante el fluxómetro (18)
• válvula (17) ubicada antes de la tubería en prueba para la regulación del caudal
de aire
• sonda termométrica (T10) para la medición de la temperatura del aire ubicada
antes de la tubería en prueba
• manómetro aire tipo Bourdon (M5), escala 0 ÷ 10 bar para la medición de la presión, ubicado antes de la tubería en prueba
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Descripción del Banco y de su Funcionamiento
14/52 Didacta Italia
• válvulas de estrangulación (31 - 32 - 33 - 34 - 35) ubicadas después de las
tuberías, para la regulación del caudal de aire
Por fin el cuadro eléctrico de mando y control (v. esquema de la fig. 2.2) que
comprende los siguientes dispositivos:
• Interruptor general (38)
• Conmutador voltímetro (39)
• Selector de marcha y parada (40)
• Testigos luminosos (41)
• Watímetro (42)
• Amperómetro (43)
• Voltímetro (44)
• Visualizador digital temperaturas (45)
• Conmutador para sondas termométricas (46)
• Interruptor reactivación térmica (lado posterior cuadro eléctrico - 47)
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Capítulo 2
PN30D —Manual del Usuario 15/52
T6T3
T2
T8
T9
T7
T4
T5
H O2
A.C.
T10
18
T11
T1
T12
1
2
3
4 5
6
7
8
910
1112
1314
15
16
17
19 20 21
28 29 30
36
26 25 24 23 22
31 32 33 34 35
27
Fig. 2.1 – Esquema banco prueba compresores PN30D
Leyenda esquema banco prueba compresore
1. Micromanómetro diferencial
2. Depósito de calma
3. Arrestoneumático
4. Presóstato de máxima
5. Válvula de seguridad6. Compresor alternativo
7. Refrigerador intermedio aire/agua
8. Refrigerador final aire/agua
9. Fluxómetro medición caudal agua (refrigerador intermedio)
10. Fluxómetro medición caudal agua (refrigerador final)
11. Válvula regulación caudal agua (refrigerador intermedio)
12. Válvula regulación caudal agua (refrigerador final)
13. Válvula de retención
14. Depósito aire
15. Válvula descarga condensación
16. Válvula de recepción
17. Válvula de regulación18. Fluxómetro medición caudal aire
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Descripción del Banco y de su Funcionamiento
16/52 Didacta Italia
19. Diafragma tarado Ø = 4.628 mm.
20. Diafragma tarado Ø = 5.329 mm.
21. Diafragma tarado Ø = 5.989
22-23-24-25-26. Tuberías con diferentes geometrías
27. Manómetro diferencial
28-29-30. Válvulas de interceptación
31-32-33-34-35. Válvulas de interceptación
36. Grifo recepción aire comprimido
Puntos de medición presiones
M 1 Presión envío 1ª fase
M 2 Presión envío 2ª fase
M 3 Presión depósito envío
M 4 Presión antes de los diafragmas
M 5 Presión antes de las tuberías perfiladas
Puntos de medición temperaturas
T 1 Entrada aire compressorT 2 Entrada aire cambiador “A”
T 3 Salida aire cambiador “A”
T 4 Entrada aire cambiador “B”
T 5 Salida aire cambiador “B”
T 6 Entrada agua cambiador “A”
T 7 Entrada agua cambiador “B”
T 8 Salida agua cambiador “A”
T 9 Salida agua cambiador “B”
T 10 Entrada aire diafragmas
T 11 Entrada aire cañerias
T 12 Aire tanque
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Capítulo 2
PN30D —Manual del Usuario 17/52
Fig. 2.2 Esquema cuadro eléctrico de mando y control banco prueba compresores PN30D
Leyenda cuadro eléctrico de mando y control
38 - Interruptor general
39 - Conmutador voltimétrico
40 - Selector de marcha y parada
41 - Testigos luminosos
42 - Watímetro
43 - Amperímetro
44 - Voltímetro
45 - Visualizador digital temperaturas
46 - Conmutador para sondas termométricas
47 - Interruptor reactivación térmica
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Descripción del Banco y de su Funcionamiento
18/52 Didacta Italia
2.2 Predisposición del banco prueba para el funcionamiento
Se debe proceder de la siguiente manera:
a) controlar que la tensión de alimentación corresponda a la indicada en los
documentos de remesa.
b) conectar el banco a la red eléctrica y controlar que las tensiones concadenadas
correspondan al valor correcto (efectuar la operación utilizando el voltímetro 44
y el conmutador de fase 39; diferencia admitida: ± 10%.
c) controlar que el sentido de rotación del motor eléctrico corresponda al indicado
sobre el motor mismo, arrancando y parando inmediatamente el motor, actuando
sobre el selector marcha/parada 40.
d) Controlar que el nivel del aceite en el cárter del compresor alcance cerca de la
mitad de la excursión visible sobre el testigo.
e) conectar el circuito de enfriamiento a la red hídrica y abrir los grifos de
interceptación 11 y 12; controlar luego que el flujo de agua de refrigeración,
mediante los fluxómetros 9 y 10, sea aproximadamente de 150 l/h.
f) controlar que el arrestoneumático 3 esté tarado a cerca de 9 bar, que el presóstato
4 esté tarado a cerca de 10 bar y que las dos válvulas que conectan el arrestoy el
presóstato al depósito 14 estén abiertas.
g) poner en función el motocompresor, actuando sobre el selector de marcha 40.
h) controlar que no haya pérdidas de aire comprimido de las juntas, de las válvulas,
de los prensaestopas.
i) verificar, mediante el manómetro M3, que la presión en el depósito aumente
progresivamente: en caso contrario verificar nuevamente la presencia de
eventuales pérdidas.
j) hacer funcionar la instalación hasta alcanzar la presión de aproximadamente 9
bar en el depósito y verificar que el arrestoneumático 3 intervenga correctamente
a la presión de tarado.
k) excluir luego el arresto3 cerrando el apropiado grifo de interceptación y verificar
que el presóstato de máxima intervenga a la presión de tarado de
aproximadamente 10 bar deteniendo el motor eléctrico.
l) reabrir el grifo de interceptación para la exclusión del arrestocerrado
precedentemente.
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Capítulo 3
PN30D —Manual del Usuario 19/52
3. Experiencias de Laboratorio
3.1 Medición de la potencia necesaria al compresor
3.1.1 Notas de teoría
La medición de la potencia absorbida por el compresor puede ser efectuada mediante
el motor asíncrono que acciona el compresor mismo.
En efectos, la potencia eléctrica Pel que este último recibe de la red se puede medir
por medio de un Watímetro (n. 42, fig. 2.2); es necesario pero tener presente que esta
potencia será en parte disipada tanto al interno de la máquina eléctrica, como al interno
de la transmisión de correa que conecta el motor eléctrico al compresor: por lo tanto
este último recibirá efectivamente sólo una fracción Pmecc de la potencia eléctrica Pel medida mediante el Watímetro.
La potencia mecánica recibida por el compresor por lo tanto resulta igual a:
P Pmecc el tr = η
donde:
Pel potencia eléctrica absorbida desde la red (kW)
Pmecc potencia mecánica efectivamente recibida por el compresor (kW)
ηtr rendimiento global de la máquina eléctrica y de la transmisión (en el casoen examen se puede aceptar: ηtr = 0.9).
Una vez determinada la potencia mecánica efectivamente recibida por el compresor,
es necesario considerar el hecho que solamente una fracción Pi de la misma será
suministrada al fluido, pues una parte será disipada por las pérdidas mecánicas al
interno del compresor.
Por lo tanto la potencia suministrada al fluido resulta igual a:
P Pi mecc m= η
donde:
Pi potencia suministrada al fluido (kW)
Pmecc potencia mecánica efectivamente recibida por el compresor (kW)
ηm rendimiento mecánico del compresor (en el caso en examen se puedeaceptar ηm = 0.9).
La potencia que es necesario suministrar al fluido y en consecuencia la potencia
mecánica exigida por el compresor, son naturalmente función de la preponderancia
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Experiencias de Laboratorio
20/52 Didacta Italia
necesaria: objeto de la experiencia es por lo tanto medir el comportamiento de la
potencia exigida en función de la presión de envío registrada mediante el manómetro
M3, o bien de la relación manométrica β entre la presión de envío citada y la presión deaspiración.
3.1.2 Modalidad de ejecución de la prueba
¡ ATENCIÓN !
Antes de poner en función el compresor, es preciso comprobar que el banco prueba
haya sido predispuesto correctamente para el funcionamiento siguiendo los
procedimientos descriptos en el § 2.2. En particular se debe verificar la puesta a punto
del arrestoneumático (cerca de 9 bar) y del presóstato de máxima (cerca de 10 bar) y
que la presión de envío al interno del depósito 14, registrable mediante el manómetro
M3, sea suficientemente inferior a los citados valores de puesta a punto (por ejemplo:
presión de envío ≈ 2 ÷ 3 bar) en modo de evitar la intervención del arrestoo del presóstato en el curso de las mediciones experimentales.
a) medir presión y temperatura del aire al interno del Laboratorio.
b) poner en marcha el compresor actuando sobre el selector marcha/parada (n. 40,
fig 2.2).
c) abrir completamente la válvula de envío 16 y una cualquiera de las válvulas de
interceptación 31-32-33-34-35; luego abrir la válvula de regulación 17: en este
modo será simulado un usuario para el caudal de aire comprimido producido por
el compresor.
d) esperar el tiempo necesario hasta que la presión al interno del depósito 14 se
estabilice, luego efectuar la lectura de los valores de potencia eléctrica P el
mediante el Watímetro (n. 42, fig. 2.2) y de presión de envío mediante el
manómetro M3 y anotar en la Tabla 3.1 los valores visualizados.
e) intervenir sobre la válvula de regulación 17, cerrándola parcialmente: esto
provocará un aumento de la presión de envío en el depósito 14; esperar luego el
tiempo necesario hasta que la presión al interno del depósito se estabilice y
efectuar nuevamente la lectura de los valores de presión y de potencia eléctrica
absorbida, anotando en la Tabla 3.1 los valores visualizados.
f) repetir el procedimiento hasta alcanzar la presión de intervención del
arrestoneumático o del presóstato de máxima, anotando de vez en vez en la
Tabla 3.1 las lecturas de los valores de presión y de potencia eléctrica absorbida.
g) utilizando las ecuaciones del § 3.1.1, completar la Tabla 3.1, calculando los
valores de potencia mecánica exigida por el compresor Pmec y de potencia
suministrada al fluido Pi, diagramándolos luego en el gráfico de la fig. 3.1.
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Capítulo 3
PN30D —Manual del Usuario 21/52
3.1.3 Resultados experimentales
Presión envío
(bar)
Relación
manométricaβ
Pel
(kW)
Pmecc
(kW) Pi
(kW)
Presión ambiente:............ Temperatura ambiente:.................
Tab. 3.1 - Medición de la potencia exigida por el compresor
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
1 3 5 7 9 11
PiPmecc
(kW)
Fig. 3.1 - Potencia suministrada al fluido P i y potencia mecánica exigida por el compresor
P mecc en función de la relación manométrica de compresión
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Experiencias de Laboratorio
22/52 Didacta Italia
3.1.4 Análisis de los resultados
La potencia que es necesario suministrar al fluido y, en consecuencia, la potencia
mecánica exigida por el compresor, deben presentar un comportamiento monótono
creciente al aumentar de la presión de envío exigida y por lo tanto de la relación
manométrica β.
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Capítulo 3
PN30D —Manual del Usuario 23/52
3.2 Medición de la característica manométrica delcompresor
3.2.1 Notas de teoría
Para valorar la idoneidad de un compresor para un particular empleo es necesario
conocer su característica manométrica, o sea el comportamiento de la relación
manométrica β en función del caudal enviado m. Esta curva característica permite, enefectos, establecer para cada uno de los valores de caudal exigidos por el usuario, la
preponderancia que el compresor está en condición de suministrar (o,viceversa, para
cada uno de los valores de preponderancia exigida cuál es el caudal que el compresor
está en condición de suministrar). Objeto de la presente experiencia es por lo tanto el de
obtener la citada curva característica, registrando el caudal enviado por el compresor,
mediante un fluxómetro (n. 18, fig. 2.1), al variar de la presión de envío, medida por
medio del manómetro M3.
Considerado que el fluxómetro proporciona una indicación del caudal de gas en
Nm³/h, o bien con referencia a particulares condiciones de presión y temperatura del
fluido (denominadas condiciones normales y correspondientes a p = 760 mmHg, T =
20°C) es necesario medir la presión y la temperatura del fluido en proximidad del
fluxómetro en el curso de las mediciones experimentales, mediante el manómetro M5 y
la sonda termométrica T10, y calcular el caudal efectivo utilizando la relación:
10
52.1T
T
p
pmm o
o
l && =
donde:
⋅
m es el caudal efectivo (kg/h)⋅
m 1 es el caudal medido durante las mediciones experimentales (Nm3/h)
1.2 es la densidad del aire en las condiciones de referencia (kg/m3)
po es la presión del aire en condiciones de referencia (igual a 760 mmHg, o bien a
1.013 bar)
p5 es la presión del aire medido durante las mediciones experimentales
To es la temperatura del aire en condiciones de referencia (igual a 20°C)
T10 es la temperatura del aire medida durante las mediciones experimentales
Por fin, considerado que el caudal de aire enviado por el compresor depende, además
que de la relación manométrica β, también de las condiciones a la aspiración, en el
estudio de los compresores se hace referencia usualmente a un caudal correcto⋅
m *, que
representa el caudal enviado en condiciones de referencia, utilizando la relación:
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Experiencias de Laboratorio
24/52 Didacta Italia
& * &m m p
p
T
T
o
amb
amb
o
=
donde
⋅m * es el caudal correcto (kg/h)
⋅
m es el caudal efectivo medido durante las mediciones experimentales (kg/h)
po es la presión atmosférica de referencia (usualmente igual a 760 mmHg)
pamb es la presión atmosférica medida durante las mediciones experimentales
To es la temperatura ambiente de referencia (usualmente igual a 20°C)
Tamb es la temperatura ambiente medida durante las mediciones experimentales
Nota
En las relaciones citadas es indiferente la unidad de medida utilizada para las
presiones atmosféricas, mientras que las temperaturas se deben expresar en grados K.
3.2.2 Modalidad de ejecución de la prueba
¡ ATENCIÓN !
Antes de poner en función el compresor, es preciso comprobar que el banco prueba
haya sido correctamente predispuesto para el funcionamiento, siguiendo los
procedimientos descriptos en el § 2.2. En particular se debe verificar las puestas a punto
del arrestoneumático (cerca de 9 bar) y del presóstato de máxima (cerca de 10 bar) y
que la presión de envío al interno del depósito 14, registrable mediante el manómetro
M3, sea suficientemente inferior a los citados valores de puesta a punto (por ejemplo:
presión de envío ≈ 2 ÷ 3 bar) en modo de evitar la intervención del arrestoo del presóstato en el curso de las mediciones experimentales.
a) medir presión y temperatura del aire al interno del Laboratorio.
b) poner en marcha el compresor actuando sobre el selector marcha/parada (n. 40,
fig 2.2).
c) abrir completamente la válvula de envío 16 y una cualquiera de las válvulas de
interceptación 31-32-33-34-35; luego abrir la válvula de regulación 17: en este
modo será simulado un usuario para el caudal de aire comprimido producido por
el compresor.
d) esperar el tiempo necesario hasta que la presión al interno del depósito 14 se
estabilice, luego efectuar la lectura de los valores de la presión de envío mediante
el manómetro M3, del caudal enviado, mediante el fluxómetro 18, de la presión yde la temperatura del fluido en proximidad del fluxómetro por medio del
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Capítulo 3
PN30D —Manual del Usuario 25/52
manómetro M5 y la sonda termométrica T10 y anotar los datos visualizados en la
Tabla 3.2.
e) intervenir sobre la válvula de regulación 17, cerrándola parcialmente: esto
provocará un aumento de la presión de envío en el depósito 14; luego esperar el
tiempo necesario hasta que la presión al interno del depósito se estabilice yefectuar nuevamente la lectura de los valores de la presión de envío mediante el
manómetro M3, del caudal de envío por medio del fluxómetro 18, de la presión y
de la temperatura del fluido en proximidad del fluxómetro mediante el manómetro
M5 y la sonda termométrica T10, anotando en la Tabla 3.2 los valores visualizados.
f) repetir el procedimiento hasta alcanzar la presión de intervención del
arrestoneumático o del presóstato de máxima, anotando de vez en vez en la Tabla
3.2 las lecturas de los valores registrados.
g) utilizando las ecuaciones del § 3.2.1, completar la Tabla 3.2, calculando los
valores de la relación manométrica de compresión, del caudal efectivo y delcaudal correcto, trazando luego sobre el gráfico de la fig. 3.2 la característica
manométrica del compresor.
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Experiencias de Laboratorio
26/52 Didacta Italia
3.2.3 Resultados experimentales
Presión
envíoM3
(bar)
Relaciónmanom..
β
&m l
Caudalmedido(Nm
3/h)
Presión
fluxómetroM5
(bar)
Temperaturafluxómetro
T10(°C)
&m
Caudalefectivo(kg/h)
& *m
Caudalcorrecto(kg/h)
Presión ambiente:........... Temperatura ambiente:.............
Tab. 3.2 - Medición de la característica manométrica del compresor
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0 5 10 15 20 25 30 35 40
m* (kg/h)
β
Fig. 3.2 - Característica manométrica: relación manométrica de compresión en función del
caudal correcto & *m .
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Capítulo 3
PN30D —Manual del Usuario 27/52
3.2.4 Análisis de los resultados
La característica manométrica de un compresor alternativo presenta un
procedimiento casi vertical: con el aumentar de la presión de envío exigida y por lo
tanto de la relación manométrica β, el caudal de envío se mantiene casi constante,
evidenciando reducciones considerables solamente para valores de β elevados, pues elcampo de normal utilización corresponde a valores de la relación manométrica muy
inferiores respecto al valor límite βlim correspondiente a la anulación del caudal (v.§1.4.3)
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Experiencias de Laboratorio
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3.3 Medición del caudal de aire aspirado y del caudal deenvío
3.3.1 Notas de teoría
En el estudio de los compresores alternativos puede ser útil evidenciar, en función de
la relación manométrica β, no solamente el desarrollo del caudal de envío, comoilustrado en la experiencia precedente, sino también el desarrollo del caudal aspirado
por el compresor: la comparación entre los dos caudales puede, en efectos, permitir la
valoración de la entidad de las fugas que se realizan durante la operación de
compresión del fluido. Objeto de la presente experiencia es por lo tanto el de obtener las
informaciones citadas, midiendo el caudal de envío mediante un fluxómetro (n.18, fig.
2.1) y el caudal de aire aspirado mediante una tobera conectada a un micromanómetro
diferencial (n.1, fig.2.1), al variar de la presión de envío, medida mediante el
manómetro M3.
Por cuanto concierne la medición del caudal de envío, son válidas las indicaciones
citadas en el § 3.2.1, mientras que por lo que se refiere a la medición del caudal de aire
aspirado se puede observar lo siguiente.
La tobera, puesta a la entrada de un depósito de calma (n.2, fig 2.1) colocado antes
del compresor, crea un estrechamiento de la sección de pasaje del fluido, generando un
aumento de la velocidad del mismo y por lo tanto una disminución de presión en la
sección restringida. Aplicando el teorema de Bernoulli se puede demostrar que el caudal
másico ma de la corriente fluida es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la
diferencia ∆ p de presión entre la sección restringida y el ambiente anterior:
&m K pa = ∆
siendo K un factor de proporcionalidad, dependiente de la geometría de la tobera y
de las condiciones de presión y temperatura del aire en el ambiente de aspiración. La
medición del caudal viene por lo tanto reconducida a la medición de una diferencia de
presión fácilmente efectuable.
Para determinar la diferencia de presión se utiliza un micromanómetro, considerada
la exigüidad de la diferencia misma.
Para llegar fácilmente al caudal, sin recurrir a fórmulas, se pueden utilizar diagramas
del tipo impreso en la fig. 3.3 que permiten el cálculo inmediato del caudal en base al
valor medido de ∆ p.
En realidad los valores visualizados en el diagrama tendrían que ser corregidos en
función de las condiciones ambientales (presión atmosférica y temperatura): sin
embargo si las diferencias de presión y temperatura respecto a los valores estándar son
bastante pequeñas, la citada corrección se puede omitir.
La presencia del depósito de calma ubicado después de la tobera resulta
indispensable para amortiguar las oscilaciones de ∆ p que serían producidas por elfuncionamiento pulsante del flujo de aire aspirado por el compresor.
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Capítulo 3
PN30D —Manual del Usuario 29/52
Fig 3.3 - Curva característica de la tobera utilizada para la medición del caudal de aire
aspirado por el compresor
3.3.2 Modalidad de ejecución de la prueba
¡ ATENCIÓN !
Antes de poner en función el compresor, es preciso comprobar que el banco prueba
haya sido predispuesto correctamente para el funcionamiento siguiendo los
procedimientos descriptos en el § 2.2. En particular se debe verificar la puesta a puntodel arrestoneumático (cerca de 9 bar) y del presóstato de máxima (cerca de 10 bar) y
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Experiencias de Laboratorio
30/52 Didacta Italia
que la presión de envío al interno del depósito 14, registrable mediante el manómetro
M3, sea suficientemente inferior a los citados valores de puesta a punto (por ejemplo:
presión de envío ≈ 2 ÷ 3 bar) en modo de evitar la intervención del arrestoo del presóstato en el curso de las mediciones experimentales.
a) medir presión y temperatura del aire al interno del Laboratorio
b) poner en marcha el compresor actuando sobre el selector marcha/parada (n. 40,
fig. 2.2).
c) abrir completamente la válvula de envío 16 y una cualquiera de las válvulas de
interceptación 31-32-33-34-35; luego abrir la válvula de regulación 17: en este
modo será simulado un usuario para el caudal de aire comprimido producido por
el compresor.
d) esperar el tiempo necesario hasta que la presión al interno del depósito 14 se
estabilice, luego efectuar la lectura de los valores de la presión de envío medianteel manómetro M3, de la caída de presión sobre la tobera por medio del
micromanómetro 1, del caudal de envío mediante el fluxómetro 18, de la presión
y de la temperatura del fluido en proximidad del fluxómetro por medio del
manómetro M5 y la sonda termométrica T10 y anotar los datos visualizados en la
Tabla 3.3.
e) intervenir sobre la válvula de regulación 17, cerrándola parcialmente: esto
provocará un aumento de la presión de envío en el depósito 14; esperar luego el
tiempo necesario hasta que la presión al interno del depósito se estabilice y
efectuar nuevamente la lectura de los valores de la presión de envío mediante el
manómetro M3, de la caída de presión sobre la tobera por medio delmicromanómetro 1, del caudal de envío mediante el fluxómetro 18, de la presión
y de la temperatura del fluido en proximidad del fluxómetro mediante el
manómetro M5 y la sonda termométrica T10, anotando en la Tabla 3.3 los valores
visualizados.
f) repetir el procedimiento hasta alcanzar la presión de intervención del
arrestoneumático o del presóstato de máxima, anotando de vez en vez en la Tabla
3.3 las lecturas de los valores obtenidos.
g) utilizando las ecuaciones del § 3.2.1, completar la Tabla 3.4, calculando los
valores de la relación manométrica de compresión y del caudal de envío efectivo;utilizando el diagrama de la fig. 3.3 determinar el valor del caudal aspirado;
anotar, por fin, sobre el gráfico de la fig. 3.4 el desarrollo del caudal de envío
efectivo y del caudal aspirado en función de la relación manométrica β.
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Capítulo 3
PN30D —Manual del Usuario 31/52
3.3.3 Resultados experimentales
Presión envíoM3
(bar)
&m l
Caudal envíomedido
(Nm
3
/h)
Presiónfluxómetro
M5
(bar)
Temperaturafluxómetro
T10
(°C)
∆ p Caída presión
tobera
(mmH2O)
Presión ambiente:........... Temperatura ambiente:.............
Tab. 3.3 - Medición del caudal de envío y del caudal aspirado por el compresor (datos
experimentales registrados
Presión envíoM3
(bar)
Relaciónmanométrica
β
&m l
Caudal envíomedido
(Nm3/h)
&m
Caudal envíoefectivo
(kg/h)
&ma
Caudal aspirado
(kg/h)
Tab. 3.4 - Medición del caudal de envío y del caudal aspirado por el compresor (datos
calculados)
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
ma
m
(kg/h)
Fig. 3.4 - Desarrollo del caudal aspirado ma y del caudal de envío m en función de la
relación manométrica de compresión .
3.3.4 Análisis de los resultados
En base a cuanto ilustrado a propósito de la característica manométrica, el
desarrollo del caudal de envío y del caudal aspirado resulta generalmente casi constantecon el variar de la relación manométrica β, evidenciando una progresiva disminuciónsólo para valores de β elevados: La comparación entre el caudal de envío y el caudalaspirado puede además permitir valorar la entidad de las fugas que se verifican en el
curso de la compresión del fluido: sin embargo el caudal de fluido perdido a causa de
las fugas es, generalmente, extremadamente contenido (casi siempre inferior al 5% del
caudal de envío) y su determinación, mediante los dispositivos usualmente utilizados en
ámbito industrial, como ser fluxómetros, diafragmas y toberas, cuya precisión está en el
orden del 2-3%, puede resultar por lo tanto frecuentemente problemática.
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Capítulo 3
PN30D —Manual del Usuario 33/52
3.4 Medición del incremento de temperatura producido porla compresión
3.4.1 Notas de teoría
La operación de compresión provoca un incremento no sólo de la presión, sino
también de la temperatura del gas tratado: objeto de la experiencia es por lo tanto la
medición del citado incremento de temperatura, en función de la presión de envío. las
mediciones experimentales se pueden efectuar tanto sobre la primera como sobre la
segunda fase del compresor: mediante las sondas termométricas Tamb y T1 se pueden en
efectos medir las temperaturas del fluido respectivamente antes y después de la primera
fase, mientras que el manómetro M1 permite determinar la relación manométrica de
compresión βI de la primera fase; análogamente, por medio de las sondas termométricasT2 y T3 se pueden medir las temperaturas del fluido respectivamente antes y después de
la segunda fase, mientras que los manómetros M1 y M2 permiten determinar la relación
manométrica de compresión βII de la segunda fase.
Los incrementos de temperatura registrados pueden ser comparados con los
incrementos calculados en la hipótesis de compresión isentrópica. Según la citada
hipótesis se tendría en efectos:
)1(1
1
1
1 −=−⇒=
−
−
k
k
I ambambisk
k
I ambis T T T T T β β
)1(1
223
1
23 −=−⇒=
−
−
k
k
II isk
k
II is T T T T T β β
Por fin se pueden valorar los efectos positivos de la interrefrigeración por cuanto se
refiere al contenimiento de la temperatura alcanzada al final de la compresión,
calculando la temperatura que sería alcanzada por el gas al final de una compresión
isentrópica sin interrefrigeración (indicando con β la relación de compresión total,igual a βIβII:
)1(
1
,
1
, −=−⇒=
−
−
k
k
ambambis fink
k
ambis fin T T T T T β β
NotaEn las relaciones citadas las temperaturas se deben expresar en grados K.
3.4.2 Modalidad de ejecución de la prueba
¡ ATENCIÓN !
Antes de poner en función el compresor, es preciso comprobar que el banco prueba
haya sido correctamente predispuesto para el funcionamiento, siguiendo los
procedimientos descriptos en el § 2.2. En particular se debe verificar las puestas a punto
el arrestoneumático (cerca de 9 bar) y del presóstato de máxima (cerca de 10 bar) y quela presión de envío al interno del depósito 14, registrable mediante el manómetro M 3,
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Experiencias de Laboratorio
34/52 Didacta Italia
sea suficientemente inferior a los citados valores de puesta a punto (por ejemplo:
presión de envío ≈ 2 ÷3 bar) en modo de evitar la intervención del arrestoo del presóstato en el curso de las mediciones experimentales.
a) medir presión y temperatura del aire al interno del Laboratorio.
b) poner en marcha el compresor actuando sobre el selector marcha/parada (n.40,
fig. 2.2).
c) abrir completamente la válvula de envío 16 y una cualquiera de las válvulas de
interceptación 31-32-33-34-35; luego abrir la válvula de regulación 17: en este
modo será simulado un usuario para el caudal de aire comprimido producido por
el compresor.
d) esperar el tiempo necesario hasta que la presión al interno del depósito 14 se
estabilice, luego efectuar la lectura de los valores de las presiones de envío de la
primera y de la segunda fase mediante los manómetros M1 y M2, y anotar en laTabla 3.5 los valores visualizados; por medio del apropiado selector (n. 46, fig.
2.2) visualizar sobre el indicador digital (n. 45, fig. 2.2) la temperatura del aire a
la entrada de la primera fase medida por la sonda termométrica Tamb, poniendo el
selector mismo en la posición 1; repetir luego la operación visualizando la
temperatura a la salida de la primera fase, medida por la sonda termométrica T1,
la temperatura a la entrada de la segunda fase, medida por la sonda termométrica
T2 y, en fin,la temperatura a la salida de la segunda fase medida por la sonda
termométrica T3, anotando de vez en vez en la Tabla 3.5 los valores visualizados.
e) intervenir sobre la válvula de regulación 17, cerrándola parcialmente: esto
provocará un aumento de la presión de envío en el depósito 14; luego esperar eltiempo necesario hasta que la presión al interno del depósito se estabilice y
efectuar nuevamente la lectura de los valores de presión y de temperatura,
anotando en la Tabla 3.5 los valores visualizados.
f) repetir el procedimiento hasta alcanzar la presión de intervención del
arrestoneumático o del presóstato de máxima, anotando de vez en vez en la Tabla
3.5 las lecturas de los valores de presión y de temperatura.
g) utilizando las ecuaciones del § 3.4.1, completar la Tabla 3.6, calculando los
valores de las temperaturas isentrópicas y diagramándolos luego juntamente con
los de las temperaturas medidas en el gráfico de la fig. 3.5.
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Capítulo 3
PN30D —Manual del Usuario 35/52
3.4.3 Resultados experimentales
Presiónenvío1ª
faseM1
(bar)
Relaciónmanom.1ª fase
βI
Presiónenvío
2ª faseM2
(bar)
Relaciónmanom.2ª fase
βII
Temp.entrada1ª fase
Tamb
(°C)
Temp.envío
1ª faseT1
(°C)
Temp.entrada2ª fase
T2
(°C)
Temp.envío
2ª faseT3
(°C)
Presión ambiente:........... Temperatura ambiente:.............
Tab. 3.5 - Temperaturas del fluido registradas en función de la relación manométrica de
compresión I de la 1ª fase y II de la 2ª fase.
Relaciónmanom.1ª fase
βI
Temp.entrada1ª fase
Tamb
(°C)
Temp. is.envío
1ª faseT1is
(°C)
Relaciónmanom.2ª fase
βII
Temp.entrada2ª fase
T2
(°C)
Temp. is.envío
2ª faseT3is
(°C)
Relaciónmanom.compl.
β = βI βII
Temp. is.envío
no interr.Tfin,is
(°C)
Tab. 3.6 - Temperaturas isentrópicas del fluido calculadas en función de las relaciones
manométricas de compresión I de la 1ª fase, II de la 2ª fase y de la relación manométrica
total en ausencia de interrefrigeración.
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Temperature
(°C)
Fig. 3.5 - Temperaturas del fluido registradas y temperaturas isentrópicas calculadas en
función de las relaciones manométricas de compresión I de la 1ª fase, II de la 2ª fase y de la
relación manométrica total en ausencia de interrefrigeración.
3.4.4 Análisis de los resultados
En base a las relaciones analíticas citadas en el § 3.4.1, es evidente que el incrementode temperatura producido por una compresión isentrópica aumenta con el aumentar de
la relación manométrica: el desarrollo de las temperaturas de envío calculadas será en
consecuencia función monótona creciente de β. Por cuanto se refiere, en cambio, aldesarrollo de las temperaturas de envío registradas experimentalmente, se podrán
observar diferencias considerables respecto a los valores calculados. Esto es debido al
hecho que en el curso de la compresión real el fluido intercambia calor con las paredes
del cilindro; la entidad de los citados intercambios térmicos depende de la temperatura
del fluido mismo y además de la temperatura media de las paredes del cilindro, y resulta
por lo tanto condicionada de la relación manométrica: mayor es la presión de envío,
mayor será la temperatura alcanzada por el fluido y por lo tanto mayor será la entidad
del flujo de calor desde el fluido a las paredes y en consecuencia la diferencia respecto alos valores calculados suponiendo la compresión isentrópica.
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Capítulo 3
PN30D —Manual del Usuario 37/52
3.5 Medición de la potencia térmica a sustraer para larefrigeración del aire comprimido
3.5.1 Notas de teoría
El incremento de temperatura del gas provocado por la operación de compresión
no es, generalmente, tolerable por los motivos expuestos en el § 1.4.3, y es por lo tanto
oportuno recirrir a la refrigeración del aire comprimido, usualmente mediante
cambiadores de calor agua/aire: objeto de la experiencia es por lo tanto la medición de
la potencia térmica a sustraer, en función de la presión de envío. Las mediciones
experimentales se pueden efectuar tanto sobre el refrigerador intermedio ubicado entre
la primera y la segunda fase de compresión, como sobre el refrigerador final ubicado
después de la segunda fase; además, para cada uno de los refrigeradores la medición de
la potencia térmica cambiada puede ser efectuada tanto sobre el lado aire comprimido,
como sobre el lado fluido refrigerante (en el caso en examen: agua). Mediante las
sondas termométricas T1 y T2 se puede, en efectos, medir las temperaturas del aire
comprimido respectivamente antes y después del primer refrigerador, mientras que el
fluxómetro 18 (v. fig. 2.2) permite medir el caudal másico m enviado por el compresor
(que coincide con el caudal de aire que pasa a través del cambiador, menos las fugas
que normalmente son insignificantes). La potencia térmica Qal sustraida al aire
comprimido en el primer refrigerador resulta por lo tanto:
3600
)( 21 T T cmQ
p
aI
−=
&&
donde:
&QaI es la potencia térmica sustraida al aire comprimido en el primer refrigerador
(kW).
&m es el caudal másico de aire comprimido (kg/h).
c p es la capacidad térmica másica a presión constante del aire (igual a 1 kJ/kgK).
T1 es la temperatura del aire a la entrada del primer refrigerador (°C).
T2 es la temperatura del aire a la salida del primer refrigerador (°C)
Esta potencia debe naturalmente coincidir con la potencia térmica Q Iref recibida del
líquido refrigerante, potencia que puede ser determinada midiendo las temperaturas del
refrigerante antes y después del refrigerador, mediante las sondas termométricas T5 y T7
respectivamente, y el caudal másico mIref de refrigerante por medio del apropiado
fluxómetro 9 (v. fig. 2.2):
3600
)( 57 T T cmQQ
ref ref I
ref I aI
−==
&&&
donde:
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&Q I ref es la potencia térmica recibida por el refrigerante en el primer refrigerador
(kW).
&m Iref es el caudal másico de refrigerante en el primer refrigerador (kg/h)
cref es la capacidad térmica másica del refrigerante (igual a 4.186 kJ/kgK para elagua)
T5 es la temperatura del agua a la entrada del primer refrigerador (°C)
T7 es la temperatura del agua a la salida del primer refrigerador (°C)
Análogamente, mediante las sondas termométricas T3 y T4 se pueden medir las
temperaturas del aire comprimido respectivamente antes y después del refrigerador
final, mientras que las sondas termométricas T6 y T8 permiten la medición de las
temperaturas del agua respectivamente antes y después del refrigerador final; el caudal
másico de aire puede ser medido siempre por medio del fluxómetro 18, mientras que elcaudal másico de agua mIIref se puede medir mediante el apropiado fluxómetro 10 (v.
fig. 2.2). Se tiene por lo tanto para el segundo refrigerador:
)()( 6843 T T cmQT T cmQ ref IIref IIref paII −==−= &&&&
3.5.2 Modalidad de ejecución de la prueba
¡ ATENCIÓN !
Antes de poner en función el compresor, es preciso comprobar que el banco pruebahaya sido correctamente predispuesto para el funcionamiento, siguiendo los
procedimientos descriptos en el § 2.2. En particular se debe verificar las puestas a punto
del arrestoneumático (cerca de 9 bar) y del presóstato de máxima (cerca de 10 bar) y
que la presión de envío al interno del depósito 14, registrable mediante el manómetro
M3, sea suficientemente inferior a los citados valores de puesta a punto (por ejemplo:
presión de envío ≈ 2 ÷ 3 bar) en modo de evitar la intervención del arrestoo del presóstato en el curso de las mediciones experimentales.
a) medir presión y temperatura del aire al interno del Laboratorio.
b) poner en marcha el compresor actuando sobre el selector marcha/parada (n. 40,fig. 2.2)
c) abrir completamente la válvula de envío 16 y una cualquiera de las válvulas de
interceptación 31-32-33-34-35; luego abrir la válvula de regulación 17: en este
modo será simulado un usuario para el caudal de aire comprimido producido por
el compresor.
d) esperar el tiempo necesario hasta que la presión al interno del depósito 14 se
estabilice, luego efectuar la lectura de los valores de las presiones de envío de la
primera y de la segunda fase mediante los manómetros M1 y M2 y anotar en la
Tabla 3.7 los valores visualizados; luego efectuar la lectura del caudal de aire pormedio del fluxómetro 18 (medir además la presión y la temperatura del aire en
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Capítulo 3
PN30D —Manual del Usuario 39/52
proximidad del fluxómetro mediante el manómetro M5 y la sonda termométrica
T10 al fin de poder efectuar las correcciones necesarias, según las modalidades
expuestas en el § 3.2.1) y anotar los datos visualizados en la Tabla 3.7.
e) mediante el selector apropiado (n. 46, fig. 2.2) visualizar sobre el indicador
digital (n. 45, fig 2.2) la temperatura del aire a la entrada del primer refrigerador,medida por la sonda termométrica T1, poniendo el selector mismo en la posición
2; repetir la operación visualizando la temperatura del aire a la salida del primer
refrigerador, medida por la sonda termométrica T2, la temperatura del agua a la
entrada del primer refrigerador (T5), la temperatura del agua a la salida del
primer refrigerador (T7): en el caso en que la diferencia (T7 – T5) resultase
particularmente contenida, reducir el caudal de agua que circula en el cambiador
por medio del grifo de regulación 11, hasta obtener una diferencia de temperatura
de aproximadamente 10°; efectuar luego la lectura del caudal de agua mediante
el fluxómetro 9 y anotar los datos visualizados en la Tabla 3.8.
f) proceder con las mediciones sobre el segundo refrigerador análogamente a loefectuado en el punto e) para el primer refrigerador: medir las temperaturas del
aire a la entrada (T3) y a la salida (T4), luego las temperaturas del agua a la
entrada (T6) y a la salida (T8); en el caso en que la diferencia (T8 – T6) resultase
particularmente contenida, reducir el caudal de agua que circula en el cambiador
mediante el grifo de regulación 12, hasta obtener una diferencia de temperatura
de aproximadamente 10°; efectuar luego la lectura del caudal de agua por medio
del fluxómetro 10 y anotar los datos visualizados en la Tabla 3.8.
g) intervenir sobre la válvula de regulación 17, cerrándola parcialmente: esto
provocará un aumento de la presión de envío en el depósito 14; esperar luego el
tiempo necesario hasta que la presión al interno del depósito se estabilice yrepetir las operaciones expuestas en los puntos d), e) y f), anotando en las Tablas
3.7 y 3.8 los valores visualizados.
h) repetir el procedimiento hasta alcanzar la presión de intervención del
arrestoneumático o del presóstato de máxima, anotando de vez en vez en las
Tablas 3.7 y 3.8 las lecturas de los valores de presión, de temperatura y de
caudal.
i) utilizando las ecuaciones del § 3.5.1, completar la Tabla 3.9, calculando los
valores de las potencias térmicas y diagramándolos luego en el gráfico de la fig.
3.6.
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3.5.3 Experiencias de laboratorio
Presiónenvío
1ª faseM1
Relaciónmanom.1ª fase
βI
Presiónenvío
2ª faseM2
Relaciónmanom.2ª fase
βII
⋅
m 1 caudal
aire
medida
Presiónfluxóm.
M5
Temp.fluxóm.
T10
⋅
m Caudal
aire
efectivo(bar) (bar) (Nm³/h) (bar) (°C) (kg/h)
Presión ambiente:.............. Temperatura ambiente:..............
Tab. 3.7 - Medición presiones y caudales de aire en función de las relaciones manométricas
de compresión I de la 1ª fase y II de la 2ª fase.
Temp.aire
entr.1° refr.
T1 (°C)
Temp.aire
sal.1° refr.
T2 (°C)
Temp.agua
entr.1° refr.
T5 (°C)
Temp.agua
sal.1° refr.
T7 (°C)
Caudalagua
1° refr.mIref
(kg/h)
Temp.aire
entr.2° refr.
T3 (°C)
Temp.aire
sal.2° refr.
T4 (°C)
Temp.agua
entr.2° refr.
T6 (°C)
Temp.agua
sal.2° refr.
T8 (°C)
Caudalagua
2° refr.mIIref
(kg/h)
Tab. 3.8 - Medición temperaturas y caudales de agua refrigerante
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0
0.5
1
1.5
2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Q
(kW)
Fig. 3.6 - Potencias térmicas sustraídas en el primero y en el segundo refrigerador en función
de las relaciones manométricas de compresión I de la 1ª fase y II de la 2ª fase.
3.5.4 Análisis de los resultados
La potencia térmica a sustraer para la refrigeración del aire comprimido presenta un
desarrollo creciente con el aumentar de β, en base a lo visto a propósito del desarrollode los incrementos de temperatura sufridos por el fluido por efecto de la compresión.
Cabe observar además que errores aun modestos en la lectura de las temperaturas
pueden comportar errores notables en la determinación de la potencia térmica sustraída:
así, por ejemplo, en el caso en que el incremento de temperatura del agua refrigerante
sea igual a solos 10°, un error de 1° en la lectura de la temperatura del agua produce
evidentemente un error del 10% aproximadamente en la determinación de la potencia
térmica sustraída por el refrigerante.
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3.6 Medición de los caudales de aire comprimido condispositivos de estrangulación
3.6.1 Notas de teoría
En el estudio de los compresores alternativos, así como en el estudio de los
circuitos neumáticos, es necesario frecuentemente efectuar mediciones del caudal, como
ya evidenciado en el curso de las experiencias precedentes; para esta tarea no siempre
son utilizables los fluxómetros, sea por razones de coste como por razones de espacio,
mientras que es muy difundido el empleo de dispositivos de estrangulación, como
diafragmas y toberas, los cuales pero no permiten la visualización inmediata y directa
del caudal medido, como los fluxómetros, sino que permiten la determinación del
caudal sólo por vía indirecta a través del empleo de relaciones analíticas. Objeto de la
presente experiencia es por lo tanto el de efectuar mediciones de caudal tanto mediante
un fluxómetro (n. 18, fig. 2.1), como por medio de diafragmas de diferentes
dimensiones (n. 19-20-21, fig. 2.1), comparando los resultados obtenidos con los
diversos tipos de medidores.
En cuanto se refiere al caudal mediante el fluxómetro, valen las indicaciones citadas
en el § 3.2.1, mientras que por lo que concierne la medición del caudal por medio de
diafragmas, se puede observar lo siguiente.
El diafragma (v. fig. 3.7) crea un estrechamiento de la secció