Compresor centrífugo: diagrama, piezas, funcionamiento, eficiencia, ventajas

a) Ocupa una longitud menor que un compresor de flujo axial equivalente.
b) Tiene mejor resistencia al daño por objetos extraños.
c) Debido a la longitud de paso relativamente corta, la pérdida de rendimiento debido a la acumulación de depósitos en las superficies de las palas no será tan grande como la de los compresores de flujo axial.
d) Puede funcionar razonablemente bien en una atmósfera contaminada en comparación con el compresor de flujo axial.
e) Tiene la capacidad de operar en una amplia gama de caudales másicos a cualquier velocidad de rotación específica.
f) Su rendimiento, en las circunstancias más favorables, es inferior al de los compresores axiales diseñados para la misma función, hasta en un 3 o 4%.
g) Sin embargo, con un flujo másico muy bajo, la eficiencia del compresor de flujo axial cae, las palas son pequeñas y la ventaja parece residir en el compresor centrífugo en su relativa simplicidad y coste.

compresor centrífugo

Piezas del compresor centrífugo:

Piezas del compresor centrífugo y su función.

Los componentes principales de un compresor centrífugo se muestran en la figura y los detalles de cada pieza se dan a continuación.
1. Carcasa de entrada con boquilla aceleradora (convergente)
2. Paletas guía de entrada (IGV)
3. Impulsor
4. Difusor
5. Rollo o voluta
6. Sección de inductores

Diagrama del compresor centrífugo:

Piezas del compresor centrífugo

1. Carcasa de entrada con boquilla aceleradora

• La función de la carcasa de entrada es acelerar el fluido desde su condición inicial hasta la entrada de las paletas guía de entrada y proporcionar una velocidad uniforme en el ojo.
• La brida de entrada es simétrica en el eje y el conducto de entrada tiene la forma de una boquilla convergente simple.
• La salida de la caja de entrada se conoce como ojo del impulsor.

2. Paletas guía de entrada (IGV)

• La función de las paletas guía de entrada es dirigir el flujo en la dirección deseada en la entrada del impulsor.
• Las paletas guía de entrada deben elegirse para obtener un número de Mach relativo mínimo en la punta del ojo.

3. Impulsor

• La función del impulsor es aumentar el nivel de energía del fluido girándolo hacia afuera y aumentando el momento angular del fluido. (Ver figura)
• Tanto la presión estática como la velocidad del fluido aumentan en el impulsor.
• Las paletas del impulsor ayudan a transferir energía del impulsor al fluido.
• El cubo es la superficie curva de revolución del impulsor AB.
• La cubierta es la superficie curva CD que forma el límite exterior del flujo de fluido.
  (Cubrir un impulsor elimina las pérdidas por fugas en la punta pero al mismo tiempo aumenta las pérdidas por fricción).
• Los impulsores se pueden cerrar con la cubierta unida a los extremos de las paletas (llamados impulsores revestidos) o abrir con un pequeño espacio entre los extremos de las paletas y la pared estacionaria.

4. Un difusor formado por una serie de conductos fijos divergentes en los que se desacelera el aire con el consiguiente aumento de la presión estática.

compresor centrífugo

5. Rollo o Voluta

• El aire que sale del difusor se recoge en un pasaje en espiral conocido como voluta o espiral y la voluta descarga el aire a través del tubo de distribución.
• Para pasar la voluta se utilizan diferentes secciones transversales: rectangular, circular y trapezoidal.

6. Sección de inductores

• En la entrada del impulsor, el flujo relativo tiene una velocidad Vr1, formando un ángulo α1 con el eje de rotación, como se muestra en la Fig.
• Este flujo relativo es dirigido en dirección axial por la sección de inducción o por las paletas guía giratorias.
• El inductor comienza en el ojo y normalmente termina en la región donde el flujo comienza a girar en dirección radial.

sección inducida en el impulsor

Principio de funcionamiento del compresor centrífugo:

El aire es aspirado por el ojo del impulsor y el disco del impulsor lo hace girar a alta velocidad. En cualquier punto del flujo de aire a través del impulsor, la aceleración centrípeta se logra mediante un cabezal de presión, de modo que la presión del aire estático aumenta desde el ojo hasta la punta del impulsor. El resto del aumento de presión estática se logra en el difusor, donde la muy alta velocidad del aire que sale de la punta del impulsor se reduce a casi la velocidad a la que el aire entra en el ojo del impulsor.

Compresor centrífugo de entrada y salida única

Normalmente, aproximadamente la mitad del aumento total de presión se produce en el impulsor y la otra mitad en el difusor. Debido a la acción de las paletas al transportar aire con el impulsor, hay una presión estática ligeramente mayor en el lado frontal de la paleta que en la parte posterior. Por tanto, el aire tenderá a fluir alrededor del borde de las paletas en el espacio libre entre el impulsor y la carcasa. Esto da como resultado una pérdida de eficiencia y la holgura debe mantenerse lo más pequeña posible. A veces, una cubierta unida a las palas, como se muestra en la Figura (d), puede eliminar dicha pérdida, pero se evita debido al aumento de la pérdida por fricción del disco y a las dificultades de fabricación.

Generalmente se emplean hojas rectas y radiales para evitar cualquier tensión de flexión indeseable en las hojas. La elección de las palas radiales también determina que el aumento total de presión se reparta equitativamente entre el impulsor y el difusor.

Variación de presión y velocidad en un compresor centrífugo:

variación de presión y velocidad a través del compresor centrífugo

• El aire ingresa al compresor en un radio medio con baja velocidad V1 y presión atmosférica P1, como se muestra en la Fig.
• Luego se acelera a alta velocidad V2 y presión P2, dependiendo de la acción centrífuga del impulsor.
• El aire ahora ingresa al difusor donde su velocidad se reduce a algún valor V3 y la presión aumenta a P3.
• En la práctica, aproximadamente la mitad del aumento total de presión por etapa se logra en el impulsor y la mitad restante en el difusor.

Diagrama de velocidad del compresor centrífugo.

• Los diagramas de velocidad en la entrada y salida del impulsor de un compresor centrífugo se muestran en las figuras (a) y (b).
• En el análisis del compresor centrífugo se hacen las siguientes suposiciones:
  (i) El fenómeno del flujo es constante y uniforme en todas partes.
  (ii) No hay separación de flujo.
  (iii) El flujo a través del impulsor no tiene fricción.
  (iv) No se producen ondas de choque en ninguna parte.

A continuación se muestran las notaciones utilizadas en el análisis de un compresor centrífugo.
Echemos;
α1 = Ángulo de salida de la paleta guía en la entrada = ángulo absoluto en la entrada
β1 = Ángulo de entrada al rotor o impulsor
β2 = Ángulo de salida del rotor o impulsor
α2 = Ángulo de entrada al difusor o estator
u1 = Velocidad media de la hoja en la entrada
u2 = Velocidad media de la hoja en la salida
V1 = Velocidad absoluta del aire en la entrada del rotor
V2 = Velocidad absoluta del aire a la salida del rotor
Vr1 = Velocidad relativa del aire en la entrada de las palas del rotor l
Vr2 = Velocidad relativa del aire en la salida de las palas del rotor
Vw1 = Velocidad de rotación en la entrada (componente tangencial de la velocidad absoluta 1 V)
Vw2 = Velocidad de rotación en la salida (componente tangencial de la velocidad absoluta 2 V)
Vf1 = Velocidad del flujo en la entrada (componente de 1 V perpendicular al plano de rotación)
Vf2 = Velocidad del flujo en la salida (componente de 2 V perpendicular al plano de Rotación).
m = flujo másico, kg/s

(i) Si no hay remolino previo, el aire ingresa al ojo del impulsor en dirección axial, α1= 90 grados, Vf1= V1, Vw1= 0 y el aire saldrá del impulsor en dirección radial β2= 90 grados, Vf2 =Vr2 y Vw2 = Vu2

Diagrama de triángulo de velocidad para compresor centrífugo: cuando α1 = 90 grados, β2 = 90 grados

(ii) Si el aire entra por el ojal del impulsor en una dirección axial α1 = 90 grados, pero el aire no sale del impulsor en una dirección radial β2 <90 grados, Vr2 ≠ Vf2 y Vw2

Diagrama de triángulo de velocidad para compresor centrífugo.

Eficiencia del compresor centrífugo:

Eficiencia isentrópica:

• El proceso de compresión en un compresor alternativo puede acercarse a la compresión isotérmica debido a la baja velocidad, el enfriamiento del cilindro y el enfriamiento entre etapas.

Pero en compresor centrífugo; Al trabajar a alta velocidad, se produce mucha fricción entre las moléculas de aire, entre el aire y los pasos de las palas, formación de remolinos y golpes en la entrada y en la salida.

Estos factores provocan la generación interna de calor y en consecuencia la temperatura máxima alcanzada sería superior a la de la compresión adiabática.

Por lo tanto, el índice de compresión de la compresión rotativa no refrigerada puede ser tan alto como 1,7 y el alto valor del índice de compresión requiere una gran cantidad de trabajo de compresión y este valor se puede reducir rodeando los conductos de aire con camisas de agua fría y el uso de intercoolers. .

Pero generalmente es imposible proporcionar suficiente enfriamiento para llevar la curva de compresión a la izquierda de la línea isentrópica.

Es por ello que el criterio de eficiencia termodinámica de un compresor alternativo es isotérmico, mientras que el de los compresores rotativos es de compresión isentrópica.

"La eficiencia isentrópica se define como la relación entre el trabajo isentrópico requerido para comprimir aire de P01 a P02 y el trabajo real requerido para la misma relación de presión".

Eficiencia isentrópica = Trabajo de compresión isentrópica / Trabajo de compresión real

Ventajas del compresor centrífugo:

a.) En comparación con otros compresores, es relativamente ágil y fácil de fabricar.

b.) Como este compresor no requiere ninguna base especial, es altamente confiable y eficiente desde el punto de vista energético.

c.) Se componen de un pequeño número de piezas de fricción y no contienen absolutamente ningún aceite.

d.) Genera una relación de presión por etapa más alta que el compresor de flujo axial.

Desventajas del compresor centrífugo.

a.) Producen una cantidad de presión limitada y no son adecuados para compresiones muy altas.

b.) Como trabajan a una velocidad relativamente alta, se requiere un montaje ilustrado o mundano.

c.) Son muy sensibles a problemas como bloqueo y asfixia.

Aplicaciones de compresores centrífugos:

En turbinas de gas y unidades de energía auxiliar.

En turbocompresores y sobrealimentadores de motores de automoción y diésel.

En compresores de gasoductos para transportar gas desde el sitio de producción hasta el consumidor.

En refinerías de petróleo, procesamiento de gas natural, plantas petroquímicas y químicas.

Aire acondicionado, refrigeración y HVAC: los compresores centrífugos a menudo proporcionan compresión en los ciclos de enfriamiento de agua.

En plantas de separación de aire para la fabricación de gases purificados del producto final.

En la reinyección de gas natural a alta presión en campos petroleros para mejorar la recuperación de petróleo.

Los edificios grandes con cargas de refrigeración que superan las 400 toneladas de refrigeración o 1400 kW suelen utilizar enfriadores enfriados por agua con compresores centrífugos o compresores Turbocor dentro del sistema de refrigeración de la planta central.

Diferencia entre compresor centrífugo y compresor de flujo axial:

La comparación del compresor de flujo centrífugo y axial es la siguiente:

Sr. No. Compresor centrífugo Compresor de flujo axial 1. El flujo es perpendicular al eje del compresor. El flujo de aire es paralelo al eje del compresor. 2. Bajos costos de fabricación y operación. Altos costos de fabricación y operación. 4. No apto para etapas múltiples. Adecuado para etapas múltiples. 5. Requiere un área frontal grande para un caudal determinado. Requiere menos área frontal para un caudal determinado. 6. La relación de presión por etapa es 4:1. La relación de presión es de 1,1 a 1,2,7. La eficiencia isentrópica es del 70%. La eficiencia isentrópica es del 80%. 8. Utilizado en motores IC sobrealimentados y para refrigerantes y gases industriales.

Diferencia entre compresor centrífugo y compresor alternativo:

Sr. Sin parámetros Compresor alternativo Compresor centrífugo 1.EquilibrioSe produce un problema de vibración y equilibrio deficiente.Mejor equilibrado; porque no hay una pieza alternativa. 2. Eficiencia mecánica Menos eficiencia debido a más miembros deslizantes y rodantes Más debido a menos miembros rodantes. 3. Relación de presión La relación de presión por etapa es alta, aproximadamente de 5 a 8. La relación de presión por etapa es alta, aproximadamente de 3 a 4.5. 4. Costo inicial Alto Menos 5. Presión de entrega Capaz de entregar alta presión. Capaz de proporcionar presión media. 6. Capacidad Maneja volúmenes pequeños Maneja volúmenes grandes 7. Flexibilidad Más flexible con capacidad y rango de presión. 2. Mayor relación de compresión por debajo de 2,9. Velocidad Adaptabilidad para motores de baja velocidad Adaptabilidad para motores de alta velocidad y bajo costo de mantenimiento, como una turbina. y presión media y grandes volúmenes de gas.