La compresión de gas es un proceso que consume energía externa para que el gas adquiera presión y energía potencial. El compresor es el creador del gas comprimido. Por lo tanto, el rendimiento básico del compresor de aire de tornillo es inseparable de estos cuatro aspectos: presión, caudal, potencia y potencia específica.
Rendimiento básico del extremo de aire del compresor de aire de tornillo: presión
La obtención de la energía potencial de presión del aire comprimido es la función más básica de los compresores de aire, y los compresores de tornillo no son una excepción. El motor principal de estos compresores aumenta la presión del aire consumiendo energía externa. Cuanto mayor sea la presión, mayor será el consumo de energía y mayores serán los requisitos para el motor principal. Generalmente, dividimos los compresores de aire en cuatro categorías según su presión de salida:
Baja presión: 0,2~1,0 MPa
Presión media: 1,0~10 MPa
Alta presión: 10~100 MPa
Presión ultra alta: superior a 100 MPa
Los compresores de aire de tornillo suelen tener una presión de salida de 0,2 a 4,0 MPa, lo que significa que su rendimiento, viabilidad y economía son mejores en este rango. Esto viene determinado por la estructura y el modo de funcionamiento de la entrada de aire del compresor, y además es el segmento de presión con mayor demanda en el mercado.
La presión del aire comprimido que proporciona el compresor se mide principalmente mediante la relación de presión, que es la relación entre la presión de salida Pd y la presión de succión Ps. Cuanto mayor sea la relación, mayor será la presión de salida.
Fórmula ε=Pd/Ps (6)
Para el motor principal del compresor de aire de tornillo, existen relaciones de presión interna y externa.
Relación de presión interna: la relación entre la presión en el volumen entre los dientes del motor principal y la presión de succión, que está determinada por la posición y la forma de los puertos de succión y escape;
Relación de presión externa: la relación entre la presión en el tubo de escape y la presión de succión. Presiones de succión y escape requeridas para las condiciones de operación o el flujo del proceso.
Cuando la relación de presión interna es diferente de la relación de presión externa, el motor principal consume más energía; cuando la relación de presión interna es igual a la relación de presión externa, el motor principal se encuentra en su estado óptimo.
En el caso del motor principal del compresor de aire de tornillo, cuando el motor principal, la temperatura ambiente, la presión de succión, la velocidad del motor principal y otros factores son los mismos, cuanto mayor sea la presión de salida, mayor será el consumo de energía.
Rendimiento básico del extremo de aire del compresor de aire de tornillo: flujo
El caudal se compone generalmente de caudal másico y caudal volumétrico. En las especificaciones y normas industriales de los sistemas de compresores de aire, solemos utilizar el caudal volumétrico como método de medición, también conocido como caudal de escape o caudal nominal. Bajo la presión de escape requerida, el volumen de gas descargado por el compresor de aire por unidad de tiempo se convierte al estado de admisión, es decir, al valor volumétrico de la presión de succión en la tubería de admisión de la primera etapa y la temperatura y humedad de succión. La unidad es m³/min. El caudal volumétrico se divide en caudal volumétrico real y caudal volumétrico estándar.
Por lo general, las muestras, las selecciones y las placas de identificación de las máquinas utilizan caudales volumétricos estándar. Debido a la industria, la región y el uso, el caudal volumétrico estándar en el mercado del aire comprimido tiene dos definiciones según la diferencia en el estado estándar (temperatura, presión y componentes):
El estado estándar es una presión P=101,325 kPa; una temperatura estándar T=0 °C; y una humedad relativa del 0 %. Se suele encontrar en documentos de licitación o en la industria de gases, química o industrial, donde se denomina «cuadrado estándar», generalmente con el símbolo «VN» y la unidad Nm³/min.
Las condiciones estándar son: presión P = 101,325 kPa; temperatura estándar T = 20 °C; humedad relativa del 0 %. Se utilizan habitualmente en las normas de la industria del aire comprimido y se denominan «condiciones de trabajo estándar». El símbolo suele ser «V» y la unidad es m³/min.
Por lo general, el caudal volumétrico estándar utilizado en nuestra industria de compresores de aire es este último. La conversión del caudal volumétrico entre los dos estados se puede calcular mediante la fórmula:
V(m3/min)=1,0732VN(Nm3/min) Fórmula (7)
Para el motor principal del compresor de aire de tornillo, en las mismas condiciones, cuanto mayor sea la distancia entre centros del rotor, mayor será su caudal volumétrico; cuanto mayor sea la velocidad del motor principal, mayor será su caudal volumétrico.
V caudal volumétrico = qv volumen de compresión del motor principal × n velocidad de la cabeza Fórmula (8)
qv=CΨqv0Z1n=CΨCn1nλD3 Fórmula (9)
Donde Z1——número de dientes del rotor macho; n——velocidad del rotor macho; λ——relación de aspecto del rotor; D——diámetro exterior del rotor macho.
Por lo tanto, en aras de la economía, solemos reducir la variedad de motores principales y podemos ajustar el volumen de escape del compresor de aire determinando la velocidad del motor principal para satisfacer la demanda del mercado.
Sin embargo, la velocidad del motor principal del compresor de tornillo no puede ser infinitamente alta, generalmente se encuentra entre 800 y 10 000 rpm. Por lo tanto, el fabricante del motor principal del compresor de tornillo desarrolla motores con diferentes rangos de caudal volumétrico para satisfacer los requisitos de flujo del compresor.
Potencia específica y cálculo del extremo neumático del compresor de aire de tornillo
Potencia del eje consumida por el caudal volumétrico por unidad de tiempo cuando el compresor de aire está en funcionamiento. La unidad de potencia específica es: kW/(m³/min).
La fórmula de cálculo es la siguiente:
SER extremo de aire = Pd extremo de aire/qv Fórmula (10)
Pd compresor – potencia del eje del compresor;
qv – caudal volumétrico del compresor de aire por unidad de tiempo
Su valor de potencia específico es:
Unidad de aire SER = 117/23,1 = 5,065 (kW/(m3/min))
Cuanto menor sea la potencia específica del compresor de tornillo, menor será su consumo energético y mejor su rendimiento. En condiciones de caudal constante, cuanto mayor sea la presión de salida, mayor será la potencia del eje del compresor y, por lo tanto, mayor será su potencia específica.
Cada compresor de tornillo tiene un valor óptimo de potencia específica, que está relacionado con la velocidad del motor principal. Cuando la velocidad del motor principal es demasiado baja, aumentan las fugas, disminuye el volumen de gas y aumenta la potencia específica; cuando la velocidad del motor principal es demasiado alta, aumenta la fricción, aumenta la potencia del eje y aumenta la potencia específica. Sin embargo, debe existir una velocidad óptima que minimice la potencia específica. Por eso, no es necesariamente correcto afirmar que cuanto mayor sea el motor principal, mayor será su eficiencia energética.
Al diseñar compresores de tornillo y compresores de frecuencia variable, debemos garantizar la calidad, teniendo en cuenta la economía, la estandarización y la modularidad del motor principal. Por lo tanto, utilizaremos la curva de potencia específica del motor principal para diseñar y desarrollar compresores de tornillo con diferentes presiones y caudales.
Fecha de publicación: 17 de julio de 2024
