Eficiencia Energética de los Compresores Reciprocantes a lo largo de la cadena energética 1 Agradeceremos nos haga llegar su opinión sobre el uso de este procesador y si le ha sido útil su contenido

Conocimientos básicos. Trabajo de compresión.
Trabajo optimo.
Variación de la cantidad W ideal en relación con las etapas de compresión
El trabajo eléctrico que realiza un motor de inducción
Calculador. Estructura del procesador
Análisis del sistema a lo largo de la cadena energética. FRED
Panel de salida. Resultados del procesador , energía y CO2 x hora

¿Qué informaciones se presentan en estas páginas?

Encontrará en el contenido siguiente, los conocimientos básicos e informaciones técnicas del trabajo de compresión, para aquellos compresores que son accionados por motores eléctricos.

¿Cuándo y cómo podemos optimizar el gasto energético?. Se explica cómo optimizar el consumo energético en los sistemas motor - compresor - redes y uso del gas comprimido.

Se realiza el análisis de eficiencia de este tipo de sistema de manera integral, considerando las pérdidas a lo largo de la cadena energética y las emisiones de CO2 que se generan, partiendo o tomado la base del Fuel Oil primario empleado en la generación eléctrica. Se efectúan comparaciones para dar a conocer la magnitud de estas pérdidas.

Llegar a conocer estos números, estar consciente de los resultados de la baja eficiencia operativa de la mayoría de los sistemas energéticos que hoy actúan a nuestro alrededor, se convierte en una obsesión por hacerse comprender, en una pasión por hacer todo lo que esté a nuestro alcance para mejorar globalmente esta situación. ¿Qué si podemos hacerlo?. Sí, sí podemos hacerlo, solo tenemos que comprender este impacto destructor sobre nosotros mismo y ponernos a trabajar colaborativamente. Lo más importante es, qué sabemos cómo hacerlo y dónde debemos hacerlo.

Lea previamente las bases del cálculo energético y términos empleados para el diseño de este procesador de cálculo energético. Es necesario que esté informado en el procedimiento que se sigue y que deberá emplear usted al utilizar el calculador. Tenga en cuenta las unidades de trabajo que el procesador utiliza.

Calculador de la Eficiencia para Compresores Reciprocantes. Un cálculo rápido para determinar le eficiencia en el sistema motor eléctrico - compresor así cómo la cantidad de kg/h de CO2 que se emiten a la atmósfera por este trabajo.

El procesador está diseñado en tres páginas donde se realizarán los cálculos de la forma siguiente:

Página 1: eficiencia_compresión_motorelect donde se calculará el trabajo eléctrico sobre el motor que acciona el compresor, de no conocerse la potencia instalada. El trabajo eléctrico se califica como el trabajo real que actúa sobre el motor compresor. El procesador determina que cantidad de energía se transfiere al eje del compresor, conocida la eficiencia del motor eléctrico.

Página 2: eficiencia_compresión_compresor donde se calculará el trabajo ideal que hace el compresor sobre el gas que comprime. El trabajo de compresión sobre el gas, se calculará en base a relaciones teóricas y bajo consideraciones ideales, por lo que se califica como trabajo ideal. Al asumir una base ideal, el resultado que se obtiene coincide con la menor cantidad de trabajo posible para ejecutar el trabajo sobe el gas, diríamos, con un 100 % de eficiencia, lo que en la naturaleza es más que imposible. De ahí que cuando se compare el trabajo real con el ideal, exista una diferencia notable. La diferencia entre ambas cifras estará compuesta por la sumatoria de las pérdidas de energía en el sistema, más la irreversibilidad que existe en el proceso de compresión. Se diferencia del total del trabajo ideal, la cantidad de energía que en forma de calor ha sido transferida al gas y que será obligatorio restarle en diferentes usos o para poderlo recomprimir, en el caso de compresores de varias etapas.

Página 3: eficiencia_compresores. Pérdidas en redes neumáticas y las herramientas donde se cuantificarán las pérdidas en transmisión - distribución y uso del gas comprimido. Para el gas Aire comprimido, muy empleado como portador energético para accionar herramientas y maquinarias neumáticas, se agrega esta página al procesador, en la que se determinan las pérdidas en el sistema de transmisión, distribución y uso de las herramientas.

El orden de procesamiento del calculador debe cumplirse. Primero realizar el cálculo según instrucciones de la página 1 y después ir a la página 2 y seguir a la 3. Entre estas páginas se transfieren un grupo de variables que de no seguirse el orden, no estarán presentes en la segunda y tercera página.

Conocimientos básicos.

Trabajo de compresión. (Base: isentrópico, proceso reversible - gas ideal) para cada tapa de compresión.

v1 es el volumen del aire aspirado a la presión p1. Cuando se aspira de la atmósfera p1=1 atm, 14.7 lb/plg2 abs.
p2 es la presión de descarga
k es el coeficiente politrópico ideal = 1.3 para el aire
W es el trabajo realizado sobre el volumen v1, bajo condiciones de temperatura y presión en la aspiración. En la medida que la temperatura en la entrada al cilindro sea menor, menor es el valor de v1 y menor también es el trabajo realizado. Las unidades de W son en joule, kcal o Btu por unidad de masa, kg o lb.

Así que conociendo la presión de succión del compresor y la de descarga, para un volumen específico unitario, podremos determinar el trabajo de compresión para cada etapa. Si se tiene un compresor de varias etapas, hay que realizar el cálculo para cada etapa independientemente y el trabajo total será igual a la suma de cada uno de los resultados por etapa. En este caso el volumen comprimido es el mismo,( la masa es la misma para todas las etapas) y variarán las presiones y temperatura de succión (p1, t1) y de descarga (p2,t2) en cada etapa.

El trabajo que se entrega al gas durante la compresión se emplea en elevar su energía interna y la entalpía del gas. Por eso la temperatura del volumen (o de la masa) , al final de la compresión, es mucho más alta que al inicio del proceso. El calor o entalpía ganado por el gas es energía que perdemos, pues generalmente para utilizar el gas, transportarlo o recomprimirlo hay que enfriarlo. Recordemos que el volumen específico de los gases aumenta con la temperatura. En la medida que el proceso de compresión sea más eficiente, menor será la temperatura final y la cantidad de entalpía ganada por el gas.

Trabajo optimo. Podemos comprobar que en las máquinas de varias etapas, el trabajo total tiende al mínimo cuando las cantidades de trabajo parciales también tienden a ser iguales o aproximadas. De igual forma, el trabajo ideal tiende a ser menor, en la medida que se incrementen las etapas intermedias de compresión.

Los valores de las presiones intermedias se pueden calcular igualando el trabajo entre etapas. Así tenemos que para dos etapas, si el trabajo W1 se iguala al trabajo W2, se puede despejar la relación de las presiones descarga/succión, las que también se igualarán. Finalmente se despejará la presión intermedia, quedando en función de la presión de succión y la presión de descarga. En el caso de 3 etapas W1=W2=W3 y así sucesivamente. El razonamiento se muestra en la Tabla a continuación:

Número etapas	p1 succión	p2 descarga	presión intermedia px, py ó pz	Relaciones de igualdad	Expresiones
1	p1	p2
2 W1=W2	p1	p2=px		px/p1=p4/px
	p3=px	p4	px		px= (pi*pn4)^(1/2)
3 W1=W2=W3	p1	p2=px		px/p1=py/px=p6/py
	p3=px	p4=py	px		px=(pi^2*pn6)^(1/3)
	p5=py	p6	py		py=(pi*pn6^2)^(1/3)
4 W1=W2=W3=W4	p1	p2=px		px/p1=py/px=pz/py=p8/pz
	p3=px	p4=py	px		px=(pi^3*pn8)^4
	p5=py	p6=pz	py		py=(pi*pn8)^2
	p7=pz	p8	pz		pz=(pi*pn8^3)^4

Comprobemos esta afirmación tomado como base un ejercicio ideal, determinando el trabajo para realizar la compresión en 1 etapa y comparando el resultado para las variantes de 2, 3 y 4 etapas. El procedimiento se explica en la Tabla que sigue:

Variación de la cantidad W ideal en relación con las etapas de compresión. Base: aire; k=1.3; a p1=14.7 lb/plg2; t1=90 ºF; p2=147 lb/plg2; v1 = 100 pie3/min a cond. succ.;
Número etapas	pi succion	px	py	pz	pn descarga	W etapa	W total
1	14.7				147	-18.63	-18.63
2	14.7	(14.7*147)^(1/2)=46,5				-7.80
		46.5			147	-7.79	-15.59
3	14.7	px=(14.7^2*147)^(1/3)=31.67				-4.90
		py=(14.7*147^2)^(1/3)=	68.23			-4.90
		68.23			147	-4.90	-14.7
4	14.7	px=(14.7^3*147)^4=26.14				-3.58
		py=(14.7*147)^2=46.48	46.48			-3.58
		pz=(14.7*147^3)^4=		82.66		-3.58
		82.66			147	-3.58	-14.32

Se confirma que el trabajo realizado se hace menor en la medida que la compresión cuenta con más etapas. Por supuesto, esto tiene un costo y a más etapas, mayor es el costo de inversión del compresor, el costo de operación, el consumo de agua de enfriamiento y los costos de mantenimiento. Existe un balance económico para cada aplicación, en función de los costos de la energía que mueve el compresor y otros factores a tomar en cuenta. Un criterio pudiera ser que para cualquier gas, partiendo de la presión cercana a la atmosférica, a más de 75 lb/plg2 en la descarga resultaría económico tomar en cuenta dos etapas y que a presiones superiores a 150 lb/plg2 pasar a 3. En cada etapa se considera un enfriamiento intermedio, de manera de reducir la temperatura del gas a la succión de la etapa que sigue.

Al final, aún este trabajo es ideal. El trabajo real es algo superior, pues hay pérdidas internas que debemos considerar. Los rozamientos internos o la fricción, producen pérdidas mecánicas. En el recorrido del pistón dentro del cilindro, no todo el volumen que barre se llena del gas que succiona, por lo que también existen pérdidas volumétricas. Conocidas estas pérdidas, se suman al trabajo ideal y se tiene por resultado el trabajo real.

De la expresión anterior podemos razonar que en la medida que la temperatura en la aspiración sea menor, resultará que la densidad del gas será mayor y la máquina tendrá mejor rendimiento, al poder comprimir más kilogramos en cada cilindrada. En la misma ecuación podemos comprobar el efecto en cadena que se produce. Si disminuye la temperatura de aspiración, también disminuye la presión de descarga y la relación presión de descarga - presión de succión. Si este cociente se hace menor, el trabajo ideal realizado también se hace menor, es decir, se realiza el trabajo de compresión con menos gasto de energía, sea eléctrica, sea diesel por utilizar un motor de combustión interna.

Por eso, cuando nos paramos frente a una máquina de compresión, comprobamos que a la entrada de cada etapa de compresión el gas pasa a través de un enfriador, ya mencionado antes.

El compresor es accionado por un motor eléctrico o un motor mecánico, de combustión interna o de vapor. Si conocemos el trabajo que desarrolla el motor que actúa, entonces podemos relacionarlo con el trabajo de compresión para cada etapa. Esta comparación nos informa sobre la eficiencia energética. En esa comparación se fundamenta el Calculador de Eficiencia para Compresores Reciprocantes.

El trabajo eléctrico que realiza un motor de inducción.

También se puede calcular la potencia activa que desarrolla el motor eléctrico, si este es el caso, conocida su tensión eléctrica, (V) volt, la corriente nominal (I), amp y el factor de potencia (cos f ) que toma el motor. Teniendo en cuenta si el motor es monofásico o trifásico, esta puede ser calculada por la expresión:

monofásico P = (V,volt )* (I,amp) * (cos (f))
trifásico P =1.7321 [(V,volt )* (I,amp) * (cos (f))]

La version del Calculador de Eficiencia para Compresores Reciprocantes que aquí le ofrecemos, se ajusta a los motores de accionamiento eléctrico, exclusivamente, considerando que ésta es la alternativa más difundida en la industria mundial.

Estructura del procesador:

Primero,determinar el trabajo real basado en el consumo de energía eléctrica de la maquinaria que acciona al compresor y la energía primaria equivalente asociada, base: Fuel_Oil. La tarea se realiza en la página 1.

Segundo, conocida la presión y la temperatura de succión, el tipo de gas que se comprime, el volumen de gas en la unidad de tiempo y la presión y temperatura de descarga, calcular el trabajo ideal que tiene asociado el proceso de compresión, para cada etapa del compresor. Este cálculo se realiza en la página 2.

El procesador en la página 2 también determina la cantidad de agua de enfriamiento necesaria para enfriar el gas comprimido, desde la temperatura de salida (t2) hasta 80 ºF y considerando como base una diferencia de temperatura en el agua de enfriamiento de 18 ºF.

Tercero: Determinar las pérdidas en transmisión - distribución del gas comprimido. Esta tarea se realiza en la página 3. Al final se contabilizan y ponderan todas las pérdidas durante la cadena energética.

Para pasar a la página siguiente debe registrar los datos. El procesador validará la información, muestra el resultado del calculador y posteriormente muestra el panel de salida. Junto aparecerá un link para transferir la información a la siguiente página. Se utilizan las unidades inglesas en el conjunto de calculadores.

Cuarto:El procesador está diseñado de manera que cuando se concluye el cálculo en la página final, Sistemas de transmisión - distribución u uUtilización de la energía del del gas comprimido.- Redes. se eliminan las variables que han sido reservadas y transferidas entre las páginas del procesador.

Nuevos cálculos requieren comenzar el proceso desde la primera página "Eficiencia Energética de los Compresores Reciprocantes a lo largo de la cadena energética".