Conceptos básicos de los compresores de aire centrífugos Parte II - Comprensión de la curva de rendimiento básico

Por Hank van Ormer, Editor colaborador

La Parte I explicó la terminología necesaria para comprender las operaciones centrífugas. La Parte II revisa las curvas de rendimiento operativo típicas y cómo interpretarlas.

Un compresor de aire centrífugo opera en un rango de flujos y presiones de descarga. La curva de rendimiento operativo está conformada por los componentes internos individuales seleccionados y se ve afectada por las condiciones de funcionamiento, como la presión de entrada, la temperatura de entrada y la temperatura del agua de refrigeración.

El proceso de compresión dinámica, tal como se aplica en una etapa operativa del compresor centrífugo, es la velocidad y la energía cinética convertida a presión y temperatura a medida que el flujo se restringe. Otro término para este proceso es flujo másico : el requisito de potencia para entregar el cfm nominal de flujo a la presión nominal (psig) está determinado por el peso del aire (algunos fabricantes también usan el término "densidad").

El requisito de potencia en este tipo de proceso de compresión, cuando no se consideran las piezas de diseño interno, depende básicamente del peso del aire que pasa por la máquina. Ignorar las cargas parciales controla cualquier cosa que aumente o disminuya el peso del aire que pasa por las etapas hasta el flujo final, y la presión tendrá un impacto directo en la potencia de entrada.

Figura 1a. Efecto de la temperatura del aire de entrada en la presión de descarga

Figura 1b. Efecto de la temperatura del aire de entrada en el poder

El aumento de la temperatura de entrada aligerará el flujo de aire total fijo y entregará menos aire utilizable al usuario (scfm) y reducirá el requerimiento de potencia de entrada. Temperaturas más frías producirán el efecto opuesto.

Reducir la presión de entrada (altitud, presión negativa del ambiente del compresor, filtro de entrada sucio / deficiente) aligerará el flujo de aire comprimido (cfm) que viaja a través de las etapas, lo que resulta en menos aire utilizable (scfm) con un requerimiento de energía de entrada reducido. Una presión de entrada más alta tendrá el efecto opuesto.

El aumento de las temperaturas del agua de refrigeración volverá a tener el mismo efecto de "iluminación" en el aire comprimido a través de las etapas y los requisitos de potencia que las condiciones anteriores.

El efecto neto real de cualquiera de estas condiciones depende de la curva de rendimiento real y las características aerodinámicas del diseño. Este es también el caso de la presión de descarga con una rueda fija, o impulsor / difusor / velocidad, etapa del compresor.

El aumento de la presión de descarga normalmente dejará el efecto de elevar el peso de la corriente de aire comprimido a través de las etapas, lo que dará como resultado un menor flujo de aire utilizable (scfm) a menudo en o cerca de la misma potencia de entrada. Bajar la presión a menudo permitirá un mayor flujo a la misma entrada de potencia o similar. El rendimiento específico de la máquina real se trata más adelante en este documento.

Comprensión de las curvas de funcionamiento del fabricante centrífugo

Los datos deben ser ecualizados a:

• SCFM o Nm ³ / hora en cargas completas y parciales

• Potencia de entrada en kW

• Presiones en psig o bar (solo usando psia para convertir de icfm / acfm a scfm)

Figura 2. Curvas típicas de rendimiento centrífugo

¿Qué son Turndown, Stonewall y Rise to Surge?

Una vez que se diseña un impulsor y se establece una velocidad, se establece la energía que absorberá una libra de aire al pasar a través del impulsor.

Un compresor centrífugo liberará una libra de aire con un gasto constante de energía, tanto en invierno como en verano. El volumen real de aire de entrada a comprimir variará durante un período de tiempo con las condiciones de entrada de presión y temperatura.

Aumento de la elevación : a medida que se produce más aire comprimido de lo necesario, el compresor centrífugo debe descargar o entregar menos aire para evitar la sobrepresión. Cada compresor centrífugo tiene una presión máxima que puede alcanzar para condiciones de entrada específicas que harán que el flujo de aire se invierta y se active , apagando el compresor para evitar el daño de las vibraciones.

Esto es una simplificación excesiva de la acción de sobretensión, sin embargo, cada unidad tiene un aumento al límite de sobretensión o a la presión máxima. El decremento es el porcentaje por debajo del flujo de carga total que el compresor puede ejecutar sin experimentar un aumento repentino. Por ejemplo, una reducción del 15% significa que la unidad puede funcionar al flujo del 85% o más, según esté equipado sin golpear. En una disminución mayor, estará cerca o en aumento.

Muro de piedra : en algún momento, a medida que la descarga cae y el aire fluye a través de los aumentos a plena carga, las limitaciones físicas no permitirán que entre más aire a través de las etapas; este punto se conoce como muro de piedra . La operación continua en este punto o más puede ocasionar tasas de flujo tan altas con mayor diferencial de presión que los impulsores no llenará totalmente las áreas de paletas y se producirá una acción similar a la cavitación creando otro tipo de sobretensión con vibraciones potencialmente dañinas.

La Figura 3 es una representación de muestra de la curva de rendimiento del fabricante general y los datos pueden desarrollarse para una eficacia operativa proyectada y probable real.

Figura 3. Curvas de rendimiento de muestra para el compresor de carga completa a 125 psig

• 2,050 cfm a 125 psig a 430 HP (x .7457 = 321 kW)

• Descenso de carga de 1,535 cfm a 125 psig a 345 HP (x .7457 = 257 kW)

Utilizando las curvas de rendimiento operativo centrífugas para la optimización del sistema

Trabajar con un proveedor OEM y sus curvas de rendimiento operativo de manera efectiva ayudará a conducir a una aplicación exitosa. Para que el usuario pueda proporcionar al proveedor OEM los datos apropiados, el usuario debe estar familiarizado con la información presentada para comprender completamente y solicitar datos adicionales significativos, tales como:

• ¿Cuáles son las características de funcionamiento del impulsor / difusor con respecto al punto de inflexión, desconexión, potencia específica a plena carga, etc.

• ¿Cuál es el conjunto de impulsor / difusor estándar para una mayor capacidad de cobertura?

Controles de capacidad y paletas guía de entrada

Las curvas de rendimiento operativo en la Figura 4 muestran que había dos valores diferentes de kW de entrada de carga parcial para la válvula de mariposa de entrada (IBV) y la paleta de guía de entrada (IGV). Como todas las cosas en centrífugas, los datos reales son específicos de la máquina.

¿Por qué todo esto es significativo?

Cuando el compresor centrífugo diseñado y aplicado se queda sin cobertura, no puede seguir produciendo aire comprimido que el sistema no puede absorber, por lo que básicamente ocurre una de estas dos cosas:

• Un control de capacidad disponible de casi todos los fabricantes descarga el compresor cerrando la válvula de entrada y abriendo la válvula de descarga, lo que permite que la unidad funcione en modo inactivo a una potencia de entrada reducida sin flujo de aire.

Un refinamiento adicional permite que el motor se apague; cuanto más grande sea el motor de inducción, menos arranques por hora o por día. Este tipo de control puede ser muy efectivo y también depende del almacenamiento porque la recarga y / o reinicio de la unidad de clase de 100 psig puede tomar hasta 1 minuto o más. Las unidades de alta presión (de 500 a 550 psig) pueden demorar hasta 3 minutos más para llegar a la carga completa.

• El control de capacidad más comúnmente usado es el soplo. Cuando la unidad alcanza su apertura completa (según ajuste) la válvula de descarga se abre y expulsa el exceso de capacidad a la atmósfera. Los kW de entrada ya no se reducirán, independientemente de la reducción de la demanda de aire.

Figura 4. Comparación del control del compresor centrífugo

Paletas de guía de entrada típicas

La Figura 4 muestra la curva de rendimiento generada por el DOE (Departamento de Energía) para los controles de entrada de IBV (válvula de mariposa de entrada) o IGV (paleta de entrada) con una reducción nominal del 30%.

Los IGV no permiten más interrupciones, pero sí permiten la reducción de la demanda con una mejor eficiencia al reducir las pérdidas de turbulencia del aire que ingresa a los impulsores.

La tercera curva que se muestra en la Figura 4 representa una nueva tecnología de transmisión centrífuga con motores de cojinetes magnéticos. Este control es muy efectivo VSD (variador de velocidad) de 100% a 75% con la potencia de entrada directamente proporcional. Con la apertura completa, la unidad se descarga completamente en 7 a 12 segundos y puede cargarse en 12 a 15 segundos. La operación efectiva requiere un almacenamiento apropiado.

¿Qué pasa con la presión de descarga de agua de refrigeración?

La Tabla 1 muestra el rendimiento proyectado de unidades individuales a 85 ° F de agua de refrigeración y 60 ° F de agua de refrigeración a diferentes presiones de descarga.

Tabla 1. Unidad con un punto de sobrecarga natural de 135 psig a 85 ° F de refrigerante y 60 ° F de refrigerante

ME = nominal .95

Tabla 1 Notas: Desde una presión de descarga de 125 psig (85 ° F de agua de refrigeración) hasta una presión de descarga de 100 psig (60 ° F de agua de refrigeración), el flujo pasa de 1,572 pfm a 1,707 acfm; la potencia del eje va desde 334 bhp a 335 bhp (175 acfm más por 1 bhp); y la reducción del 35.8% al 51.2%.

Lecciones aprendidas

Este documento fue creado para identificar y explicar las definiciones detrás de los datos de rendimiento centrífugo y su importancia. Con esta información, el usuario puede trabajar con su proveedor OEM local o con grupos de ingeniería técnica para seleccionar y aplicar correctamente una unidad que se ajuste a las condiciones específicas del sitio de manera óptima.

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