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TRABAJO DE INVESTIGACIÓN MOTORES RECIPROCANTES, TURBINAS DE GAS, BOMBAS Y COMPRESORES

MATERIA: PROCESO DE BOMBEO Y COMPRESIÓN DE HIDROCARBUROS DOCENTE: ING. ALFREDO VEGA UNIVERSITARIO: VLADIMIR ROMERO LUTINO TURNO: NOCHE FECHA: 09/01/2019

MOTORES RECIPROCANTES ¿Qué es un motor? Es una parte sistemática de una maquina capaz de hacer funcionar el sistema. Los motores se clasifican en:     

Motores térmicos Motores de combustión interna Motores de combustión externa Motores eléctricos Motores reciprocantes

¿Qué es un movimiento reciprocante? Movimiento oscilante de un cuerpo en una dirección alternándose con otro en sentido contrario.

¿Qué es un motor reciprocante? Un motor reciprocante o también conocido como motor de movimiento alternativo es un motor que utiliza uno o más pistones con el fin de convertir la presión en movimiento de rotación. Utiliza el vaivén (arriba y abajo) de movimiento de pistones para convertirla en energía. Todos los tipos de motores tienen uno o más pistones, que siguen el ciclo de cuatro tiempos. Su funcionamiento es el siguiente. Para comenzar el ciclo, una mezcla de combustible se introduce en el interior del cilindro a través del orificio de admisión, la aplicación del pistón a la parte inferior del cilindro. El pistón es empujado entonces hacia arriba, comprimiendo la mezcla de combustible y encendiéndolo a través de la bujía 0. El encendido empuja el pistón hacia abajo para proporcionar trabajo útil para el motor. Los residuos químicos obtienen una salida a través de la lumbrera de escape y el ciclo se repite.

Clasificación de motores reciprocantes De dos tiempos  

Admisión y compresión de la mezcla aire – combustible Combustión y escape de los gases de combustión

De cuatro tiempo    

Admisión del aire o de la mezcla aire – combustible. Compresión del aire de la mezcla. Expansión de los gases de combustión. Escape de los gases de combustión.

¿Cómo operan los motores reciprocantes?  

Ciclo Otto. Ciclo Diesel.

CICLO OTTO Un ciclo Otto ideal modela el comportamiento de un motor de explosión. También conocido por motor ha encendido por chispa. El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado, Se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante. Descripción termodinámica del ciclo Otto

Admisión (1): El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara. Esto se modela como una expansión a

presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como la línea recta E→A. Compresión (2): El pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso se supone que la mezcla no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción. Combustión: Con el pistón en su punto más alto, salta la chispa de la bujía. El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Esto se representa por una isócoro B→C. Este paso es claramente irreversible, pero para el caso de un proceso isócoro en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible. Expansión (3): La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible C→D. Escape (4): Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isocora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo. La diferencia entre el ciclo Otto y el ciclo diesel La diferencia más importante entre el motor de gasolina (conocido como motor Otto) y el motor diesel la encontramos en su ciclo teórico. El motor de encendido por chispa funciona según el ciclo Otto y el de encendido por compresión según el ciclo diésel. La otra diferencia importante está en el encendido: en el motor de gasolina Otto el encendido se realiza mediante la chispa provocada por la bujía , mientras que en el motor diesel, el encendido se realiza por la compresión del combustible.

PARTES DEL MOTOR RECIPROCANTE

TURBINA DE GAS DEFINICION Una turbina de gas es un motor térmico rotativo de combustión interna. • Se puede decir que una turbina es un aparato de conversión de energía. • Energía almacenada en el combustible en energía mecánica útil en forma de energía rotacional.

TIPOS DE TURBINAS • Turbina de gas Aeroderivadas. Provienen del diseño de turbinas de para fines aeronáuticos, pero adaptadas a la producción de energía eléctrica en plantas industriales o como micro turbinas.

• Turbina de cámara de combustión tipo silo. En estos diseños la cámara aparece dispuesta sobre la parte superior de la turbina. Los inyectores se instalan atravesando el techo superior de la cámara, y los gases de escape llegan a la turbina de expansión por una abertura inferior conectada a ésta. Su diseño no está muy expandido, y se restringe a turbinas de H2 y otros combustibles experimentales.

• Turbina de gases industriales. La evolución de su diseño se ha orientado siempre a la producción de electricidad, buscándose grandes potencias y largos periodos de operación a máxima carga sin paradas ni arranques continuos. Su potencia de diseño puede llegar a los 500 MW, moviendo grandes cantidades de aire a bajas velocidades, que pueden aprovecharse en posteriores aplicaciones de cogeneración. Su mantenimiento debe realizarse in si-tu debido a su gran tamaño y peso, buscándose alargar lo más posible en el tiempo las revisiones completas del equipo.

• Turbina mono eje. El compresor, turbina de expansión y generador giran de forma solidaria con un único eje de rotación. La velocidad de giro es en la inmensa mayoría de los casos de 3000 rpm, forzado por la frecuencia que debe tener el rotor del generador eléctrico al verter a la red general (50 Hz). Es el diseño usual en las grandes turbinas comerciales de generación eléctrica.

• Turbina de cámara de combustión tubo anular. Una serie de tubos distribuidos alrededor del eje de forma uniforme conforman este diseño de cámara de combustión. Cada una posee un único inyector y bujía. Tienen mejor resistencia estructural que las anulares, pero menor rendimiento y mayor peso. Además si una de ellas deja de funcionar y no es detectado, pueden producirse grandes diferencias de temperaturas en la estructura. La pieza de transición, que es la que recoge todos los gases de combustión para dirigirlos a la turbina de expansión, es una parte delicada de la instalación. Esta tecnología es utilizada en sus diseños por Mitshubishi y General Electric.

• Turbina de cámara de combustión anular. En este caso la cámara consiste en un cilindro orientado axialmente instalado alrededor del eje. Tiene un único tubo de llama y entre 15 y 20 inyectores. Consiguen una buena refrigeración de los gases de combustión y bajas perdidas de carga, aunque su distribución de temperaturas y mezcla combustible/comburente es menos uniforme que en cámaras tubo anulares. Este diseño se utiliza por los fabricantes Alstom y Siemens, y en general en turbinas Aero derivadas.

• Turbina multieje

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La turbina de expansión se encuentra dividida en 2 secciones, la primera o turbina de alta presión, se encuentra unida al compresor axial al que proporciona la potencia necesaria para su funcionamiento. La segunda sección comparte eje con el generador, aprovechándose la energía transmitida en la generación de electricidad. Esta tecnología es utilizada en Aero derivadas y turbinas de pequeña potencia, y ofrece un mejor comportamiento frente a variaciones de carga.

PARTES

FUNCIONAMIENTO • El aire es absorbido en primer lugar hacia el interior de la turbina. • Donde se comprime. • Se mezcla con el combustible y se enciende. • El gas caliente resultante se expande a gran velocidad a través de una serie de álabes de forma aerodinámica transfiriendo la energía creada en la combustión para hacer girar un eje de salida.

BOMBAS DEFINICION La bomba es una máquina que absorbe energía mecánica que puede provenir de un motor eléctrico, térmico, etc., y la transforma en energía que la transfiere a un fluido como energía hidráulica la cual permite que el fluido pueda ser transportado de un lugar a otro, a un mismo nivel o a diferentes niveles y a diferentes velocidades.

TIPOS DE BOMBA Bombas de desplazamiento positivo.Las bombas de este tipo son bombas de desplazamiento que crean la succión y la descarga, desplazando agua con un elemento móvil. El espacio que ocupa el agua se llena y vacía alternativamente forzando y extrayendo el líquido mediante movimiento mecánico. El término “positivo”, significa que la presión desarrollada está limitada solamente por la resistencia estructural de las distintas partes de la bomba y la descarga no es afectada por la carga a presión sino que está determinada por la velocidad de la bomba y la medida del volumen desplazado.

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Tipos de bombas de desplazamiento positivo.-

Bombas reciprocantes.- En las bombas reciprocantes el pistón crea un vacío parcial dentro del cilindro permitiendo que el agua se eleve ayudada por la presión atmosférica. Como hace falta un espacio determinado de tiempo para que se llene el cilindro, la cantidad de agua que entra al espacio de desplazamiento dependerá de la velocidad de la bomba, el tamaño de las válvulas de entrada y la efectividad del material sellante de las válvulas y del pistón. Bombas dúplex.Las bombas dúplex poseen dos cilindros con doble acción, lo cual significa que los pistones se mueven hacia atrás tomando fluido a través de la válvula abierta de admisión y otras partes del mismo pistón. Estos pistones empujan el lodo hacia fuera a través de las válvulas de descarga. Bombas Triplex.Las bombas triplex poseen 3 cilindros de simple acción. Los pistones se mueven hacia atrás y tiran lodo o fluido a través de las válvulas de admisión abiertas. Cuando los pistones se mueven hacia adelante, el fluido es empujado hacia afuera a través de las válvulas de descarga abiertas. Bombas rotatorias.Las bombas rotatorias son unidades de desplazamiento positivo, que consisten en una caja fija que contiene engranes, aspas u otros dispositivos que rotan, y que actúan sobre el líquido atrapándolo en pequeños volúmenes entre las paredes de la caja y el dispositivo que rota, desplazando de este modo el líquido de manera similar a como lo hace el pistón de una bomba reciprocante. Pero las bombas rotatorias en vez de suministrar un flujo pulsante como sucede con las bombas reciprocantes, descargan un flujo uniforme, por el movimiento de rotación de los engranes que es bastante rápido. Bombas de tornillo.Una bomba de tornillo es un tipo de bomba hidráulica considerada de desplazamiento positivo, que se diferencia de las habituales, más conocidas como bombas centrífugas.

Esta bomba utiliza un tornillo helicoidal excéntrico que se mueve dentro de una camisa y hace fluir el líquido entre el tornillo y la camisa. Está específicamente indicada para bombear fluidos viscosos, con altos contenidos de sólidos, que no necesiten removerse o que formen espumas si se agitan. Como la bomba de tornillo desplaza el líquido, este no sufre movimientos bruscos, pudiendo incluso bombear uvas enteras. Bombas de desplazamiento dinámico.Las bombas dinámicas son en las cuales se añade energía continuamente, para incrementar las velocidades de los fluidos dentro de la máquina a valores mayores de los que existen en la descarga, de manera que la subsecuente reducción en velocidad dentro, o más allá de la bomba, produce un incremento en la presión. Las bombas dinámicas pueden, a su vez, subdividirse en otras variedades de bombas centrífugas y de otros efectos especiales. 

Tipos de bombas de desplazamiento dinámico.-

Bombas centrifugas.La bomba centrífuga, también denominada bomba roto dinámica, es actualmente la máquina más utilizada para bombear líquidos en general. Las bombas centrífugas son siempre rotativas y son un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor en energía cinética o de presión de un fluido incompresible. El fluido entra por el centro del rodete o impulsor,1 que dispone de unos álabes para conducir el fluido, y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba. Debido a la geometría del cuerpo, el fluido es conducido hacia las tuberías de salida o hacia el siguiente impulsor. Son máquinas basadas en la Ecuación de Euler.

Bombas de flujo axial.-

Se constituyen cuando la carga de la bomba debe ser aún menor en relación con el caudal, que en los casos anteriores. El impelente de este tipo de bombas está provisto de paletas que inducen el flujo del líquido bombeado en dirección axial. En este tipo de bombas las paletas directrices se colocan en muchas ocasiones antes del impelente. Estas bombas se usan para manejar grandes caudales de líquido contra cargas de bombeo relativamente pequeñas, y en ellas, no se puede hablar de fuerza centrífuga en la transmisión de energía a la corriente.

Bomba de flujo radial.Es aquella bomba que utiliza principalmente la fuerza centrífuga para impartir energía al fluido impulsado, se considera como tales aquellas cuya velocidad especifica está comprendida desde 50 rpm hasta 220 rpm!as bombas de flujo radial tienen una envolvente helicoidal, que se denomina voluta, que quía el flujo desde el impulsor hasta el tubo de descarga.

COMPRESORES DEFINICION Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tales como gases y vapores. Son equipos que incrementan la presión de un gas, un vapor o una mezcla de gases y vapores. La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen específico del mismo durante su paso a través del compresor. Se emplean principalmente para refrigeración, acondicionamiento de aire, calefacción, transporte por tuberías, almacenamiento de gas natural, craqueo catalítico, polimerización y en muchos procesos químicos. Según la forma de compresión se clasifican en:

a. Compresores de Desplazamiento Positivo: Son compresores de flujointermitente, que basan su funcionamiento en tomar volúmenes sucesivos de gaspara confinarlos en un espacio de menor volumen; logrando con este efecto, elincremento de la presión. Se dividen en dos grupos reciprocantes y rotativos.

b. Compresores Dinámicos: Son máquinas rotatorias de flujo continuo en la cual el cabezal de velocidad del gas es convertido en presión; estos compresores, se dividen de acuerdo al flujo que manejan en centrifugo (flujo radial) y axiales (flujoaxial) y flujo mezclado. COMPRESOR RECIPROCANTE.

Es un compresor de desplazamiento positivo, en el que la compresión se obtiene por desplazamiento de un pistón moviéndose lineal y secuencialmente de atrás hacia adelante dentro de un cilindro; reduciendo de esta forma, el volumen de la cámara (cilindro) donde se deposita el gas; este efecto, origina el incremento en la presión hasta alcanzar la presión de descarga, desplazando el fluido a través de la válvula de salida del cilindro. El cilindro, está provisto de válvulas que operan automáticamente por diferenciales de presión, como válvulas de retención para admitir y descargar gas. La válvula de admisión, abre cuando el movimiento del pistón ha reducido la presión por debajo de la presión de entrada en la línea. La válvula de descarga, se cierra cuando la presión en el cilindro no excede la presión de la línea de descarga, previniendo de esta manera el flujo reverso.

TIPOS DE COMPRESORES RECIPROCANTES a. Simple Etapa: Son compresores con una sola relación de compresión, que incrementan la presión una vez; solo poseen un depurador inter etapa, un cilindro y un enfriador inter etapa (equipos que conforman una etapa de compresión) generalmente se utilizan como booster en un sistema de tuberías b. Múltiples Etapas: Son compresores que poseen varias etapas de compresión, en los que cada etapa incrementa progresivamente la presión hasta alcanzar el nivel requerido. El número máximo de etapas, puede ser 6 y depende del número de cilindros; no obstante, el número cilindros no es igual al número de etapas, pueden existir diferentes combinaciones; como por ejemplo, si se requiere un sistema de tres etapas, puede utilizarse 3, 4 o 6 cilindros, como se indica en la siguiente tabla: Configuraciones Posibles

3 4 6 CILINDROS(integral) CILINDROS CILINDROS

1ERA ETAPA

1 CILINDRO

2 2 CILINDROS CILINDROS

2da ETAPA

1 CILINDRO

1 CILINDRO

2 CILINDROS

3ERA ETAPA

1 CILINDRO

1 CILINDRO

2 CILINDROS

El uso de varios cilindros para una etapa de compresión permite la selección de cilindros de menor tamaño, generalmente esto sucede con la primera etapa de compresión. c. Balanceado - Opuesto: Son compresores separables, en los cuales los cilindros están ubicados a 180º a cada lado del frame. d. Integral: Estos compresores utilizan motores de combustión interna para trasmitirle la potencia al compresor; los cilindros del motor y del compresor están montados en una sola montura (frame) y acoplados al mismo cigüeñal. Estos compresores pueden ser de simple o múltiples etapas y generalmente son de baja velocidad de rotación 400 – 900RPM. Poseen una eficiencia y bajo consumo de combustible; sin embargo, son más costosos y difíciles de transportar que los separables; a pesar de esto, hay muchas aplicaciones

en tierra donde esta es la mejor opción. Tienen mayor rango de potencia2000 – 13000 BHP que los separables, entre sus ventajas se encuentran:   

Alta eficiencia. Larga vida de operación. Bajo costo de operación y mantenimiento comparado con los separables de alta velocidad.

e. Separable: En este equipo, el compresor y el motor poseen cigüeñales y monturas diferentes acoplados directamente. Generalmente, vienen montados sobre un skid y pueden ser de simple o múltiples etapas. Los compresores reciprocantes separables en su mayoría son unidades de alta velocidad 900 – 1800 RPM que pueden ser accionados por motores eléctricos, motores de combustión interna o turbinas, manejan flujos menores de gas que los integrales y pueden tener una potencia de hasta 5000 HP. Entre sus ventajas se encuentra:    

Pueden ser montados en un skid. Son de fácil instalación y transporte. Poseen amplia Flexibilidad operacional. Características de un compresor reciprocante.

De acuerdo con la aplicación de los compresores se deben definir sus características de diseño de instalación y de mantenimiento guardando una delicada relación entre el trabajo a realizar, la eficiencia y rendimiento del equipo, los estándares de conservación ambiental y la economía en los diferentes procesos. PARTES DE UN COMPRESOR RECIPROCANTE SEPARABLE

a. Cilindro: es el recinto por donde se desplaza un pistón. Su nombre proviene de su forma, aproximadamente un cilindro geométrico. Los cilindros para compresores usados en el proceso industrial son separables desde el armazón. Un requerimiento de API 618 es que los cilindros deben estar equipados con

camisas reemplazables (Referencia [2] Pág. 67). El propósito de las camisas es proveer una superficie renovada. Esto salva el costo de un cilindro completo antes de que se perfore por desgaste o ralladuras. Los cilindros son fabricados de una selección de materiales para particulares presiones y gases. Generalmente estas son fabricadas de fundición de hierro. b. Pistón: El pistón es una de las partes más simples, pero tiene la principal función de todas las partes del compresor, que es trasladar la energía desde el cigüeñal hacia el gas que se encuentra en los cilindros. El pistón posee rines de aceite y de presión. Este tipo de pistón es flotante. La designación y materiales usados para los pistones varían con la marca, el tipo, y aplicación del compresor. Estos son designados acorde al diámetro del cilindro, presión de descarga, velocidad de rotación del compresor, capacidad del compresor y requerimiento de carga del pistón. c. Anillos del pistón En los compresores reciprocantes se emplean anillos de compresión, anillos de aceite y anillos montantes. Los anillos de compresión se utilizan en todos los casos, mientras que el empleo de los anillos de lubricación y de los montantes dependerá del tipo de compresor y su servicio. d. Empaquetadura del vástago del pistón Los compresores que poseen pistones de doble acción, que son impulsados por medio de una cruceta al vástago del pistón, necesitan de un sellado en lado cigüeñal para evitar fugas de presión del gas hacia el espaciador por eso se necesita una empaquetadura. En las empaquetaduras se emplean los mismos materiales que en los anillos de pistón. La empaquetadura metálica puede permitir un desgaste del vástago de 0.15% en el diámetro de la misma. El vástago debe estar endurecida a Rockwell C 40 y esmerilada. e. Cruceta La cruceta es un embolo rígido que transmite el empuje de la biela hacia el pistón. Esta se utiliza en compresores con pistones horizontales debido a que el peso del pistón provocaría un gran desgaste en la parte inferior de la camisa si se uniera directamente a la biela. Las crucetas se diseñan con perno flotante o perno fijo. f. Biela La biela esta sujetada al cigüeñal y a la cruceta, esta transmite el movimiento alternativo desde el cigüeñal al pistón. La biela es normalmente construida de aleaciones de acero y debe tener una dura y pulida superficie particular, donde está en contacto con la empaquetadura en los cilindros de doble acción. g. Cigüeñal

Se encuentra instalado dentro de la montura y es el elemento que transmite la potencia del motor hacia las bielas. h. Cojinetes La mayoría de los compresores utilizan cojinetes hidrodinámicos, el aceite entra al cojinete a través de los agujeros de suministro, que van perforados estratégicamente a lo largo de la circunferencia del cojinete que suministran y distribuyen formando una película de aceite en el contacto entre las partes móviles y estacionarias. i. Válvulas Permiten la entrada y salida de gas al cilindro; en caso de cilindros de doble acción, existen válvulas de succión a ambos lados del cilindro, mientras que en cilindros de simple acción sólo se encuentran en un solo lado. Las válvulas pueden ser de placa, lengüeta y la más aplicada para gas natural la de discos concéntricos. FUNCIONAMIENTO DEL COMPRESOR El funcionamiento de los compresores reciprocantes se basa en un movimiento alternativo realizado por el conjunto biela-cruceta-pistón. Existen cuatro etapas durante el proceso que se dan en una vuelta del cigüeñal es decir en 360 grados.

1. Compresión, durante este proceso el pistón se desplaza desde el punto inferior, comprimiendo el gas hasta que la presión reinante dentro del cilindro sea superior a la presión de la línea de descarga (Pd). Las válvulas succión y descarga permanecen cerrada.

2. Descarga, luego de que la presión reinante dentro del cilindro sea superior a la presión de la línea de descarga (Pd) que es antes de que llegue al punto muerto superior, la válvula de escape se abre y el gas es descargado, mientras que la de succión permanece cerrada.

3. Expansión, durante este proceso el pistón se desplaza desde el punto muerto superior hasta que la válvula de succión se abra durante la carrera de retroceso o expansión, que será cuando la presión reinante en el interior del cilindro sea inferior a la presión del vapor de succión (Ps). 4. Succión, luego de que la válvula de succión se abrió, que es un poco después del punto muerto superior, ingresa el fluido, y el pistón se desplaza hasta el punto muerto inferior, al final de la carrera de succión, la velocidad del pistón disminuye hasta cero, igualándose las presiones del exterior y del interior del cilindro (aunque por la velocidad del pistón no exista tiempo material a que éste equilibrio se establezca); la válvula de succión se cierra, la válvula de descarga permanece cerrada. Ventajas y desventajas del compresor reciprocante. VENTAJAS

DESVENTAJAS 

Fundaciones más grandes para eliminarlas altas vibraciones por el flujo pulsante.

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En servicios continuos se requieren unidades de reserva, para impedir paradas de planta debido al mantenimiento.

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Mayor flexibilidad en capacidad de flujo y rango de presiones.

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Más alta eficiencia y costo de potencia más bajo.

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Capacidad de manejar pequeños volúmenes de gas.

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Son menos sensitivos a la composición delos gases y las propiedades cambiantes.

Los costos de mantenimiento son 2 a 3 veces más altos que los compresores centrífugos.

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Presentan menores temperaturas de descarga por su enfriamiento encamisado

El funcionamiento continuo es más corto que para los centrífugos

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Pueden alcanzar las presiones más altas.

Requieren inspección más continua.

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Cambios en la presión de succión pueden ocasionar grandes cargas en las barras del pistón

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