Análisis de las irreversibilidades en un compresor centrífugo - González Andrade, Jesús Alejandro (Universidad Autónoma Metropolitana, 2019)
Capítulo 1. En este capítulo se presentan de manera introductoria aspectos generales de los compresores centrífugos, como son su clasificación, aplicación y funcionalidad. Se realiza una descripción breve acerca de los turbocargadores centrífugos, en éstos, el calor suministrado al compresor juega un papel importante para su desempeño energético. También se presentan principios, leyes y aspectos técnicos importantes para el desarrollo de este estudio como son: la primera ley de la termodinámica, la geometría del impulsor, la cantidad de movimiento en turbomáquinas, la cinemática de los compresores centrífugos, los triángulos de velocidades, el factor de deslizamiento, la relación de presiones y las propiedades de estancamiento. Capítulo 2. Se presentan las expresiones para evaluar el desempeño energético de los principales procesos de compresión basados en el modelo politrópico, estos son: el proceso isotérmico (nt = 1); el proceso con enfriamiento (1 < ne < γ); el proceso isoentrópico (n = γ); y el proceso politrópico (n > γ). También se realiza un análisis de áreas en el proceso de compresión politrópico representado en un diagrama T-s, en el cual, se representan las pérdidas de energía debido a las irreversibilidades existentes en el proceso de compresión. Capítulo 3. En este capítulo se realiza una descripción de las distintas eficiencias de compresión para evaluar el desempeño energético del proceso de compresión. Destacando a la eficiencia politrópica, la cual, está relacionada con las pérdidas de energía por las irreversibilidades. También se muestra la importancia de considerar a la transferencia de calor y a la velocidad del fluido al momento de evaluar la eficiencia de compresión politrópica, para esto, se hace una distinción entre una eficiencia politrópica aparente y la eficiencia politrópica real. Capítulo 4. Los procesos politrópicos son de suma importancia para el modelado termodinámico de la compresión; sin embargo, no siempre los procesos reales se comportan como procesos politrópicos, por esta razón, en este capítulo se muestran los aspectos importantes para que el proceso de compresión pueda ser descrito mediante un modelo politrópico, poniendo énfasis en considerar sí el proceso de compresión es diabático y si la velocidad del flujo es significante en la compresión, incorporando así, a la relación de transferencia de calor modificada. Finalmente, se muestran expresiones desarrolladas para evaluar el proceso de compresión politrópica en función de las propiedades de estancamiento y de la relación de trasferencia de energía modificada. Capítulo 5. La exergía está directamente relacionada con la irreversibilidad generada en los procesos termodinámicos. Es por esto que, en este capítulo se realizan las expresiones para evaluar el desempeño exergético para los distintos procesos de compresión. Se realiza un ejemplo para comparar la evaluación energética y exergética del proceso de compresión: isotérmica (nt = 1), con enfriamiento (1 < ne < γ), isoentrópica (n = γ) y politrópica (n > γ). Capítulo 6. Se describen las principales modelo matemáticos de pérdidas de energía en los compresores centrífugos obtenidas de la revisión bibliográfica, que son: por espaciamiento, por incidencia, por fricción superficial, por carga en el álabe, por fuga, por fricción en el disco y pérdida en el difusor con y sin álabes. Conocer los principales mecanismos de pérdidas de energía, permite evaluar el trabajo de compresión real y distinguir el incremento de entropía que genera la irreversibilidad por los diferentes fenómenos físicos durante el proceso de compresión. Capítulo 7. Enfocando el estudio en los turbocargadores se realiza la metodología para realizar la evaluación del desempeño energético y exergético del proceso de compresión tomando información de cada uno de los capítulos anteriores. Resaltando las irreversibilidades generadas en el proceso de compresión. Capítulo 8. En este capítulo se presentan los resultados obtenidos con la metodología planteada en el capítulo 7. Se realiza el análisis de resultados para obtener unas conclusiones en relación a las irreversibilidades encontradas en la operación del compresor centrífugo del caso de estudio. Anexo A. Se realizan dos estudios acerca del cambio de exergía del proceso de compresión en la compresión multietapa. En el primero se demuestra que la compresión multietapa con enfriamientos intermedios requiere de un menor cambio de exergía total, debido a que el proceso se mantiene a temperaturas más bajas que el proceso sin enfriamientos. El segundo estudio muestra la importancia que tiene el considerar a un proceso de compresión con enfriamiento como un proceso reversible, comparando una compresión multietapa con enfriamiento con uno con enfriamiento continuo. Anexo B. En este anexo se presenta información obtenida de una revisión bibliográfica en cuestión de investigaciones realizadas sobre la transferencia de calor en turbocargadores. En éste se encuentran los resultados obtenidos en distintos trabajos sobre el desempeño y efecto que la transferencia de calor tiene en los turbocargadores.