¿Cuál es la longitud ideal de tubería de entrada para compresores centrífugos?

Por Christopher Braman y Tim Allison15 de agosto de 2022

La distribución del flujo en la brida de entrada del compresor es fundamental tanto para el rendimiento de la máquina como para medir con precisión las condiciones de entrada. Se prefiere una distribución de flujo radialmente uniforme para minimizar los efectos aerodinámicos en la entrada del compresor.

Las fluctuaciones no uniformes de la velocidad o la presión, también denominadas distorsiones, aumentan las pérdidas aerodinámicas en el borde de ataque del álabe y pueden provocar un funcionamiento inestable del compresor. Afortunadamente, las fluctuaciones se corrigen por sí mismas, por lo que se puede lograr un flujo uniforme con una tubería recta de suficiente longitud.

Sin embargo, la longitud de la tubería recta depende de la magnitud de las fluctuaciones de velocidad y presión. En el caso de los compresores, no siempre es posible colocar una tubería recta de gran longitud en la entrada debido a limitaciones de espacio y tuberías de proceso que generalmente contienen válvulas, codos y expansiones de tubería. La principal preocupación es identificar la longitud de tubería recta necesaria para minimizar las distorsiones del flujo de entrada.

Este artículo resume las pautas prácticas para las configuraciones de tuberías que no afectarán negativamente el rendimiento del compresor, al tiempo que reconoce que las tuberías deben minimizarse para el diseño económico de la planta. Presenta un enfoque básico para el análisis de configuraciones de tuberías.

Como punto de partida, el Código de prueba de rendimiento (PTC) de compresores y extractores de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) se puede utilizar para determinar la longitud de la tubería recta aguas arriba de la entrada del compresor para proporcionar un flujo uniforme para las mediciones de prueba.

El PTC [1] requiere un mínimo de tres diámetros de tubería recta entre un codo y la entrada del compresor y longitudes mayores de hasta 10 o más diámetros para tuberías de menos de 24 pulgadas de diámetro, entradas axiales u otras perturbaciones aguas arriba. Una segunda recomendación, que es parte de la práctica de Elliott Group, es que si la presión de velocidad (presión dinámica, q) que ingresa a la entrada del compresor es más del uno por ciento de la presión estática (p1), se debe usar un ecualizador de flujo en la salida del codo. .

La relación entre la presión de velocidad y la presión estática se calcula utilizando la siguiente ecuación. Debido a que el efecto de cambiar Z es pequeño, por lo general se ignora.

La amplia experiencia en pruebas de fábrica de Elliott confirma que el requisito de tramo recto de ASME y el límite de la relación entre velocidad y presión estática son adecuados para los arreglos de tuberías de prueba. Debido a que las relaciones de presión estática-velocidad pueden ser mucho más bajas que 0,01 en la práctica, los requisitos de tubería recta del PTC se han modificado, como se indica en la Tabla 1.

Tabla 1. Relación entre la relación entre la velocidad y la presión estática y la recomendación de longitud de tubería de entrada recta

Longitud recta

0.005

Usando los valores anteriores como puntos de referencia y resolviendo la ecuación q/p1, podemos trazar los diámetros de la tubería recta aguas arriba del compresor frente a la velocidad de entrada para varios pesos moleculares (Figura 1).

Dado que la mayoría de los compresores tienen un rango de temperatura de entrada de 0 °F a 100 °F, la curva se basa en 50 °F. En este rango, el error incorporado es pequeño. Sin embargo, cuando la temperatura de entrada difiere considerablemente, la longitud de la tubería recta se puede determinar con la Figura 1 al corregir la velocidad real del flujo de entrada a 50 °F usando la siguiente ecuación para gases ideales.

El proceso detallado hasta ahora brinda orientación sobre un punto de partida básico para la cantidad de diámetros de tubería recta necesarios aguas arriba de la entrada de un compresor.

Este número básico se modificará con factores de corrección basados ​​en los componentes inmediatamente aguas arriba del compresor. En primer lugar, es necesario identificar algunos arreglos de tuberías comunes y factores de corrección.

Para los compresores, es común que la entrada esté precedida por un tramo recto de tubería aguas abajo de un codo de tubería de radio largo. El codo se puede orientar con la tubería que llega al codo paralela o normal al rotor del compresor, como se muestra en la Figura 2.

Cuando la tubería aguas arriba es paralela al rotor del compresor, esta disposición se considera la que menos perturba el flujo de entrada y el factor de corrección será 1.

La tubería de aguas arriba, al ser normal al rotor del compresor, hace que el volumen de gas que ingresa al compresor sea mayor en el lado opuesto a la dirección desde la cual se acerca la tubería.

En otras palabras, habrá una variación en el flujo axial a lo largo del diámetro de la tubería. Como resultado, la distribución uniforme de gas al impulsor es más difícil de obtener que en el caso base, y la recomendación de longitud de tubería debe multiplicarse por un factor de corrección de 1,5.

Con respecto a la distorsión del flujo, el codo único da como resultado la configuración de un par de vórtices que giran en sentido contrario, también llamados vórtices de Dean, como se muestra en la Figura 3.

Otro arreglo común son dos codos inmediatamente aguas arriba del tubo de entrada, como se muestra en la Figura 4. De nuevo, hay dos variaciones de este arreglo con el tubo (aguas arriba de los codos) orientado paralelo o normal al rotor del compresor.

Cuando está paralelo al rotor del compresor, el gas que fluye a través de estos dos codos sale del segundo codo con un remolino o un componente giratorio, además de la distorsión de velocidad normal asociada con un codo.

Cuando es normal al rotor, esta disposición produce algo de remolino, pero también la distribución desigual del flujo descrita anteriormente.

Por estas razones, los factores de corrección sugeridos para estos dos arreglos son 1.75 y 2, respectivamente. Para ilustrar la diferencia en la distorsión del flujo, la Figura 5 muestra los vórtices resultantes aguas abajo de dos codos.

Los compresores con entradas axiales, generalmente de una sola etapa con rotores en voladizo, son más sensibles a las desviaciones de flujo aguas arriba porque normalmente no tienen paletas de guía de entrada. Por esta razón, un compresor con entrada axial debe tener aplicado un factor de corrección de 1,25.

Si un compresor de entrada axial tiene uno o dos codos aguas arriba de la entrada, se utilizarán los factores para disposiciones de planos paralelos (Figura 4). La Tabla 2 enumera estos factores de corrección, así como los factores de corrección para otros arreglos comunes.

Para cuantificar cómo los diferentes componentes de tuberías aguas arriba, como las válvulas, afectan los requisitos de tramo recto, podemos observar los estándares de tuberías para las pruebas de rendimiento como se describe en el PTC y los requisitos para la distribución uniforme del flujo (perfil de velocidad) según se aplican a los elementos de medición de flujo, publicados por tanto la ASME como la American Gas Association (AGA).

Un perfil de velocidad con distorsión mínima es un requisito crítico para un elemento de medición de flujo, como un orificio o una boquilla de flujo. Los perfiles de velocidad uniformes se obtienen mediante el uso de tramos largos y rectos de tubería y ecualizadores de flujo aguas arriba del elemento de medición. La longitud de la tubería recta es una función de la configuración de la tubería que precede al tramo recto y la relación entre el diámetro del orificio (o boquilla) y el diámetro nominal de la tubería.

Esta relación de diámetro se denomina relación β. Los requisitos para la precisión de la medición de flujo están bien establecidos y generalmente reconocidos en toda la industria.

A medida que aumenta la relación β, también aumenta la longitud de tubería recta requerida para un arreglo dado. La razón de esto es que a medida que aumenta el tamaño del orificio para un diámetro de tubería dado, se requiere una distribución de velocidad más uniforme. La Tabla 3 describe los requisitos de tubería recta para varios componentes de tubería expresados ​​en diámetros nominales de tubería para una relación β de 0,5 [4].

Tabla 3. Requisitos de tramos rectos de tubería para componentes de tubería (β = 0,5)

Las restricciones del mundo real pueden hacer que sea poco realista aplicar estos requisitos a la entrada de un compresor; sin embargo, la relación de requisitos para varias configuraciones puede proporcionar una guía valiosa para los requisitos de entrada del compresor.

Por ejemplo, para una relación β de 0,5, un codo requiere 9 diámetros y una válvula parcialmente cerrada requiere 25 diámetros. Por lo tanto, el factor para un codo (caso base) es 9/9 o 1 y es 25/9 o 2,78 para una válvula parcialmente cerrada. Si observamos el rango completo de relaciones β, promediamos los datos y dejamos que el codo único sea el caso base, se puede desarrollar una serie de factores de corrección.

La Tabla 4 muestra los factores de corrección desarrollados con base en el rango completo de datos de relación β utilizando un solo codo como referencia [4].

Tabla 4. Factores de corrección del tramo de tubería recta del componente de tubería

Para ilustrar cómo se puede aplicar esta información, considere un compresor de gas hidrocarburo con un peso molecular de 25, una temperatura de entrada de 85 °F y una velocidad de entrada de 100 fps. La disposición de las tuberías es como se muestra en la Figura 4 con el plano del codo paralelo al rotor, pero además, hay una válvula de mariposa delante de los dos codos.

Al ingresar a la Figura 1 a 100 fps y un peso molecular de 25, se requiere un tramo recto de tubería de 1,45 de diámetro. Aplicando el factor de corrección de configuración de tuberías de 1,75 y el factor de válvula de mariposa de 1,5 se obtiene: 1,45 x 1,75 x 1,5 = 3,8 diámetros

Por lo tanto, esta disposición requiere aproximadamente 4 diámetros de tubería recta antes de la entrada del compresor.

Si el diseño de una planta no puede admitir el tramo recto mínimo de tuberías requerido por este método, hay algunas opciones disponibles para reducir los requisitos. La primera sería aplicar un codo con álabes en inglete especial como se muestra en la Figura 4.

Este codo requiere un espacio de instalación mínimo, tiene un factor de pérdida bajo y proporciona una distorsión de perfil de velocidad mínima aguas abajo del codo. Sin embargo, un pobre perfil de velocidad aguas arriba se transmite a través del codo. Además, el uso de dos codos con álabes en inglete en serie con uno a 90 grados del otro no creará un remolino en el flujo.

Para tuberías grandes, el costo sería comparable al de los codos formados estándar. Cuando se utilizan codos con álabes en inglete en lugar de codos estándar, como el que se muestra en la imagen, los factores de corrección se pueden dividir por 2.

Una segunda alternativa para reducir los requisitos de tubería recta es un ecualizador de flujo. El diseño del ecualizador debe cumplir con las normas ASME o AGA. Estas opciones pueden ser costosas según el tipo utilizado y resultarán en una penalización de potencia porque habrá una caída de presión significativa asociada con ellas.

Sin embargo, si se puede tolerar la penalización de potencia, un ecualizador de flujo en el tramo recto hacia la entrada del compresor puede reducir la longitud recta requerida de la tubería por un factor de 4.

Las recomendaciones de tuberías de entrada analizadas anteriormente tienen por objeto reducir el efecto de las características de las tuberías aguas arriba, como codos y válvulas de control. Sin embargo, hay poca discusión sobre un método práctico para confirmar el efecto antes y después de implementar los cambios de tubería aguas arriba. En la Referencia [3], la longitud de la tubería aguas arriba de un compresor centrífugo de entrada axial no tuvo un efecto significativo en el rendimiento del compresor, como se muestra en la Figura 7.

Recuerde que los compresores de entrada axial son más sensibles a los diseños de tuberías aguas arriba. Por lo tanto, es probable que la tubería de entrada tenga mayor sensibilidad a ciertos tipos de diseños de compresores, y esto debe tenerse en cuenta en las aplicaciones antes de realizar modificaciones significativas en la instalación del compresor.

Este artículo apareció originalmente en la revista COMPRESSORtech2.

[1] 1997, Código de prueba de rendimiento de compresores y extractores, PTC 10 - 1997 (R2014), Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos, Nueva York.

[2] Hackel, RA y King, RF Jr., "Tubería de entrada del compresor centrífugo: una guía práctica", Instituto de gas y aire comprimido, 4(2).

[3] White, BA, Bueno, PC, Fierro, F. y Cook, TL, 2018, "Consideraciones mecánicas, de tensión y de flujo para el diseño de tuberías de compresores centrífugos", Actas del 47.° Simposio sobre turbomaquinaria y 34.° simposio sobre bombas, Houston, Texas.

[4] 2004, Códigos de prueba de presión - Medición de flujo, ASME PTC 19.5-2004, Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos.

[5] 1962, Manual de termodinámica aplicada aeroespacial, SAE International.