AIRE COMPRIMIDO Y COMPRESORES

AIRE COMPRIMIDO AIRE LIBRE Es el aire atmosfrico incoloro, inspido e inodoro, que toma el

compresor del ambiente donde funciona. Est compuesto por Nitrgeno en un 78.08%, oxgeno 20.95% y otros gases en un 0.97%. El aire atmosfrico no solo contiene estos gases, sino tambin humedad y partculas slidas como polvos, arena, holln y cristales salinos, etc

AIRE COMPRIMIDO Es el aire libre a quien se ha suministrado presin superior a la

atmsfera y tambin reducido de volumen; que al expandirse produce trabajo. La compresin se efecta mediante un equipo denominado compresor.

El aire comprimido en el sector Minero y obras civil tiene los siguientes usos:

Para el funcionamiento de las herramientas manuales. Para perforacin de tneles, labores de desarrollo y explotacin. Para mezclar y atomizar en el lanzamiento de partculas finas como

el caso de Shotcrete. Para el funcionamiento de las tolvas neumticas Para el funcionamiento de ventiladores, winches, bombas, etc. Otros usos en obras civiles

SOSTENIMIENTO CON SHOTCRETE

CONCRETO LANZADO

El aire comprimido constituye una fuente de energa que ofrece muchas ventajas como la seguridad, flexibilidad y simplicidad, etc.; sin embargo, el aire aspirado por una compresora contiene ciertos componentes indeseables por razones diversas, tales como: humedad, contenido de aceite, contenido de polvo, entre otros agentes ms.

Las desventajas de la presencia de humedad en el aire comprimido origina, corrosin en las tuberas metlicas, degradacin del poder lubricante de los aceites en las mquinas neumticas, disminucin del dimetro de las tuberas por congelarse, etc. En tal sentido por lo general los compresores tienen trampa de agua, donde el vapor de agua se desprende en el momento que se produce el punto de roco

PRESIN ATMOSFRICA Es el peso del aire que ejerce en todas las direcciones. A nivel

del mar equivale al peso de una columna de agua de 10 m de altura, 1.0330 Kg/cm2, 14.69 Lbs/pulg2, 760 mm Hg o tambin de 29.92 pulg. Hg., a una temperatura de 0C 32 F.

La presin atmosfrica a cualquier altura respecto al nivel del mar se puede calcular mediante la siguiente relacin:

(+ -) h

Log P2 = Log P1 - ---------------------

122.4 (Th + 461)

Donde:

P2 : Presin atmosfrica a la altura h (PSI)

P1 : Presin atmosfrica a nivel del mar (14.69 PSI)

h : Elevacin sobre el nivel del mar (Pies)

Th : Temperatura a la elevacin h (F)

PRESIN MANOMTRICA O RELATIVA Es la presin que se mide mediante un manmetro; siendo superior a la

atmosfrica.

RESION ABSOLUTA

Es la presin que resulta de sumar la presin atmosfrica ms la manomtrica

P abs. = P atm + P man.

TEMPERATURA

Es la cantidad de calor medio de un sistema. Para medir existen varias escalas.

La Centgrada o Celsius (C), donde 100 corresponde al H20 herviente y 0 a la temperatura de hielo fndente.

La Fahrenheit (F), donde 212 corresponde a la temperatura del h20 hirviente y 32 al del hielo fndente.

Para conversin estas escalas se usan como:

De F a C : TC = 5/9 (TF - 32)

De C a F : TF = (9/5 )TC + 32

Para convertir a temperaturas absolutas:

Grados Kelvin : TK = TC + 273

Grados Rankine : TR = TF + 460

COMPRESIN DE AIRE La compresin adiabtica es aquella en la cual

existe un incremento de temperatura desde una

presin inicial Po hasta una presin Pf, manteniendo

este incremento en el aire comprimido. El proceso

politrpico, es una expresin generalizada de todo

los procesos posibles y su ecuacin es:

P1(V1)n = P2(V2)n = constante.

El proceso politrpico incluye a los cuatro procesos bsicos: Isobrico, isotrmico, adiabtico y isomtrico. Cuando se analiza el trabajo tcnico de una compresin politrpico se llega a la siguiente ecuacin:

T2/T1 = ( P2/P1) (n-1)/n = (V1/V2) n-1

n 144 P1V1

W =--------------- (P2/P1 ) (n-1)/n -1

n 1

Donde:

P1 : Presin de admisin (PSI)

P2 : Presin de entrega (PSI)

V1 : Volumen de aire admitido (pies3)

V2 : Volumen de aire comprimido (pies3)

n : 1.406 coeficiente politrpico

T1 : Temperatura de admisin (R)

T2 : Temperatura del aire comprimido (R)

W : Trabajo realizado al comprimirse (Lb pie)

ETAPAS DE COMPRESIN

La compresin por etapas incrementa el rendimiento volumtrico, a la vez que la relacin de compresin disminuye sobre la primera etapa.

La refrigeracin intermedia puede realizarse por medio de aire o agua; la mejor alternativa es por aire ya que elimina el problema del suministro de agua, en muchas veces ocasiona congelamiento de tuberas

La compresin por etapas ofrece las ventajas

siguientes:

Se tiende en lo posible al proceso isotrmico.

Con la refrigeracin en varias etapas es posible acercarse al isotrmico, ya que en una sola etapa

as que se refrigere siempre es adiabtica.

La lubricacin es eficiente

Se pueden obtener altas presiones

El nmero de etapas comnmente usadas en compresores reciprocantes es como sigue:

Presin (Psi) Numero de etapas

0 - 150 1

80 - 500 2

500 2500 3 2500 5000 4

EFICIENCIA VOLUMTRICA DE LOS COMPRESORES

La capacidad real de un compresor es siempre inferior al volumen tericamente desplazado, esto se debe a:

La cada de presin en la aspiracin (baja P1).

El calentamiento del aire aspirado (se calienta el gas)

La expansin del gas retenido en el espacio muerto.

Las fugas internas y externas provocan prdidas de capacidad.

POTENCIA NECESARIA PARA UN COMPRESOR Potencia = P1V1 Ln(P2/P1)

Para la composicin politrpica y cuando se tiene N nmero de etapas, usando en cada etapa los valores correctos de presin y volumen; la frmula para calcular la potencia es:

N.n

Potencia = --------- P1V1 (P2/P1) (n 1)/N.n - 1 n - 1

Los ms comnmente empleados para nuestros clculos tenemos:

En el sistema mtrico.

10,000 N.n 1

HP = ---------- --------- P1V1 (P2/P1) (n 1)/N.n - 1 ------ 4, 500 n - 1 E

En el sistema Ingls

144 N.n 1

HP = ---------- --------- P1V1 (P2/P1) (n 1)/N.n - 1 ----- 33, 000 n - 1 E

Donde:

HP : Potencia.

V1 : Volumen de admisin (m3/min ; pies 3/min.)

P1 : Presin de admisin ( Kg/cm2 ; Lb/Pulg2.)

P2 : Presin de descarga ( Kg/cm2 ; Lb/Pulg2.)

N : Nmero de etapas.

n : 1.406 Coeficiente politrpico del aire.

E : Eficiencia 85 93%

CLASES DE COMPRESORES

Segn el principio de funcionamiento.

Compresores de desplazamiento volumtrico

Compresor de pistn alternativo

Compresor de cruceta, de tronco y de diafragma alternativo

Compresor rotativo de un rotor: Tornillo, paletas, anillo lquido, etc.

Compresor rotativo de dos rotores: Tornillo, lbulos (roots)

Compresores dinmicos

Compresores radiales (centrfugos)

Compresores axiales (propulsin)

Compresores eyectores.

Segn el tipo de servicio:

Para minera Para construccin y obras civiles Para transporte Para servicios generales Para controles y otros servicios en general

Segn el tamao, transporte y duracin de trabajo:

Compresores porttiles o transportables Compresores estacionarios

Segn el tipo de refrigeracin:

Compresores refrigerados con agua Compresores refrigerados con aire o aceite.

Segn la presin de descarga:

Compresores de baja presin: presin de hasta 4.5 Kg/cm2 (65 PSI) Compresores de presin normal: presiones de 4.5 hasta 10 Kg/cm2

140 PSI)

Compresores de alta presin: de 10 Kg/cm2 a ms.

COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO

El aumento de presin en este tipo de

compresores se

obtiene confinando

un volumen de aire

en un espacio

cerrado,

posteriormente dicho

volumen se reduce

mediante una accin

mecnica (el pistn).

COMPRESORES DE PISTN Tipos de compresores de pistn.- Los compresores de pistn se

pueden tipificar de la siguiente manera:

I Segn el trabajo de pistn De simple efecto.- De doble efecto

II Segn el nmero de etapas De una sola etapa De dos etapas De mltiples etapas.- Son compresores que poseen varios

cilindros y enfriadores en serie. Se utilizan para obtencin de altas presiones.

III Segn la posicin de los cilindros

Compresores verticales Compresores horizontales Compresores en ngulo

COMPRESORES DE PISTON TIPO LABERINTO

Se clasifican dentro de los compresores especiales alternativos,

de desplazamiento positivo que suministra aire exento de

aceite y operan sin segmentos en el pistn. El sellado entre el

pistn y pared del cilindro se logra mediante una serie de

laberintos.

Las superficies interiores de los cilindros estn estriadas y los

pistones llevan roscas mecanizadas en forma de crestas. Las

empaquetaduras de las bielas son tambin del tipo laberinto.

Las fugas internas son mayores que las que se dan en los

diseos que utilizan segmentos, pero en contrapartida, no se

producen perdidas por rozamiento en segmentos ni en la

empaquetaduras. El aire suministrado es de buena calidad y

sin contaminacin.

COMPRESORES DE DIAFRAGMA

COMPRESORES DE PISTON TIPO LABERINTO

COMPRESORES DE TORNILLO Son compresores que consisten de dos

Rotores (hembra y macho) entrelazados

entre s y se hallan dentro de un cuerpo

hermtico dividido en zona de baja y alta

presin.

El aceite inyectado cumple tres funciones bsicas:

Cerrar las holguras internas.

Enfriar el aire durante la compresin.

Lubricar los rotores.

El rotor macho tiene 4 lbulos que cuando giran dentro de los seis canales del rotor hembra, encierran y comprimen suavemente el aire. En el proceso de compresin el rotor macho gira 1.5 veces por cada revolucin del rotor hembra. El aire que se obtiene es de flujo continuo, lo que elimina las pulsaciones que son comunes en los compresores de pistn.

A comparacin de los compresores a pistn en tamao son menores y son bastante usados en la minera.

COMPRESORES AXIALES

COMPRESORES CENTRIFUGOS

REFRIGERACIN DEL COMPRESOR

Es antieconmico el uso del aire comprimido tal como sale del compresor, por lo tanto es imprescindible un buen sistema de acondicionamiento en cual comprende como elemento principal la refrigeracin posterior.

Los refrigeradores pueden ser verticales u horizontales y tambin de agua o de aire, en caso que se disponga del espacio y agua suficiente se prefiere los refrigeradores de agua horizontales

LA ALTURA EN EL RENDIMIENTO DEL

COMPRESOR La presin y la temperatura ambientales

disminuyen cuando se incrementa la altitud;

estos cambios afectan a la relacin de

compresin, por lo tanto afectan el caudal

y potencia de los compresores y otros

equipos con que trabaja; igualmente

afectan a la potencia disponible de los

motores elctricos y de combustin

interna.

A medida que aumenta la altura baja la presin y la temperatura, esta variacin

afecta al rendimiento de los compresores

Presin atmosfrica para diferentes altitudes Altura sobre el nivel del

mar ; pies

Presin atmosfrica

Psi.

Altura sobre el nivel del

mar ; pies

Presin atmosfrica

Psi.

0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

4,500

5,000

5,500

6,000

6,500

7,000

14.69

14.42

14.16

13.91

13.66

13.41

13.16

12.92

12.68

12.45

12.22

11.99

11.77

11.55

11.33

7,500

8,000

8,500

9,000

9,500

10,000

10,500

11,000

11,500

12,000

12,500

13,000

13,500

14,000

14,500

15,000

11.12

10.91

10.70

10.50

10.30

10.10

9.90

9.71

9.52

9.34

9.15

8.97

8.80

8.62

8.45

8.28

Variacin de capacidad y potencia en funcin a la altitud. Tipo de compresor Reduccin en % por cada

1000 m de incremento

capacidad potencia

Tamao medio y refrigerado por aire 2.10 7.00

De tornillo en bao de aceite 0.60 5.00

Tamao grande, pistn y refrigerado por agua 1.50 6.20

Tamao grande, tornillo y refrigerado por agua 0.30 7.00

FACTOR PARA COMPENSAR LA ALTURA EN EL RENDIMIENTO

DEL COMPRESOR La eficiencia volumtrica, expresado en trminos de aire libre,

es la misma a cualquier altura. Pero cuando se expresa en trminos de aire comprimido s decrece con el aumento de la altura.

En la mayor parte de las minas, el aire comprimido no es usado a la misma altura donde es producido. En tal sentido es necesario compensar por altura mediante la siguiente relacin:

Donde:

P1 = Presin atmosfrica a nivel del mar.

P2 = Presin atmosfrica a una altura h.

P = Presin manomtrica del aire entregado.

F = Factor de correccin para compensar la altura.

Si la compresin fuera adiabtica. PVn = K

)(

)(

12

21

PPP

PPPF

n

PPP

PPPF

/1

12

21

SELECCIN DEL COMPRESOR Algunos factores que influencian en la seleccin, considerando el tipo de

compresor y tipo de instalacin son:

El uso a que se va a destinar y aquellos requerimientos relativos a presin, aire excento de aceite, etc.

Como y cuanto son los puntos de utilizacin o puntos de consumo. Demanda de aire (mxima, mnimo, variaciones estacinales, previsin a

futuro).

Tipo de edificacin en que se instalara el compresor cuyos factores a considerar son:

Limitaciones del espacio. Carga que puede soportar el suelo. Limitaciones de vibracin. Disponibilidad y costo de agua de refrigeracin. Costos de energa, limites de disponibilidad de potencia, limitaciones del

ruido y continuidad o intermitencia de necesidad de aire.

Condiciones ambientales; los factores que aqu hay que considerar son: temperaturas externas, grado de contaminacin del aire, altitud, etc.

Continuidad o intermitencia en la necesidad de aire. Experiencia del usuario en mantenimiento y manejo

Capacidad de aire a instalar

Para calcular la capacidad del aire a instalar se debe considerar los siguientes factores:

La necesidad de aire total no debe ser el total de los requerimientos mximos individuales. Si no la suma del consumo de aire en valor promedio de cada consumidor.

La determinacin del consumo de aire en valor promedio se obtiene por medio del llamado factor de energa.

El factor de carga viene dada por la relacin entre el consumo de aire real, el consumo continuo mximo de aire a plena carga.

El primer factor es el de tiempo, durante el cual el sistema esta realmente funcionando.

El segundo factor es el de trabajo, porcentaje de aire requerido por el mecanismo que ha de realizar realmente el trabajo, para obtener el rendimiento mximo posible.

El factor de carga es el producto de factor tiempo por factor de trabajo.

En el clculo total de la demanda de aire debe contemplarse las fugas; y por ello debe aadirse un consumo adicional equivalente al 10% del consumo total.

Las lneas de aire se deben mantenerse hermticas.

Instalacin centralizada o descentralizada En la planificacin para una instalacin de aire comprimido se establecer una

planta compresora a una serie de unidades situadas a los puntos principales de consumo.

El consumo de aire en los diferentes puntos variar de tal manera que el mximo no

se d simultneamente. El caudal requerido para el caso de una planta compresora central, ser algo mas

bajo que el consumo terico mximo, la misma condicin se aplicar al consumo mnimo en los diferentes puntos ya que la tendencia general se encamina hacia el consumo de aire un tanto mayor. Todo ello significar un menor funcionamiento en vaci de la planta central de la compresora y a la mejor utilizacin de energa. Una planta central permite que se instalen unidades compresoras ms grandes que generalmente ofrecen un rendimiento mas elevado.

Es importante disponer de cierta reserva de suministro de aire en el caso de una instalacin de compresores centralizadas, esto significar un incremento adicional sobre la capacidad de la planta compresora, ya que el caudal de reserva le pueda suministrar cualquier compresor.

El costo inicial de una planta compresora es mas bajo as mismo el costo del bastidor, fundacin e instalacin ser ms pequeo en una gran planta concentradora centralizada que los costos derivados de la instalacin de varias unidades o pequeas plantas descentralizada. Los costos de mantenimiento o supervisin son tambin bajas y a todo esto hay que aadir la ventaja inicial relativa a un funcionamiento con mayor rendimiento que es tanto como decir a ms bajo costo.

Los costos de instalacin y mantenimiento de tuberas de distribucin son mas bajas en un suministro descentralizado, debido a que las tuberas son pequeas y cortas, as mismo significan menos fugas y consecuentemente menor costo de energa.

Las plantas compresoras por encima de un tamao determinado necesitan de un operario.

SISTEMA DE ASPIRACIN La aspiracin de un compresor debe estar lo menos contaminado

posible, estos contaminantes slidos producen desgastes y los gaseosos corrosin.

Tubera de Aspiracin.- Son de las siguientes caractersticas:

La tubera de aspiracin es generalmente circular, de acero y con espesores de pared comprendidos entre 1.5 y 2.5 mm. Su instalacin se facilita si la misma va embridada.

En los compresores de simple efecto la velocidad de aire de aspiracin es de 5-6 m/seg. y en los de doble efecto de 6-7m/seg. Instalando silenciadores tipo venturi pueden admitirse velocidades superiores en un 50%.

En compresores alternativos (flujo de aspiracin pulsante) con lo que surge el fenmeno de la resonancia, si la longitud de la tubera tiene un valor critico. La resonancia puede originar una sobrecarga del compresor o por el contrario una capacidad reducida.

DISTRIBUCION DEL AIRE COMPRIMIDO Una vez estimada el consumo real de aire

comprimido en cada frente de trabajo, se realiza el diseo de las instalaciones pertinentes para su distribucin. El consumo de aire se calcular teniendo en cuenta las proyecciones futuras de las labores, aplicaciones del aire comprimido en otros equipos a parte de las perforadoras.

Todo ello debe de transformarse en un plano vista en planta y en tridimensional, indicndose los puntos de referencia y cotas.

Los parmetros claves que deciden en una distribucin de aire comprimido son: La presin atmosfrica en el lugar de instalacin del compresor y puntos de trabajo, el caudal del aire comprimido que suministrar el compresor, las prdidas de presin y la velocidad de circulacin.

Distribucin del aire

CAIDA DE PRESIN Los puntos ms importantes para el rendimiento, seguridad y

econmico de una red de distribucin de aire comprimido comprende:

Reducir al mnimo las cadas de presin entre la sala de compresor y los puntos de consumo de aire.

Reducir al mnimo la fugas. Reducir al mnimo el contenido de humedad en todo el sistema.

Una cada de presin significa que en los puntos de consumo de aire, la presin es inferior a la de la sala de compresores y consecuentemente las mquina pierden potencia. Por ello la red debe dimensionarse de manera que cualquier incremento futuro en el consumo de aire no signifique una cada de presin excesiva que obligue a reemplazar todo el sistema.

Las redes permanentes deben disearse de modo que la cada de presin entre las compresoras y el punto del consumo ms alejado no sea superior a 0.3 bars en el caso de minas con instalaciones de redes muy largas se pueden aceptar cadas algo mayores, aunque nunca deben ser superiores a 0.5 bars.

FLUJO POR TUBERIAS

Para iniciar y mantener el flujo de aire por una tubera se requiere una cierta diferencia de presin para vencer la resistencia por rozamiento del fluido contra las paredes de la tubera y acoplamientos.

La cuanta de la cada de presin depende: Del dimetro de la tubera. Longitud y forma de tubera. Rugusidad interior superficial. Tipo de acoplamientos. Nmero de Reynols. La prdida de presin es una disminucin de energa y por lo tanto un

incremento en el costo operacional.

C.L.Q2

P = ---------------------- r. d5

Donde:

P : Cada de presin, psi. L : Longitud del tubo o longitud equivalente, pies.

Q : Caudal de aire libre, Pies3/seg.

r : Relacin de compresin.

d : Dimetro interior del tubo, pulg.

C : Coeficiente experimental

f.L.Q1.85

P = ----------------------

Pm. d5

Donde:

P : Cada de presin en bar.

L : Longitud del tubo o longitud equivalente en metros.

Q : Caudal de aire libre comprimido en litros/seg.

f : Factor de rozamiento ( para tuberas convencionales de acero o fierro negro como las utilizadas para el aire comprimido ( f : 500).

d : Dimetro interior de la tubera en mm.

Pm : Presin media absoluta en bars.

1.6 x 102.Q1.85 x L

P = -------------------------- Pt. d5

Donde:

P : Cada de presin en (Kpa.) L : Longitud equivalente de la tubera en metros.

Q : Caudal de aire libre en (m3/seg).

D : Dimetro interior de la tubera en mm.

Pt : Presin de trabajo en (Kpa.).

CAIDA DE PRESIN POR FRICCIN

CONSUMO DE AIRE Presin Dimetro del cilindro de la perforadora, pulg.

manomtrica ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

psi 2 2 1/4 2 1/2 2 3/4 3 3 1/8 3 1/6 3 1/4 3 1/2 3 5/8 4 1/4 5 5 1/2

60 50 60 68 82 90 95 97 100 108 113 130 150 164

70 56 68 77 93 102 108 110 113 124 129 147 170 181

80 63 76 86 104 114 120 123 127 131 143 164 190 207

90 70 84 95 115 126 133 136 141 152 159 182 210 230

100 77 92 104 126 138 146 146 154 166 174 199 240 252

Aire requerido con mquinas perforadoras para un promedio de 90 psi Tipo Dimetro de martillos

( Pulg.)

Aire libre

requerido

(cfm)

Tipo Dimetro de

martillos

( Pulg.)

Aire libre

requerido

(cfm)

Stoper

Stoper

Jumbo

2 9/16

2

2

140

160

130

Jumbo

Jumbo

Jumbo

3

3

4

140

180

200

COEFICIENTE DE SIMULTANEIDAD

No. Perforadoras 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 15 20 30 40 50 70

F. S. 1 1 1 1 1 1 0.98 0.94 0.91 0.9 0.88 0.84 0.8 0.78 0.77 0.76 0.75

Equivalente 1 2 3 4 5 6 6.8 7.5 8.2 9 10.5 12.6 16 23.5 31 38 52.5

En un sistema de operacin minera, se emplea diversas mquinas y todas no operan simultneamente, el promedio de los coeficientes de utilizacin de cada una de las mquinas, nos dar una cifra denominada Coeficiente de Simultaneidad. Para los equipos de perforacin se han obtenido una estimacin en que ms de una perforadora pueden operar al mismo tiempo cuando se tienen trabajando gran nmero de perforadoras en diferentes frentes

FUGAS

Dimetro del

orificio en mm.

Fugas de aire a 6 bar Potencia necesaria para compresin

Litros/seg m3/min Kw CV

1

3

5

10

1

10

27

105

0.06

0.6

1.6

6.3

0.3

3.1

8.3

33.0

0.4

4.2

11.2

44.0

Redes distribuidos incorrectamente mantenidas, pueden llevar a cifras por fugas extremadamente altas; se ha llegado a casos de hasta un 30% de la capacidad instalada cuando la red de tuberas no es mantenida adecuadamente.

En la practica no es posible eliminar totalmente las fugas, ya que con un mantenimiento moderado las prdidas por fugas se pueden mantenerse entre un 5% a 10%. Las mediciones de fugas son particularmente necesarias, ya que stas se pueden determinar por cada seccin del sistema de instalacin