AIRE COMPRIMIDO

El Aire Comprimido es suministrado para los trabajos de perforacin, limpieza con palas neumticas y para disipar el aire viciado mediante una manguera con aire comprimido ubicada en la bocamina desde donde se introduce al interior de las diferentes labores o tajeos.

Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presin del aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumticos se alimentan desde una estacin central. Entonces no es necesario calcular ni proyectar la transformacin de la energa para cada uno de los consumidores. El aire comprimido viene de la estacin compresora y llega a las instalaciones a travs de tuberas.Los compresores mviles se utilizan en el ramo de la construccin o en mquinas que se desplazan frecuentemente.En el momento de la planificacin es necesario prever un tamao superior de la red, con el fin de poder alimentar aparatos neumticos nuevos que se adquieran en el futuro. Por ello, es necesario sobredimensionar la instalacin, al objeto de que el compresor no resulte ms tarde insuficiente, puesto que toda ampliacin ulterior en el equipo generador supone gastos muy considerables.Es muy importante que el aire sea puro. Si es puro el generador de aire comprimido tendr una larga duracin. Tambin debera tenerse en cuenta la aplicacin correcta de los diversos tipos de compresores.

Tipos de compresores

Segn las exigencias referentes a la presin de trabajo y al caudal de suministro, se pueden emplear diversos tipos de construccin. Se distinguen dos tipos bsicos de compresores:El primero trabaja segn el principio de desplazamiento. En este caso el aumento de presin se consigue disminuyendo el volumen de una determinada masa de gas. Se utiliza en el compresor de mbolo (oscilante o rotativo).

El segundo cambia el concepto, el aumento de presin surge como consecuencia del aumento de la energa cintica, que ha conseguido comunicrsele al gas segn el principio de la dinmica de los fluidos. El aire es aspirado por un lado y comprimido como consecuencia de la aceleracin de la masa (turbina).

COMPRESORES DE MBOLO

Compresor de mbolo oscilante. Este es el tipo de compresor ms difundido actualmente. Es apropiado para comprimir a baja, media o alta presin. Es un compresor de desplazamiento positivo de accin rectilnea, es un compresor de pistn. Su funcionamiento es muy simple y consiste en encerrar en un depsito una determinada cantidad de aire (el que ha ingresado por la vlvula de admisin), disminuir su volumen por desplazamiento del pistn y entregado al consumo, (o almacenamiento) a travs de la vlvula de escape.

Compresor de mbolo oscilante

IngresoSalida

En la figura se muestra un esquema de funcionamiento de un compresor monocilindrico.

El esquema anterior corresponde a un compresor de una sola etapa, aunque es posible construir compresores de varias etapas. El ms comn es el compresor de dos etapas, que se mostrara en u croquis ms adelante con construccin tipo V.Puede observarse que entre la primera etapa, conocida generalmente como etapa de baja, y la segunda tambin conocida como etapa alta, existe la posibilidad de refrigerar el aire.Esto suele aprovecharse para mejorar la prestacin del compresor, ya que de no hacerlo el aire ingresara caliente en el segundo cilindro y por lo tanto con menor masa por unidad de volumen.

Por otra parte, descubrimos tambin que la segunda etapa "aspira" aire a mayor presin que la atmosfrica. Si aceptamos la idea de que por el compresor deber circular la misma masa de gas al tiempo que exigimos sobre la bielas un esfuerzo de magnitud comparable, resulta para la segunda etapa un volumen menor que para el de la primera.SalidaIngreso

Esquema de un compresor bicilindrico con refrigeracin intermedia (disposicin en V)

Lo dicho, implica la utilizacin del movimiento alternativo en un sol sentido, sin embargo existen construcciones que permiten aprovechar los dos: el de ida y el de regreso.Continuacin mostramos un compresor de disposicin en L, de dos etapas en el que se aprovechan los movimientos mencionados.IngresoSalida

Esquema de un compresor bicilindrico con refrigeracin intermedia (disposicin en L)

Las configuraciones existentes, en cuanto a compresores de pistn se refiere, son muy numerosas. En forma de breve resea citaremos algunas: monocilindrico (horizontal y vertical), en "V", en "W", opuestos, escalonados, en "L" y pendular.Es interesante destacar que las construcciones vistas corresponden a todo un grupo de compresores llamados de "pistn lubricado".La misma situacin se repite para todas las versiones de "pisto seco", es decir sin lubricacin.

La principal caracterstica de este tipo de compresores es que pueden producir aire comprimido exento de aceite), y por lo tanto puede elegirse para usos donde ste pueda resultar un contaminante del producto procesado.En general los compresores de pistn (seco o hmedo) tienen una posibilidad operativa muy amplia desde presiones moderadas y caudales insignificantes, hasta grandes presiones y grandes caudales (1.000 Bar y 25.000 m3/hora). Constituyen la solucin formal para casi cualquier problema de compresin, por ese motivo son tambin los ms difundidos.

SalidaIngreso

Esquema de un compresor bicilindrico de membrana

COMPRESORES DE DIAFRAGMA

Pertenecen al grupo de los desplazamientos rectilneos y consisten en una membrana (o diafragma) capaz de modificar el volumen existente sobre ella por la accin de una corredera (pistn) solidaria a la misma desde la parte inferior.El croquis de la figura anterior nos aclara el principio de funcionamiento. Su principal caracterstica es la de comprimir aire sin que exista la posibilidad de contaminacin con el aceite de lubricacin. Sus posibilidades se limitan a bajos caudales y a presiones moderadas.

COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO ROTATIVOS

De un Rotor. Compresor de PaletasEste compresor es de funcionamiento muy sencillo. Sus caractersticas constructivas tambin son simples.Consiste esencialmente en un rotor, que gira excntricamente dispuesto con respecto a un estator capaz de contenerlo (Ver figura). Sobre el primero, y radialmente dispuestas, existen paletas que limitan un determinado volumen al "tocar" constantemente sobre el cuerpo (estator). Este volumen, como puede apreciarse disminuye en tanto el giro progresa, desde la entrada hacia la salida consiguindose as la compresin.

SalidaIngreso

Esquema de un compresor rotativo de paletas

La caracterstica ms importante es que al tener el lecho fluido (generalmente agua), la compresin se realiza casi a la misma temperatura ya que esta acta como refrigerante.Compresor de Tornillo Simple

No son en general muy difundidos, pero a los efectos de completar el cuadro general de compresores, haremos aqu algunos comentarios.Se trata de un tornillo que gira sobre su eje y el que engranan, simtricamente dispuestos dos rotores pianos que hacen las veces de compuerta.El filete al desplazarse va "amontonado" el aire hacia la salida.

Vista simplificada de un compresor de tornillo simple

DE DOS ROTORESCompresor de Tornillo

En la construccin de este tipo de compresores interviene dos tornillos de caractersticas distintas, en cuanto a su perfil se refiere: uno es cncavo y el otro es convexoEn la figura anterior podemos apreciar, en perspectiva, como el filete de uno de los tornillos penetra casi completamente en el otro durante su rotacin.El arrastre del aire producido de esta forma, es el que lo hace comprimirse y lo empuja a la salida.

El aspecto de los tornillos, en realidad, se acerca bastante al croquis que prestamos en la figura que mostramos ms adelante.La caracterstica ms importante de este tipo de compresor de tornillo es que su funcionamiento es relativamente silencioso, produce grandes caudales y su presin puede llegar a ser elevada dependiendo de su construccin.En algunos casos suelen combinarse en dos "estaciones" de compresin, donde una alimenta a la otra (como en el caso de los de pistn). De esta forma puede conseguirse presiones de hasta 22 Bar.

En general trabajan bajo una constante inyeccin de aceite, que tiene la funcin de sellador y refrigerante, aunque tambin existen los que trabajan en seco.

IngresoSalida

Esquema de un compresor RootCompresor Root Otra interesante construccin de dos rotores se debe Root. Este compresor presenta dos lbulos cuyo perfil permite la rotacin simultnea y la constante penetracin de uno el sobre otro.

Esta situacin hace que quede encerrado en forma sucesiva un determinado volumen de aire que disminuye hacia la salida a medida que el giro se produce. La figura anterior nos muestra un croquis en el que podemos apreciar su funcionamiento.Debido a la brusca disminucin del volumen, estos compresores son muy ruidosos. Brindan un caudal significativamente alto, pero, a presiones muy bajas.Es por esta caracterstica que se le conoce ms comnmente como soplador Root y no suele utilizarse para automatizacin.

COMPRESORES DINAMICOS

Turbo Compresor RadialComo su denominacin lo indica, este compresor funciona en forma muy semejante a una turbina, slo que aqu los labes en lugar de producir el trabajo, lo consumen.El recorrido del gas se realiza entre etapa y etapa, siguiendo un camino radial, de all nombre.El gas proyectado contra la carcasa transforma su energa cintica en energa de presin.Tomado de la atmsfera, el aire va recorriendo todas las etapas de compresin. Puede advertirse que a medida que se van superando etapas, la presin acumulada aumenta con la consiguiente disminucin del volumen por unidad de masa.Dependiendo del tipo de construccin, puede conseguirse resultados ms aceptables desde punto de vista de la energa consumida.

Esquema de un turbo- compresor de eje comn

DEFINICIONES

Para la seleccin de compresoras tenemos las siguientes definiciones:a. Presin absoluta.-Es la suma de la presin manomtrica y la presin atmosfrica.

b. Aire Libre.- Es el aire que entra en la compresora a presin atmosfrica. Los fabricantes dan la capacidad de sus compresoras en pies cbicos u otras unidades referidas al aire libre, presin atmosfrica al nivel del mar 14.75 lbs/pulg2y a una temperatura de 60F.

c. Eficiencia volumtrica.-Es la relacin de volumen de aire libre que entra en la compresora y el volumen terico del desplazamiento del embolo del pistn. En las compresoras de calidad, la eficiencia es del 90% o ms y en compresoras pequeas la eficiencia es menor.

d. Factor de compensacin de altura.- Es el factor por el que se multiplica el volumen de aire a nivel del mar para obtener la misma cantidad de aire a una determinada altitud.V1 x P1 =V2 x P2

e. Presin.- La eleccin de la "presin mxima necesaria de utilizacin" es uno de los parmetros principales que permitir la acertada eleccin del compresor.La "presin mxima de utilizacin" la determina el equipo ms exigente al que habremos de entregar aire.La eleccin recaer finalmente en aqul compresor que satisfaga la "mxima presin de utilizacin" a la vez que los requerimientos de otros parmetros.

f. Caudal.- Cuando se habla de caudal, el tema parece estar claro, sin embargo es diferente hablar de: Caudal que el compresor puede suministrar y del Caudal necesario para el correcto funcionamiento del equipo de la planta.En el primer caso no debe confundirse caudal suministrado con desplazamiento (para el caso de los compresores de pistn). Casi en general el suministrado es menor que el desplazado.

En el segundo caso, la posicin del usuario es ms clara; debe pedir el caudal real para dar satisfaccin a sus necesidades.Quizs la tarea ms difcil es conocer esa realidad. En una primera intencin parece fcil pensar que el consumo total es la simple suma de los consumos parciales, sin embargo esto no es cierto dado que el consumo no es continuo sino alternado.Se hace necesario, entonces, hacer un estudio de las superposiciones del funcionamiento de los equipos para determinar un "factor de simultaneidad".En general este clculo no es para nada exacto por lo que resulta conveniente, frente a varios resultados, adoptar el ms exigente. (Mayor caudal).

Veremos ms adelante algunas formas de clculo para determinar el consumo de actuadores rectilneos.

TIPOS DE COMPRESIN:

Existen dos tipos de compresin: Adiabtica e Isotrmica

COMPRESIN ADIABATICA: Es aquella en la cual hay un incremento de la temperatura desde la presin inicial de admisin (P1) que es la presin atmosfrica, hasta la presin final (P2), de acuerdo a los requerimientos de su uso; presentndose el inconveniente de la temperatura del aire comprimido. Para este tipo de compresin deber cumplirse que PVK = ConstanteAdems el trabajo desarrollado en comprimir ser:W = 144 P1 V1 P2/ P1 n- 1/ n 1

Dnde:P1 = Presin de admisin (lbs/pulg2)P2 = Presin de entrega (lbs/pulg2)V1 = Volumen de aire libren = Coeficiente politrpico = 1.406W = Trabajo realizado al comprimir

n = CP/ CV = 0.2375/0.1689 = 1.40615749 1.406

COMPRESIN ISOTERMICA: Es aquella en la cual la temperatura inicial (aire libre) se mantiene constante durante el trabajo de compresin, es decir que el calor producido es separado inmediatamente y la temperatura se mantiene constante. En este tipo de compresin se cumple que PV = Constante.Adems el trabajo desarrollado en comprimir ser:

W = 144 P1 V1 Ln (P2/ P1)Donde:P1 = Presin de admisin (lbs/pulg2)P2 = Presin de entrega (lbs/pulg2)V1 = Volumen de aire libre.

EFECTO DE LA ALTURA EN LA COMPRESORA

La compresora volumtrica es igual en toda altitud, debido a que el desplazamiento del pistn de un tamao determinado no cambia. Cuando la eficiencia se expresa en trminos de aire comprimido, decrece a debido a la altitud.Ejemplo:

Se comprime 100 pies cbicos de aire a 100 libras/pulgada2. El mismo volumen es comprimido a 10000 pies de altitud y se desea saber eficiencia volumtrica en trminos de aire comprimido.

Volumen a nivel del mar =

Volumen a 1000 pies de altitud =

Presin atmosfrica a 10000 pies =

La eficiencia volumtrica en trminos de aire comprimido es:

Pres in Atmosfrica a varias AltitudesAltitudPresinPresinAltitudPresinPresin

BaromtricaAtmosfricaBaromtricaAtmosfrica

piespies

pulgadaslb/pulg2pulgadaslb/pulg2

029.9214.7500024.7812.18

50029.414.44600023.8611.72

100028.8714.18700022.9611.28

150028.3413.91800022.110.86

200027.813.67900021.2910.45

250027.3613.381000020.4710.07

300026.7613.161100019.729.7

350026.2614.91200018.899.34

400025.7612.761300018.278.98

450025.2612.261400017.598.32

FACTORES DE COMPENSACION POR ALTITUD

Aplicando la formula anterior se puede hallar el factor de compensacin para una altitud y presin dadas. Ejemplo: Factor de compensacin para 10000 pies de altitud:

REQUERIMIENTO DE AIRE COMPRIMIDO PARA PERFORADORAS

Los fabricantes dan la necesidad de aire libre y a la presin que recomiendan. Estos datos estn referidos al nivel del mar, por lo que es necesario corregirlos de acuerdo a las condiciones reales. Tambin el consumo de aire comprimido es menor por cada una, cuando se da utilizan varias perforadoras simultneamente.

Ejemplo: Se requieren 60 perforadoras Que segn los fabricantes deben funcionar a una presin mnima de 80 lib/pulg2 y tiene un consumo de aire de 114 pies3/min a esa presin. El lugar de trabajo esta ubicado a 15 000 pies de altitud (4577 msnm). Aplicando los valores de la tabla anterior se tiene:

Considerando un factor de seguridad de 30%

SELECCIN DE COMPRESORAS DE AIRE COMPRIMIDO

Las compresoras para aire comprimido como energa, trabajan a una presin manomtrica de 500 lb/pulg2 o menos. La mayora est en el rango 125 lb/pulg2 o menos y son las ms grandes. Por ejemplo, el reciprocante hay en catlogos con una presin manomtrica de 100 lib/pulg2. Hasta 10 500 pies3/min, pero a pedido puede fabricar hasta aproximadamente 26 000 PCM. El tipo de paletas rotatorias estn en catlogos hasta 3 700 PCM, los de tipo helicoidal hasta aproximadamente 20 000 PCM. El tipo centrifugo puede ser fabricado en tamaos muy grandes, generalmente se ofrecen en un mnimo de 5 000 PCM. Actualmente por sus varias ventajas, el tipo de reciprocante es el de mayor demanda. En el ejemplo anterior seleccionaramos el tipo reciprocante de 2 etapas con una capacidad en catlogos cercanos a 6 230 PCM. La presencia de humedad en el aire comprimido ocasiona prdidas de energa. La cantidad de aire libre para comprimir es disminuida por el volumen de vapor de agua presente.

TRANSMISION DE AIRE COMPRIMIDO

Existen tablas que muestran las prdidas de presin debido a la friccin en tubos y mangueras dados en gasto y la presin manomtrica del aire comprimido y el dimetro interior del tubo a manguera. Si no se dispone de tablas se puede utilizar la siguiente formulas:

Dnde: P1 = Presin absoluta al inicio (reciever), lb/pulg.2 P2 = Presin absoluta al final (perforadora), lb/pulg.2 V = Volumen de aire pasando por el tubo, pies cbicos por minuto (pcm) L = Longitud de la tubera, pies D = Dimetro interno de la tubera, pulgadas

Ejemplo 1: Se desea saber el dimetro de tubera para conducir 6500 pcm, por una longitud de 5000 pies y que adems tendr una vlvula globo, un codo de 90 y 2 de 45. La presin manomtrica del reciever es 100 lb/pulg.2 y el extremo debe tener 90 lb/pulg.2. El pulgar est a 15000 pies de altitud. Asumiendo que el dimetro ser de 10 pulgadas, se tiene:

De la tabla anterior se tiene las longitudes rectas equivalente de:1 vlvula globo = 284.0 pies1 codo de 90 = 25.1 pies2 codos de 45 = 26.8Total = 284.0 + 25.1 + 26.8 = 336 piesLongitud total5000 + 336 = 5336 piesDimetro de la tuberaAplicando:

Pa = 7.66 lb/pulg2 a 15000 pies de altitudReemplazando:

D= 9 pulgadas (10% menos que el asumido)

Ejemplo 2:

En las condiciones del ejemplo anterior. Se abrir un tnel de 2000 pies y se requiere 250 pcm de aire libre a una presin manomtrica de 85 lb/pulg.2 y tendr una vlvula de compuerta. Se desea saber cul ser el dimetro mnimo de la tubera. Asumiendo que la tubera ser de 4 pulgadas, se tiene: 1. De la tabla 2.3 la longitud equivalente por accesorio:

Vlvula compuerta = 4.5 pies

2. Longitud total: 2000 + 4.5 = 2004.5 pies

3. DatosP1 = 90 + 7.66 = 97.66 lb/pulg2P2 = 85 + 7.66 = 92.66 lb/pulg2V = 250 PCML=2004.5 pies4. Reemplazando

D =2.31 pulgadas

EFECTO DEL CAMBIO DE ALTITUD EN LA TRANSMISION DE AIRE COMPRIMIDO En la prctica generalmente se toma un valor promedio de temperatura de 60 F, entonces la frmula a aplicarse es:

Dnde: P2 = Presin absoluta a la altitud h, lb/pulg2 H = Altitud o diferencia de elevacin entre 2 puntos. P1 = Presin absoluta a nivel del mar, 14.75 lb/pulg2 o de otro punto conocido.

Ejemplo 1:

La casa de compresoras est a una altitud de 15000 pies y la seccin ms profunda de la mina est a una altitud de 13000 pies. Se desea saber cul debe ser la presin del aire comprimido de salida (reciever) para que la presin manomtrica no sea menor a 80 lb/pulg.2 en la seccin profunda. Presin atmosfrica a 15000 pies de altitud = 7.66 lb/pulg.2 Presin atmosfrica a 13000 pies de altitud = 8.98 lb/pulg.2

Aplicando:

Dnde:

Remplazando:

Presin manomtrica = 82.7 7.66 = 75.11 lb/pulg.2

Ejemplo 2:

La casa de compresora est a 15000 pies de altitud y la seccin donde se utilizara el aire comprimido est a 17000 pies de altitud. Se desea saber cul debe ser la presin manomtrica de salida de la compresora (reciever) para que la presin manomtrica en la seccin no sea menor de 80 lb/pulg.2

Presin atmosfrica a 15000 pies de altitud = 7.66 lb/pulg.2 Presin atmosfrica a 17000 pies de altitud = 6.34 lb/pulg.2

Aplicando:

Dnde:

Remplazando:

Presin manomtrica = 92.23 6.34 = 85.89 lb/pulg.2

FUERZA MOTOR DE LA COMPRESORA

Hay varias frmulas para determinar el tamao del motor de una compresora. Algunas de las ms comunes son: Para una compresora de una etapa:

Dnde:

V1 = Volumen de aire libre a ser comprimido, pcm P1 = Presin absoluta inicial, lb/pulg.2 P2 = Presin terminal (deseada), lb/pulg.2 n = Exponente adiabtico de compresin = 1.406 E = Eficiencia de la compresora de 85 a 93%, en la prctica se toma 85%

Para compresora de dos etapas:

Dnde: V = Volumen de aire libre entrante al cilindro de baja presin, pcm Pa = Presin atmosfrica entrante al cilindro de baja presin, lb/pulg.2 P2 = Presin absoluta final deseada en el cilindro de alta presin, lb/pulg.2 n = Exponente adiabtico de compresin = 1.406 E = Para efectos prcticos = 85%

Ejemplo:

Se requiere comprimir 4200 pcm de aire libre a 90 lb/pulg.2. La casa de compresoras est a una altitud de 5000 pies.

Presin atmosfrica a 5000 pies de altitud = 12.22 lb/pulg.2 Presin absoluta deseada = 90 + 12.22 = 102.2 lb/pulg.2

Reemplazando valores en la frmula de compresora en dos etapas:

HP =685

Considerando una eficiencia del motor de 90% se tiene:

Se seleccionara el motor estndar mas cercano.3.- Se desea saber el dimetro de tubera para 5 500 PCM, por una longitud de 988 pies y que adems tendr una vlvula de globo, un codo de 90 y 2 codos de 45. La presin manomtrica del receiver es de 100 lb / pulg 2 y el extremo debe tener 90 lb / pulg 2 El pulgar est a 4550 pies de altitud. Resolvemos:

Una vlvula de globo = 284 pies Codo de 90 = 25,1 pies 2 codos de 45 = 26.8 pies

Tenemos que nuestra Longitud Total es de 336 pies.

Dimetro de la Tubera

D = ( (V2 * 2) / 2000 ( P12 P2 2 ))1/5

Reemplazando:D = ( (5500 2 * 1324) / 2000 ( 112.212 102.21 2 ))1/5D = 6 pulg.