AIRE COMPRIMIDO

AIRE COMPRIMIDOVentajas del aire comprimidoEl aire comprimido no es en si mismo una forma de energa, pero si es un medio para transferirla o convertirla. Otros medios son la electricidad y la hidrulica ( la presin hidrulica es la presin transferida por un liquido incompresible, como por ejemplo: agua, aceite, etc., transportado por una bomba, desde cualquier deposito, al lugar de utilizacin). Comparando el aire comprimido (como el conjunto compresor, red de aire y herramientas neumticas) con la electricidad (como el conjunto generador, red de cables, y motor elctrico), encontrara que la electricidad es mas eficiente, es decir, se utiliza mejor su energa. Pero entonces cabe preguntarse porque el aire es tan competitivo y popular.La respuesta es que se puede sacrificar algo de energa al objeto de ganar, notablemente en seguridad y velocidad de trabajo, all donde tal energa se utilizaSi nos preguntamos donde se utiliza el aire comprimido y donde buscar las aplicaciones. De los compresores, maquinas y equipos neumticos, encontraramos tres reas donde el mencionado es utilizado : construccin edificaciones eyeccin de lechadas ingeniera civilMinera Perforacin carguo transporteIndustria fabricacin procesos, transporte de valores medicina (Dentistas)INSTALACION COMPLETAUna instalacin de aire comprimido o de energa neumtica esta compuesta de un compresor que suministra este fluido, una red de tuberas que lo distribuye y finalmente una maquina que lo utiliza. Adems estas instalaciones deben contar con otros accesorios que son intercalados entre el compresor y la maquina en funcin de su uso, como ser secadores de aire, acumuladores de aire, enfriadores, lubricadores, vlvulas de seguridad, etc.

Estos sistemas los podemos separar en tres componentes

En general en los sistemas de energa que se utilizan en la minera por lo general debemos conocer el tercer modulo maquinaria o consumidores, ya que debemos saber pedir la cantidad de energa requerida para realizar nuestro trabajo si es elctrica los kilowatts, si es diesel los litros de petrleo, si es neumtica el caudal y la presin, en las dos primeras no se requiere disear la red de distribucin ni la generacin ya que son servicios entregados ,en el caso de la energa neumtica debemos disear y controlar

GeneracincompresorRed de distribucin de caerasConsumidoresmaquinariaInstalacin completa de aire comprimido

ENERGIA ELECTRICAEn el uso de energa elctrica se requiere saber la cantidad de Kilowatts o en otras palabras la potencia requerida, el tipo de corriente para ello vamos a definir ciertos conceptos para tener un lenguaje comn con los especialistas del rea.

Ley de Ohm: donde V es el diferencial de potencial y se mide en volts, R es la resistencia que opone el conductor al paso de electrones, y depende del material, del dimetro, largo, y se mide en ohm, I es la intensidad de corriente o flujo de electrones y se mide en amperes, esta formula es valida solo para corriente continua

Potencia . Y se mide en watts, valida para corriente mono fasica.Un Kilowatts = 1000 Watts otras veces es expresado en Hp (horse power)Un Hp = 746 watts = 0,746 kilowatts

Corriente alterna es la que comnmente usamos y el caso de nuestro pas la encontraremos en nuestros hogares como corriente 220 volts mono fasica y se reconoce por tener tres conductores uno rojo es el positivo el que lleva la intensidad de corriente, otro blanco que es el neutro y un tercero de color amarillo y/o verde que es la tierra, en la industria encontraremos la que llamamos corriente industrial o trifsica, en este caso la reconoceremos por que tiene cinco conductores tres de color rojo en cada uno de ello lleva 110 a 130 volts, uno de color blanco que es el neutro y el quinto es la tierra de color verde y/o amarillo, los colores son los que estipula la norma elctrica internacional.El calculo de la potencia activa en la corriente trifsica se realiza con la siguiente formula:

La intensidad para un motor trifsico es:

Donde:

cos : coseno fi varia entre 0,80 a 0,90 por lo general se usa 0,85 : es el rendimiento del motor elctrico: es el ngulo de faseCon esto se determinan los consumos de potencia elctrica

La corriente alterna trifsica se genera por un alternador con tres bobinas con una separacin angular de 120

Es posible conectar los seis terminales de las bobinas en dos formas diferentes conocidas como estrella y tringulos respectivamente

Determinacin de los Consumos de Aire ComprimidoPara ello es necesario conocer los equipos que usan energa neumtica, conociendo el consumo de aire comprimido y la presin de trabajo de cada uno de ellos, adems de conocer el estado mecnico, el grado de utilizacin, la cantidad de equipos neumticos de cada tipo, el estado mecnico de la red, con estos datos rellenaremos la siguiente tabla

K1 = correccin por presin de trabajo ( se saca de tabla)K2 = correccin por estado mecnico de las maquinas = 1,05K3 = correccin por numero de equipos y grado de utilizacin ( de tabla)K4 = correccin por estado mecnico de la red ( )Tipo de trabajo o maquinaCantidad de equiposconsumoPresin de trabajo Grado de utilizacionK1

K2K3

k4

Con estos datos se puede calcular de la siguiente forma:

Donde:Qa = Caudal aparente Ni = cantidad de equipos tipo i C = consumo de los equipos tipo i Qat=sumatoria de todo los caudales aparentes

Una vez calculado los caudales aparente totales, que seria el caudal a entregar si la faena estuviera ubicada a nivel del mar, como eso no lo es este caudal deber ser corregido de acuerdo a las condiciones del lugar de instalacin de la planta generadora si se conoce la cota el factor de reduccin (Fr ), se saca de la tabla o en caso contrario se deber calcular conociendo ciertos parmetros como son: Presin atmosfrica del lugar (Pa), Presin de vapor de agua del lugar (Pha ), presin atmosfrica (P0) y del vapor de agua (Pho ), del lugar de referencia y las temperaturas absolutas Ta y To del lugar de instalacin y el de referencia.

El caudal total real se obtiene de la siguiente forma:

Este caudal esta dado en metros cbicos por minuto

Con esto tenemos el caudal total que se deber producir por minuto la planta generadora de energa neumtica. Esta planta estar compuesta de compresoras, las que se clasifican a como comprimen el aire ya sea reduciendo el volumen ( compresores de desplazamiento) o dndole velocidad al flujo hacindolo pasar por conductos estrechos( compresores dinmicos), de esta forma se obtiene la energa de presin, esta clasificacin se subdivide a como se construyen dando origen a toda la gama de compresoras las que se seleccionan de acuerdo a su uso:

Otra clasificacin se refiere a la movilidad del compresor :

Compresores mviles: estos van montados sobre un chasis con ruedas, por lo general son de bajos caudal, se usan cuando los trabajos son espordicos de corta duracin y de lugares distantes, son muy usados en obras civiles, reparacin de caminos ,etc.

Compresores estacionarios: estos son enclavados al piso o en uniones flexibles, en otras palabras son fijos, son usados cuando todo los frentes de trabajo estn cercanos, los trabajos son de larga duracin y se requiere un caudal grande:

De esta clasificacin los mas usados en minera son de Desplazamiento ya que ellos son de gran presin pero de bajo caudal y de entre ellos los alternativos o de pistn, pero han perdido campo por los rotatorios por los de tornillo de dos rotores, los compresores dinmicos son de gran caudal y de bajas presiones, de ellos el mas usado es el radial mas conocido como compresor centrifugo

Los compresores, comprimen el aire realizando un trabajo isentropico en una o dos etapas, el a hacerlo en dos etapas, lo que se trata de hacer es economizar trabajo y a que de esta forma se acerca a la curva isotrmicaEcuacin para el calculo del trabajo isotrmico o ideal

Ecuacin para el calculo del trabajo isentropico monofsico:

Para determinar el trabajo isentropico bifsico ( o sea en dos etapas) se deben sumar dos trabajos monofsicos, en que se suponen que no hay perdidas de presin y se logra refrigerar el aire hasta la temperatura inicial antes de comenzar la etapa de alta compresin

los supuestos son los siguientes:

Realizando los cambios de variables con los supuestos e derivando la ecuacin respecto a P2 y este resultado es igualando a cero para minimizar el trabajo se obtiene lo siguiente:

reemplazando esto en la ecuacin del trabajo bifsico queda lo siguiente:

A los compresores se les debe determinar los rendimientos ya que ellos nos entregan las posibles fallas, los rendimientos a determinar son los siguientes: RV = rendimiento volumtrico, es la razn entre la capacidad o aire entregado (C) y el desplazamiento o aire movido (D) = C/D este rendimiento nos indica fugas de caudal por mal ajuste de vlvulas o uniones entre la baja y alta presin, fallas mecnicas del compresorRc = rendimiento de compresin es la razn entre el trabajo isotrmico o ideal y el trabajo efectivamente realizado, este rendimiento nos indica fallas en el enfriador intermedio, por falta de refrigerante, roto, tapado etc, , mala refrigeracin del aire comprimidoRm = rendimiento mecnico es la razn entre el trabajo efectivamente realizado y el trabajo entregado en el eje del compresor, este rendimiento nos indica fallas en el sistema de unin motor compresor, motor sobre dimensionado o sub dimensionado para el compresor Rt = rendimiento total que es el producto entre el rendimiento de compresin y el rendimiento mecnico, indica cualquier cosaRENDIMIENTO VOLUMETRICO

Para determinar el rendimiento volumtrico se usa la siguiente ecuacin

Donde C es la capacidad que representa el caudal entregado por el compresor a tantas revoluciones por minuto (m3/min), que se puede determinar teniendo un recipiente de volumen conocido (V2) el cual llenaremos a la presin final establecida (Pf) para descargar el aire, teniendo presente la cantidad de revoluciones usadas para llenar el recipiente:

D es el desplazamiento que realiza el compresor en la cmara de baja presin y equivale al volumen de aire aspirado por minuto (m3/min) si el compresor es de pistn se puede determinar de la siguiente forma:

Donde Aenb = rea del embolo del cilindro de baja presin Aenb = rea del vstago L = largo de la carrera si es de simple efecto, si es de doble efecto se reemplaza por 2L N = revoluciones por minuto

RENDIMIENTO DE COMPRESIONRc se determina por medio de la siguiente ecuacin:

RENDIMIENTO MECANICO Rm ES EL RENDIMIENTO MECANICO DEL COMPRESOR Y SE PUEDE DETERMINAR DE LA SIGIENTE FORMA:

RENDIMIENTO TOTALRt es el rendimiento total y se determina de la siguiente forma:

Cuando se deben seleccionar el o los compresores para la planta de aire comprimido estos deben ser como mnimo dos compresores uno de ellos abastece el total de la demanda y el otro esta en reserva para trabajar cuando el otro entra en mantencin o reparacin, esta puede demandar un costo muy alto al ser un equipo muy grande y estar de para, para evitar esto puede elegir equipos mas pequeos que en conjunto entreguen le caudal demandado, dejando solo uno en operacin, la experiencia dice que todo los equipos deben ser del mismo modelo y marca para no tener un stock de capital inmovilizado en repuestos, manteniendo solo un equipo en reserva, esta misma experiencia dice que el caudal en reserva no debe ser menor a un 25 % del total, por lo tanto Ud. comprara n compresores y en operacin tendr n-1 compresor trabajandoCalculo del costo del metro cubico de aire comprimido producido en la plantaEl costo del metro cubico producido se puede calcular determinando primero el costo total el cual esta compuesto por el costo de adquisicin mas los costos de operacin y la produccin de aire comprimido por hora:

Calculo de la depreciacinEn line recta o lineal:

Saldos Decreciente:

Suma de los dgitos de los aos:

Inversin promedio anual (IPA)

Por lo tanto para para determinar el costo del metro cubico producido Ud. tiene lo siguiente:Caudal total real demandado Qrt en m3/min y se requiere este caudal producido en una hora Qt

m3/hora

El costo tala de la planta ser:

Por lo tanto el metro cubico de aire producido ser

Accesorios

Filtros de aireDeposito de aire comprimidoAmortiguadores de pulsacionesSecadores de aireSeparadores de condensadosVlvulas de seguridadVlvulas de control y desahogoSistemas de LubricacinRecuperacin de CalorCalculo de condensadosCantidad de agua que ingresa al compresor en la aspiracin del aire

Recuperacin de calorLa posible recuperacin de calor en un compresor depende del fluido refrigerante que este tenga, todo los sistemas de refrigeracin son en serie y en contracorriente:

parte del compresorRefrigerado por aguaRefrigerado por aireCilindro de Baja40Cilindro de alta40Enfriador intermedio4340Pos enfriador4346Calor residual46Calor radiado28 Si la potencia transferida del motor al compresor es (P = KW/hr) entonces la cantidad de calor total entregado y posible de extraer por el sistema de refrigeracin ser (C= Kcal/hr):

Que equivale al 100 % posible de calor a extraerPor el refrigerante

Transmisin de calor

Intercambio de calor:

Cantidad de calor transmitido

DISEO DE RED DE CANERIASPara transportar la energa neumtica desde la planta generadora a los frentes de trabajo lo realizamos a travs de una red de caeras o tuberas, las que pueden ser metlicas o de poliuretano de alta presin, las que deben ser instaladas en forma visible de tal forma que no sufran dao por golpes o corrosin y tengan la menor cantidad de fugas como tambin perdidas de carga o presin.A la salida del compresor por lo general se instala un deposito de aire o acumulador el que cumple varias funciones como ser:Acumula aire comprimidoRefrigera el aire comprimidoCondensa los vapores de agua y aceiteRegula la presin y la demanda de aireDisminuye o elimina las pulsaciones entregando un flujo continuo

Este equipo tiene un volumen conocido y en el estn instalado algunos accesorios como manmetro, llave de purga, vlvula de seguridad desde el sale la red primaria, que es la que lleva todo el aire necesario en la mina, es la tubera de mayor dimetro, hasta la

Primera bifurcacin donde nace la red secundaria esta termina en una segunda bifurcacin donde nace la red terciaria y esta termina con el nacimiento de la red cuaternaria o de mangueras que es la que alimenta a las maquinas neumticas

La ida de presin esta determinada, como la diferencia de presin existente entre el deposito y el o los puntos de trabajo, es muy importante, por que se traduce en un aumento de costos, hay una perdida de eficiencia de energa como en las maquinas neumticasDRed 1Red 2Red 3C

Es por esto que insistimos en mantener las perdidas de carga o cada de presin en la red lo mas baja posible, por esta razn se recomienda que en los clculos de caeras se tome la siguiente norma: Cada mxima admisible en redes primarias0,2 atm/1000mCada mxima admisible en redes secundarias..0,2 atm/500mCada mxima admisible en redes terciarias0,2 atm/100mCada mxima admisible en red de mangueras..0,2 atm/50m

la eleccin de vlvulas y piezas especiales, causan perdidas de carga por lo cual se recomienda que se trate de usar lo mnimo posible solo lo que es indispensable en la instalacin de la red, para el calculo las vlvulas, codos bifurcaciones, etc. La perdida de carga que producen se puede hacer equivalente a la que produce una caera de cierto largo de igual dimetro por las siguiente ecuaciones:

Calculo del dimetro de las caerasEste se puede realizar por dos mtodos uno es usando monogramas y el otro es usando la expresin de Darcy, que es mas precisa.

Esta ecuacin la podemos expresar en funcin del caudal o gasto (q) en las condiciones de transmisin

Reemplazando en la ecuacin de Darcy queda lo siguiente:

El dato que conocemos Qrt y esta en m3 /min por lo tanto:

Pero debemos encontrar el dimetro de la caera por lo cual arreglamos la ecuacin y hacemos uso de la recomendacin de la perdida de carga admisible

Para red primaria:

Reemplazando queda:

este valor se busca en la tabla y se obtiene el dimetro calculado, este valor puede o no coincidir con los dimetros comerciales por lo cual se toma el dimetro comercial mas prximo, (dc ), con este dimetro se determinan los largos equivalente de vlvulas y piezas especiales los que se suman a los largos fsicos con esta red diseada se determina la perdida de carga calculada la que debe ser mucho mas pequea que la perdida de carga admisible o permitida.

Si la red esta bien diseada se debe cumplir que:

< >

= DatosGeometra de la red, presin atmosfrica, temperaturas del lugar, presin de trabajo, caudalesCalculo de q, , d5/, Tabla dimetros calculadosTabla de dimetros comerciales11Calculo de largos equivalente valvulas y uniones de reduccion Calculo de PcPc : Pp finHacer de nuevo41Control de plantas y redes de energa neumticaAqu presentamos un mtodo simple para el calculo de los caudales entregados y se pueden cuantificar las perdidas de caudal en las instalaciones como as mismo conocer la presin media de trabajo entregada a los frentes de trabajo de la mina, debido al la cantidad de equipos en uso en un determinado tiempo de trabajo en la faenaEsto lo podemos realizar mediante el uso de la estadstica y las probabilidades. Para ello debemos identificar todo los parmetros que tenemos en la red:Se tienen n puntos de consumos por lo tanto tendremos lo siguiente: n consumos.Cin presiones de trabajo .Pin perdidas de carga .Pi P0 presin en el deposito de aire

Por lo tanto tendremos 3n + 1 parmetro, para tener una red en equilibrio para n maquinas, se cumplirn las siguientes ecuaciones:

Si a esta red se le aumentan los equipos neumticos , la red perder su equilibrio y tardara un tiempo en recuperar un nuevo equilibrio a una nueva presin media en la red ya que aumentaron los Ci , por lo cual estos se distribuyen en forma normal y trataremos que seta sea en el menor tiempo posible, para ello determinaremos los niveles de consumo Cx donde x ser la probabilidad de no sobre pasar los consumos en un % determinado. Para ello usaremos las caractersticas de la curva normal solo en su parte positiva

Determinacin de la media y la varianza del consumo en la red, esto se debe hacer para la presin mxima de trabajo de los equipos neumticos y para la presin mnima de trabajo de para las n maquinas y para la n+m maquinas a futuro, ya que las presiones varan con el aumento o disminucin del consumos del equipo, se realiza de la siguiente forma:

Donde mc media del consumo Nk numero de equipos neumticos tipo k Ck Consumo de la maquina tipo k k % de utilizacin de las maquinas tipo k vk Varianza del consumo

Con la media y la varianza se puede calcular las probabilidades en la parte positiva de la curva normal y quedan las siguientes ecuaciones:

Con ello se realiza el grafico que nos da una familia de curvas entra entre la presin mnima y mxima de trabajo

DETERMINACION DE LA PRESION MEDIA Para determinar la presin media que estn trabajando los equipos de acuerdo al nivel de consumo con la probabilidad x de no sobrepasar el consumo, se debe determinar el caudal de aire entregado a los frentes ( Q-q) y el caudal perdido por fuga (q), para ello debemos realizar en un volumen conocido la compresin y descompresin de dicho volumen, midiendo en compresin el tiempo en que se alcanza la presin mxima y luego cerramos todo y medimos el tiempo en descompresin hasta alcanzar la presin mnima de trabajo o una que se fije a priori. compresin descompresin presin tiempo Presin tiempo 0 0 Pmax 0

Pmax T Pmin T

Se debe colocar Q-q en el grafico anterior de los niveles de consumo y esta recta al cortar dichas curvas nos entregaran los niveles de presin media para cada nivel de consumo C95

C70Q-q C50

Presin media al nivel de consumo Cx Pmin Pmax

Con estos niveles de consumo y presiones medias se puede establecer el tiempo programado y si se va cumplir con lo planificado en el nivel de produccin, caso de los diagramas de perforacin de ya que la penetracin en funcin directa con presin de trabajo

Por ejemplo en estos dos grficos para diferentes perforadoras (5 )