AIRE COMPRIMIDO Y COMPRESORES

AIRE COMPRIMIDO AIRE LIBRE • Es el aire atmosférico incoloro, insípido e inodoro, que toma el

compresor del ambiente donde funciona. Está compuesto por Nitrógeno en un 78.08%, oxígeno 20.95% y otros gases en un 0.97%. El aire atmosférico no solo contiene estos gases, sino también humedad y partículas sólidas como polvos, arena, hollín y cristales salinos, etc

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

atmósfera y también reducido de volumen; que al expandirse produce trabajo. La compresión se efectúa 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 perforación de túneles, labores de desarrollo y explotación.

• Para mezclar y atomizar en el lanzamiento de partículas finas como el caso de “Shotcrete”.

• Para el funcionamiento de las tolvas neumáticas

• 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 energía 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 más.

• Las desventajas de la presencia de humedad en el aire comprimido origina, corrosión en las tuberías metálicas, degradación del poder lubricante de los aceites en las máquinas neumáticas, disminución del diámetro de las tuberías 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 rocío

PRESIÓN ATMOSFÉRICA 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 también de 29.92 pulg. Hg., a una temperatura de 0ºC ó 32 ºF.

La presión atmosférica a cualquier altura respecto al nivel del mar se puede calcular mediante la siguiente relación:

(+ ó -) h

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

122.4 (Th + 461)

Donde:

P2 : Presión atmosférica a la altura h (PSI)

P1 : Presión atmosférica a nivel del mar (14.69 PSI)

h : Elevación sobre el nivel del mar (Pies)

Th : Temperatura a la elevación h (ºF)

PRESIÓN MANOMÉTRICA O RELATIVA Es la presión que se mide mediante un manómetro; siendo superior a la

atmosférica.

RESION ABSOLUTA

Es la presión que resulta de sumar la presión atmosférica más la manométrica

P abs. = P atm + P man.

TEMPERATURA

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

La Centígrada o Celsius (ºC), donde 100º corresponde al H20 herviente y 0º a la temperatura de hielo fúndente.

La Fahrenheit (ºF), donde 212º corresponde a la temperatura del h20 hirviente y 32º al del hielo fúndente.

Para conversión estas escalas se usan como:

De ºF a ºC : TºC = 5/9 (TºF - 32)

De ºC a ºF : TºF = (9/5 )TºC + 32

Para convertir a temperaturas absolutas:

Grados Kelvin : TºK = TºC + 273

Grados Rankine : TºR = TºF + 460

COMPRESIÓN DE AIRE La compresión adiabática es aquella en la cual

existe un incremento de temperatura desde una

presión inicial Po hasta una presión Pf, manteniendo

este incremento en el aire comprimido. El proceso

politrópico, es una expresión generalizada de todo

los procesos posibles y su ecuación es:

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

El proceso politrópico incluye a los cuatro procesos básicos: Isobárico, isotérmico, adiabático y isométrico. Cuando se analiza el trabajo técnico de una compresión politrópico se llega a la siguiente ecuación:

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 : Presión de admisión (PSI)

P2 : Presión de entrega (PSI)

V1 : Volumen de aire admitido (pies3)

V2 : Volumen de aire comprimido (pies3)

n : 1.406 coeficiente politrópico

T1 : Temperatura de admisión (ºR)

T2 : Temperatura del aire comprimido (ºR)

W : Trabajo realizado al comprimirse (Lb – pie)

ETAPAS DE COMPRESIÓN

• La compresión por etapas incrementa el rendimiento volumétrico, a la vez que la relación de compresión disminuye sobre la primera etapa.

• La refrigeración 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 tuberías

La compresión por etapas ofrece las ventajas

siguientes:

• Se tiende en lo posible al proceso isotérmico.

• Con la refrigeración en varias etapas es posible

acercarse al isotérmico, ya que en una sola etapa

así que se refrigere siempre es adiabática.

• La lubricación es eficiente

• Se pueden obtener altas presiones

• El número de etapas comúnmente usadas en compresores reciprocantes es como sigue:

Presión (Psi) Numero de etapas

0 - 150 1

80 - 500 2

500 – 2500 3

2500 – 5000 4

EFICIENCIA VOLUMÉTRICA DE LOS COMPRESORES

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

• La caída de presión en la aspiración (baja P1).

• El calentamiento del aire aspirado (se calienta el gas)

• La expansión del gas retenido en el espacio muerto.

• Las fugas internas y externas provocan pérdidas de capacidad.

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

Para la composición politrópica y cuando se tiene N número de etapas, usando en cada etapa los valores correctos de presión y volumen; la fórmula para calcular la potencia es:

N.n

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

n - 1

Los más comúnmente empleados para nuestros cálculos tenemos:

En el sistema métrico.

10,000 N.n 1

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

4, 500 n - 1 E

En el sistema Inglés

144 N.n 1

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

33, 000 n - 1 E

Donde:

HP : Potencia.

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

P1 : Presión de admisión ( Kg/cm2 ; Lb/Pulg2.)

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

N : Número de etapas.

n : 1.406 Coeficiente politrópico del aire.

E : Eficiencia 85 – 93%

CLASES DE COMPRESORES

Según el principio de funcionamiento.

Compresores de desplazamiento volumétrico

• Compresor de pistón alternativo

• Compresor de cruceta, de tronco y de diafragma alternativo

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

• Compresor rotativo de dos rotores: Tornillo, lóbulos (roots)

Compresores dinámicos

• Compresores radiales (centrífugos)

• Compresores axiales (propulsión)

• Compresores eyectores.

Según el tipo de servicio:

• Para minería

• Para construcción y obras civiles

• Para transporte

• Para servicios generales

• Para controles y otros servicios en general

Según el tamaño, transporte y duración de trabajo:

• Compresores portátiles o transportables

• Compresores estacionarios

Según el tipo de refrigeración:

• Compresores refrigerados con agua

• Compresores refrigerados con aire o aceite.

Según la presión de descarga:

• Compresores de baja presión: presión de hasta 4.5 Kg/cm2 (65 PSI)

• Compresores de presión normal: presiones de 4.5 hasta 10 Kg/cm2 140 PSI)

• Compresores de alta presión: de 10 Kg/cm2 a más.

COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO

• El aumento de presión

en este tipo de

compresores se

obtiene confinando

un volumen de aire

en un espacio

cerrado,

posteriormente dicho

volumen se reduce

mediante una acción

mecánica (el pistón).

COMPRESORES DE PISTÓN • Tipos de compresores de pistón.- Los compresores de pistón se

pueden tipificar de la siguiente manera:

• I Según el trabajo de pistón

• De simple efecto.-

• De doble efecto

• II Según el número de etapas

• De una sola etapa

• De dos etapas

• De múltiples etapas.- Son compresores que poseen varios cilindros y enfriadores en serie. Se utilizan para obtención de altas presiones.

III Según la posición de los cilindros

• Compresores verticales

• Compresores horizontales

• Compresores en ángulo

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 pistón. El sellado entre el

pistón y pared del cilindro se logra mediante una serie de

laberintos.

Las superficies interiores de los cilindros están estriadas y los

pistones llevan roscas mecanizadas en forma de crestas. Las

empaquetaduras de las bielas son también del tipo laberinto.

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

diseños 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 contaminación.

COMPRESORES DE DIAFRAGMA

COMPRESORES DE PISTON TIPO LABERINTO

COMPRESORES DE TORNILLO • Son compresores que consisten de dos

Rotores (hembra y macho) entrelazados

entre sí y se hallan dentro de un cuerpo

hermético dividido en zona de baja y alta

presión.

El aceite inyectado cumple tres funciones básicas:

• Cerrar las holguras internas.

• Enfriar el aire durante la compresión.

• Lubricar los rotores.

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

A comparación de los compresores a pistón en tamaño son menores y son bastante usados en la minería.

COMPRESORES AXIALES

COMPRESORES CENTRIFUGOS

REFRIGERACIÓN DEL COMPRESOR

• Es antieconómico 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 refrigeración posterior.

• Los refrigeradores pueden ser verticales u horizontales y también 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 presión y la temperatura ambientales

disminuyen cuando se incrementa la altitud;

estos cambios afectan a la relación de

compresión, 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 eléctricos y de combustión

interna.

• A medida que aumenta la altura baja la

presión y la temperatura, esta variación

afecta al rendimiento de los compresores

Presión atmosférica para diferentes altitudes Altura sobre el nivel del

mar ; pies

Presión atmosférica

Psi.

Altura sobre el nivel del

mar ; pies

Presión atmosférica

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

Variación de capacidad y potencia en función a la altitud. Tipo de compresor Reducción en % por cada

1000 m de incremento

capacidad potencia

Tamaño medio y refrigerado por aire 2.10 7.00

De tornillo en baño de aceite 0.60 5.00

Tamaño grande, pistón y refrigerado por agua 1.50 6.20

Tamaño grande, tornillo y refrigerado por agua 0.30 7.00

FACTOR PARA COMPENSAR LA ALTURA EN EL RENDIMIENTO

DEL COMPRESOR La eficiencia volumétrica, expresado en términos de aire libre,

es la misma a cualquier altura. Pero cuando se expresa en términos de aire comprimido sí 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 relación:

Donde:

P1 = Presión atmosférica a nivel del mar.

P2 = Presión atmosférica a una altura h.

P = Presión manométrica del aire entregado.

F = Factor de corrección para compensar la altura.

Si la compresión fuera adiabática. PVn = K

)(

)(

12

21

PPP

PPPF

n

PPP

PPPF

/1

12

21

SELECCIÓN DEL COMPRESOR Algunos factores que influencian en la selección, considerando el tipo de

compresor y tipo de instalación son:

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

• Como y cuanto son los puntos de utilización o puntos de consumo.

• Demanda de aire (máxima, mínimo, variaciones estaciónales, previsión a futuro).

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

• Limitaciones del espacio.

• Carga que puede soportar el suelo.

• Limitaciones de vibración.

• Disponibilidad y costo de agua de refrigeración.

• Costos de energía, limites de disponibilidad de potencia, limitaciones del ruido y continuidad o intermitencia de necesidad de aire.

• Condiciones ambientales; los factores que aquí hay que considerar son: temperaturas externas, grado de contaminación 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 máximos individuales. Si no la suma del consumo de aire en valor promedio de cada consumidor.

• La determinación del consumo de aire en valor promedio se obtiene por medio del llamado “factor de energía”.

• El factor de carga viene dada por la relación entre el consumo de aire real, el consumo continuo máximo 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 máximo posible.

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

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

• Las líneas de aire se deben mantenerse herméticas.

Instalación centralizada o descentralizada En la planificación para una instalación de aire comprimido se establecerá una

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

• El consumo de aire en los diferentes puntos variará de tal manera que el máximo no

se dé simultáneamente. • El caudal requerido para el caso de una planta compresora central, será algo mas

bajo que el consumo teórico máximo, la misma condición se aplicará al consumo mínimo en los diferentes puntos ya que la tendencia general se encamina hacia el consumo de aire un tanto mayor. Todo ello significará un menor funcionamiento en vació de la planta central de la compresora y a la mejor utilización de energía. Una planta central permite que se instalen unidades compresoras más grandes que generalmente ofrecen un rendimiento mas elevado.

• Es importante disponer de cierta reserva de suministro de aire en el caso de una instalación de compresores centralizadas, esto significará 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 así mismo el costo del bastidor, fundación e instalación será más pequeño en una gran planta concentradora centralizada que los costos derivados de la instalación de varias unidades o pequeñas plantas descentralizada. Los costos de mantenimiento o supervisión son también bajas y a todo esto hay que añadir la ventaja inicial relativa a un funcionamiento con mayor rendimiento que es tanto como decir a más bajo costo.

• Los costos de instalación y mantenimiento de tuberías de distribución son mas bajas en un suministro descentralizado, debido a que las tuberías son pequeñas y cortas, así mismo significan menos fugas y consecuentemente menor costo de energía.

• Las plantas compresoras por encima de un tamaño determinado necesitan de un operario.

SISTEMA DE ASPIRACIÓN La aspiración de un compresor debe estar lo menos contaminado

posible, estos contaminantes sólidos producen desgastes y los gaseosos corrosión.

Tubería de Aspiración.- Son de las siguientes características:

• La tubería de aspiración es generalmente circular, de acero y con espesores de pared comprendidos entre 1.5 y 2.5 mm. Su instalación se facilita si la misma va embridada.

• En los compresores de simple efecto la velocidad de aire de aspiración 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 aspiración pulsante) con lo que surge el fenómeno de la resonancia, si la longitud de la tubería 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 diseño de las instalaciones pertinentes para su distribución. El consumo de aire se calculará 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, indicándose los puntos de referencia y cotas.

• Los parámetros claves que deciden en una distribución de aire comprimido son: La presión atmosférica en el lugar de instalación del compresor y puntos de trabajo, el caudal del aire comprimido que suministrará el compresor, las pérdidas de presión y la velocidad de circulación.

Distribución del aire

CAIDA DE PRESIÓN Los puntos más importantes para el rendimiento, seguridad y

económico de una red de distribución de aire comprimido comprende:

• Reducir al mínimo las caídas de presión entre la sala de compresor y los puntos de consumo de aire.

• Reducir al mínimo la fugas.

• Reducir al mínimo el contenido de humedad en todo el sistema.

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

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

FLUJO POR TUBERIAS

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

• La cuantía de la caída de presión depende:

• Del diámetro de la tubería.

• Longitud y forma de tubería.

• Rugusidad interior superficial.

• Tipo de acoplamientos.

• Número de Reynols.

• La pérdida de presión es una disminución de energía y por lo tanto un incremento en el costo operacional.

C.L.Q2

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

Donde:

P : Caída de presión, psi. L : Longitud del tubo o longitud equivalente, pies.

Q : Caudal de aire libre, Pies3/seg.

r : Relación de compresión.

d : Diámetro interior del tubo, pulg.

C : Coeficiente experimental

f.L.Q1.85

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

Pm. d5

Donde:

P : Caída de presión 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 tuberías convencionales de acero o fierro negro como las utilizadas para el aire comprimido ( f : 500).

d : Diámetro interior de la tubería en mm.

Pm : Presión media absoluta en bars.

1.6 x 102.Q1.85 x L

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

Donde:

P : Caída de presión en (Kpa.) L : Longitud equivalente de la tubería en metros.

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

D : Diámetro interior de la tubería en mm.

Pt : Presión de trabajo en (Kpa.).

CAIDA DE PRESIÓN POR FRICCIÓN

CONSUMO DE AIRE Presión Diámetro del cilindro de la perforadora, pulg.

manométrica ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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 máquinas perforadoras para un promedio de 90 psi Tipo Diámetro de martillos

( Pulg.)

Aire libre

requerido

(cfm)

Tipo Diámetro de

martillos

( Pulg.)

Aire libre

requerido

(cfm)

Stoper

Stoper

Jumbo

2 9/16

2 ¾

2 ¾

140

160

130

Jumbo

Jumbo

Jumbo

3

3 ½

4 ½

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 operación minera, se emplea diversas máquinas y todas no operan simultáneamente, el promedio de los coeficientes de utilización de cada una de las máquinas, nos dará una cifra denominada “Coeficiente de Simultaneidad”. Para los equipos de perforación se han obtenido una estimación en que más de una perforadora pueden operar al mismo tiempo cuando se tienen trabajando gran número de perforadoras en diferentes frentes

FUGAS

Diámetro del

orificio en mm.

Fugas de aire a 6 bar Potencia necesaria para compresión

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 tuberías no es mantenida adecuadamente.

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