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AIRE COMPRIMIDO Y COMPRESORES
AIRE COMPRIMIDO
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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
P2
V1
V2
n
T1
T2
W

: Presión de admisión (PSI)
: Presión de entrega (PSI)
: Volumen de aire admitido (pies3)
: Volumen de aire comprimido (pies3)
: 1.406 coeficiente politrópico
: Temperatura de admisión (ºR)
: Temperatura del aire comprimido (ºR)
: 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
80 - 500
500 – 2500
2500 – 5000

1
2
3
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 PISTON
TIPO LABERINTO

COMPRESORES DE
DIAFRAGMA
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 CENTRIFUGOS
COMPRESORES AXIALES
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:

F

P1 ( P P2 )
P2 ( P P1 )

F

P1 P P2
P2 P P1

1/ n

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
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
manométrica

Diámetro del cilindro de la perforadora, pulg.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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

Stoper
Stoper
Jumbo

2 9/16
2¾
2¾

140
160
130

Jumbo
Jumbo
Jumbo

Diámetro de
martillos
( Pulg.)

3
3½
4½

Aire libre
requerido
(cfm)

140
180
200
COEFICIENTE DE SIMULTANEIDAD
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

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
FUGAS
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
Diámetro
del
orificio en mm.

Fugas de aire a 6 bar

Potencia necesaria para compresión

Litros/seg
1
3
5
10

m3/min

Kw

CV

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
Aire comprimido
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Aire comprimido

  • 1. AIRE COMPRIMIDO Y COMPRESORES
  • 2. 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
  • 3.
  • 5.
  • 6. • 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
  • 7. 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)
  • 8.
  • 9. 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
  • 10. 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.
  • 11.
  • 12. 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 P2 V1 V2 n T1 T2 W : Presión de admisión (PSI) : Presión de entrega (PSI) : Volumen de aire admitido (pies3) : Volumen de aire comprimido (pies3) : 1.406 coeficiente politrópico : Temperatura de admisión (ºR) : Temperatura del aire comprimido (ºR) : Trabajo realizado al comprimirse (Lb – pie)
  • 13. 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 •
  • 14. • • • • 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
  • 15. • El número de etapas comúnmente usadas en compresores reciprocantes es como sigue: Presión (Psi) Numero de etapas 0 - 150 80 - 500 500 – 2500 2500 – 5000 1 2 3 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.
  • 16. 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%
  • 18. • • • • 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.
  • 19. • • • • • 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.
  • 20. 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).
  • 21. 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
  • 22. 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.
  • 23.
  • 24. COMPRESORES DE PISTON TIPO LABERINTO COMPRESORES DE DIAFRAGMA
  • 25. 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.
  • 26. 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.
  • 28. 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
  • 29. 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
  • 30. 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
  • 31. 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
  • 32. 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: F P1 ( P P2 ) P2 ( P P1 ) F P1 P P2 P2 P P1 1/ n 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
  • 33. 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
  • 34. 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.
  • 35. 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.
  • 36. 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.
  • 37. 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.
  • 39. 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.
  • 40. 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
  • 41. 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.).
  • 42. CAIDA DE PRESIÓN POR FRICCIÓN
  • 43. CONSUMO DE AIRE Presión manométrica Diámetro del cilindro de la perforadora, pulg. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 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
  • 44. Aire requerido con máquinas perforadoras para un promedio de 90 psi Tipo Diámetro de martillos ( Pulg.) Aire libre requerido (cfm) Tipo Stoper Stoper Jumbo 2 9/16 2¾ 2¾ 140 160 130 Jumbo Jumbo Jumbo Diámetro de martillos ( Pulg.) 3 3½ 4½ Aire libre requerido (cfm) 140 180 200
  • 45. COEFICIENTE DE SIMULTANEIDAD 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 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
  • 46. FUGAS 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 Diámetro del orificio en mm. Fugas de aire a 6 bar Potencia necesaria para compresión Litros/seg 1 3 5 10 m3/min Kw CV 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