08 Compresores

8/4/2019 08 Compresores

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Captulo 8

COMPRESORES

1. INTRODUCCION

El aire comprimido es el fluido que se ha venido utili-zando como fuente de energa en la perforacin derocas, tanto en el accionamiento de los equipos neum-ticos con martillo en cabeza y martillo en fondo, comopara el barrido de los detritus cuando se perfora conmartilloshidrulicoso a rotacin.En cualquier proyecto, tanto si es acielo abiertocomo subterrneo, es preciso disponer de compreso-res.En el momento de decidir la compra de un equipo deperforacin, uno de los puntos ms importantes es laseleccin del compresor, debido fundamentalmente aque:

- El peso especfico en el precio del conjunto oscila,segn el tipo de perforadora, entre el15 y el 55%.- La repercusin en el coste del metro lineal perfo-rado es considerable, pues si el caudal de aire esinsuficiente los problemas que pueden surgir son:. Disminucin de la velocidad de penetracin..Aumento de los costes de desgaste: bocas, va-rillas, etc.. Incremento del consumo de combustible.. Necesidad de mayor labor de mantenimiento

del equipo motocompresor.- si se elige en las grandes unidades de perfo~cinuna unidadcompresora de alta presin,ser posi-ble perforar con martillo en fondo o con tricono.

Las dos caractersticas bsicas de un compresor,adems del tipo o modelo, son:- El caudal de aire suministrado.- La presin de salida del aire.

En la Tabla 8.1, se indican, para los diferentes equi-pos de perforacin, los valores ms frecuentes de lascitadas caracteristicas, el tipo de compresor y el por-centaje de precio aproximado con relacin a la m-quina completa.

2. TIPOS DE COMPRESORES

Existen dos grupos de compresores: dinmicos y dedesplazamiento. En los primeros, el aumento de pre-sin se consigue mediante la aceleracin del aire conun elemento de rotacin y la accin posterior de undifusor. A este grupo pertenecen los compresorescentrfugos y los axiales, que son los ms adecuadospara caudales grandes y bajas presiones.En los compresores de desplazamiento, que son losque se utilizan en los equipos de perfaracin, la eleva-cin de la presin se consigue confinando el gas en unespacio cerrado cuyo volumen se reduce con el movi-miento, de uno o varios elementos. Segn el diseo, sesubdividen en rotativos y alternativos. Los ms utiliza-dos en perforacin son: los compresores de pistn,cuando stos tienen un carcter estacionario, y los detornillo y paletas para los porttiles, tanto si estnmontados sobre la unidad de perforacin o remolca-dos por sta.

2.1. Compresores de pist n.~ . Estos equipos son los ms antiguos y canocidos,ya que han sido empleados en las minas de interiorpara el suministro de aire comprimido a travs de lasredes de distribucin instaladas dentro de las mis-mas. Su aplicacin ha descendido notablementecomo consecuencia del uso masivo de otras fuentesde energa ms eficientes, como son la electricidad yla hidrulica.

2.2. Compresores de tornilloEn estas unidades la presin del aire se consigue porla interaccin de dos rotares helicoidales que engra-

nan entre s, uno macho de cuatro lbulos y otro hem-bra de seis canales. El principio de funcionamientopUE)deverse en la Fig. 8,1.

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TABLA 8.1

~ ORIFICIODE DESCARGA '-' ~ ORIFICIO DE DESCARGA ~- ORIFICIO DE DESCARGA~ ~-' , .,.,-' n_-.-'?I" ~r' -- ,~ ''-, I 'y .- "ROTOR / (~(j /q, ROTOR \. ROTOR.- , '~ , ,S! /~::, SECUNDARIO ~,~":::::::,:"::::,:,:,:::":lf!I,/ , i ,::~ s, ECUNDARIO ~, "' , ' ' , - , ' f/?e-" SE CUNDARIO" ,c='~,JJ I/'!y) ,\,:t?:;:;;;:~:::..:..l' \, 1'-, ~~p r;"r= ~f //~ f6,~. (, I /---Ito: \' : . :.:. I %,' .. .-//- \ ,1 )~~~. '\\'~,,' (~/':""-c/ ": rl.l:, *~\ I ) L".. --= , ' ROTOR /1'> : ..~ ~ ' ' ," ( ~/ ~ .ROTOR ~ -- / \ .'I PRINCIPAL ,'l. ,.-7'" \J /~, J ROTOR , '" '-1-- '< I JPRINCIPAL~""

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- Enfriar el aire durante la compresin, y- Lubricar los rotores.

Las ventajas que conlleva la utilizacin de compre-sores de tornillo son:- Ocupan un volumen reducido, por lo que son idea-

les para instalar a bordo de las perforadoras.- El montaje es econmico.- Ausencia de choques y vibraciones importantes.- Reducido mantenimiento.- Baja temperatura de funcionamiento, y- Alta eficiencia.

2.3. Compresor de paletasEstos compresores tienen un solo rotor que montapaletas radiales flotantes y cuyo eje es excntricocon el de la carcasa cilndrica. Al girar las paletas sedesplazan contra el estator por efecto de la fuerzacentrfuga. La aspiracin del aire se realiza por unorificio de la carcasa, quedando retenido en el espa-cio entre cada dos paletas. Al girar el rotor el volu-men va disminuyendo, aumentando la presin delaire, hasta llegar a la lumbrera de descarga.

(o) (b)

tDESCARGA

(d) .'(e)Figura 8.3. Compresor de paletas.

Este tipo de compresor utiliza tambin la inyeccinde aceite que ha sido explicado anteriormente.

3. ACCIONAMIENTO

Los compresores estacionarios son accionados, ge-neralmente, por motores elctricos, mientras que los

transportables si son remolcados se accionan pormotor diesel y si van montados sobre la perforadorapor motores diesel o elctricos.

Para compensar las cadas de tensin en los motoreselctricos se debe tener un margen de potencia del10al 15%.

Los acoplamientos de los motores al compresor serealizan por embridado, correa trapezoidal, acopla-miento directo o a travs de un tren de engranajes.

4. ELEMENTOS AUXILIARESLos elementos auxiliares ms importantes cuando

se trabaja con aire comprimido son:- Filtros de aspiracin.- Separador de agua.- Depsitos de aire.- Engrasadores.- Elevadores de presin.

4.1. Filtros de aspiracinPara eliminar el desgaste prematuro de las partes

mviles de los compresores y las averas, es necesariofiltrar el aire antes de su admisin. Los filtros debencumplir los siguientes requerimientos: eficacia de se-paracin, capacidad de acumulacin, baja resistenciaal paso de aire, construccin robusta y sencillez demantenimiento.

4.2. Separadores de aguaEste elemento utiliza el efecto de las fuerzas centr-

fugas, que adquiere el flujo de aire en su movimientode giro, para que las partculas de agua choquen con-tra las paredes del colector, producindose as el se-cado del aire que se evaca a continuacin por laparte central.

..

Figura 8.4. Separador de humedad (Atlas Capeo).

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El separador de agua se debe colocar lo ms lejosposible del compresor, al mismo tiempo que se mantie-ne la temperatura del aire por encima de cero.

4.3. Depsito de aireLas instalaciones de aire comprimido pueden dispo-

ner de depsitos reguladores cuyas dimensiones de-pendern de:- Capacidad del compresor.- Sistemas de regulacin.- Presin de trabajo.- Variaciones estimadas en el consumo de aire.Las funciones de estos depsitos son:

- Almacenar el aire comprimido para atender de-mandas puntuales que excedan de la capacidad delcompresor.

- Incrementar la refrigeracin y recoger residuos deagua y aceite.

- Igualar las variaciones de presin de la red.- Evitar ciclos rpidos de carga y descarga del com-

presor.

~ o "ilOO""""@) @)IDDEPos,TO DE AIRE

---,

nu

Figura 8.5. Sistema de distribucin de aire comprimido.

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4.4. Engrasadores '-Para realizar la lubricacin de las perforadoras espreciso aadir aceite al aire comprimido, lo ualpuede realizarse en la propia mquina o en la lnea deaire.

. El principio de trabajo de los engrasadores puedeverse en la Fig. 8.6. El aire pasa a travs de un estran-gulamiento que dispone de una vlvula regulable. Lapresin del ai re de entrada se conecta al tanque deaceite de forma que, cuando el aire pasa por la seccinms estrecha, su velocidad aumenta y se produce unacada de presin que hace que entre el aceite hacia lacorriente de aire atomizndose.

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"

Figura 8.6. Seccin de un engrasador. '"

Se puede usar un aceite mineral o sinttico. El aceitesinttico reporta algunos beneficios adicionales. Est "basado en glicol, lo que hace que ia mquina seamenos sensible al agua que lleva el aire. Este aceitesinttico es tambin biodegradable, al contrario del"aceite mineral.El aceite sinttico es ms caro, pero la diferencia encoste total es todava insignificante, ya que el consumoes mucho ms bajo. Tampoco es necesaria la separa- '-cin de agua al usar el aceite sinttico. No es posiblemezclar aeites distintos. ""

4.5. Elevadores de presin"Cuando se utilizan perforadoras con martillo en

fondo en minera subterrnea, puede ser Ilecesarioelevar la presin del aire hasta 1,7 MPa, si ste essuministrado a media presin (0,7 MPa) a travs deinstalaiones fijas o cuando las prdidas de carga hansido elevadas.El incremento de presin se consigue con los deno"

minados booster, que trabajan en una o dos etapas.

'-

"

'4.6. Mangueras flexiblesLas mangueras de goma disponen de refuerzos texti-les colocados diagonalmente, que las hacen flexibles ymuy resistentes. Generalmente, la presin mxima detrabajo es de 1MPa, con temperaturas admisiblesdesde -40 a +100C.

'

'


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En la Tabla 8.2. se indican las dimensiones estndarde las mangueras de goma que ms se utilizan.

TABLA 8.2.

Existen tambin mangueras de peso reducido, unatercera parte de una manguera convencional, fabrica-das con una capa interior de fibra sinttica embutida encaucho resistente al aceite y al ozono. Se almacenaenrollada y plana, lo cual facilita su manipulacin yminimiza el espacio de almacenamiento. En la Tabla8.3. se dan algunas cara9tersticas de estas manguerasespeciales.

TABL.A 8.3.

.. '"Los acoplamientos de manguera defectuosos no"slo.itan potencia, sino que tambin pueden ser un riesgoseguridad.Los acoplamientos de garras de buena calidad sonorjados, mecanizados, templados y cromados. Lostodos de fabricacin permiten usar paredes delga-as, y de esta manera se puede disponer de un orificios grande para un dimetro de manguera dado, Elificio es mecanizado para obtener un centrado perfec-o y una superficie lisa. El cierre tiene un asiento meca.zado donde se encaja perfectamente y no perturba elujo de aire.Al usar acoplamientos de garras con una boquillairatoria, la resistencia a torsin de la manguera nousar molestias cuando se conectan dichas mangue-

ras. Tal acoplamiento puede hacer tambin que seamucho ms fcil conectar distintos tamaos de man-gueras. La tuerca de apriete reduce al mnimo el riesgode desconexin accidental.

FLUJO DE AIRE

Fg.8.7. Acoplamiento de garrasmoderno y boquillagiratoria de conexin.

Para las conexiones se emplean todo un conjunto deelementos, desde acoplamientos de garras, acopla-mientos roscados, conecto res, abrazaderas, etc.Los dimetros de las mangueras que se recomiendan

en funcin del caudal de aire necesario y la longitud dedichas conducciones se da en la Tabla 8.4.

TABLA 8.4.

Nota: 1" = 25,4 mm

5. CALCULO DE LAS CAlDAS DE PRESION

Todas las instalaciones de aire comprimido, al dispo-ner de un determinado nmero de conexiones, presen-tan prdidas de presin debido a las fugas. Adems, la

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DIAMETRO INTERIOR DIAMETRO EXTERIOR PESO(mm) (pulg) (mm) (pulg) (kg/m)

6,3 y. 12,7 0,50 0,1510,0 % 16,4 0,65 0,1912,5 Y, 22,5 0,89 0,3516,0 % 26,0 1,02 0,4320,0 % 30,0 1,18 0,5425,0 1 35,0 1,38 0,7831,5 1Y. 43,5 1,71 0,9540,0 1Y, 52,0 2,05 1,1550,0 2 66,0 2,60 1,8063,0 2Y, 79,0 3,11 2,2080,0 3 96,0 3,78 2,50100,0 4 116,0 4,57 4,20

DIAMETRO DIAMETRO MAX. PRESION PESOINTERIOR EXTERIOR DE TRABAJO(mm) (pulg) (mm) (pulg) (MPa) (psi) (kg/m)20 % 24 0,9 1,2 175 0,16025 1 30 1,2 1,2 175 0,23040 1;;' 45 1,6 1,2 175 0,39050 2 56 2,3 1,2 175 0,55076 3 82 3,3 0,8 116 0,850

CAUDAL DE LONGITUD DE MANGUERAAIRE 10 m 20 m 50 m 80m 100 m50 l/s(2,8 m3/min) 1" 1" 1,5" 1,5" 1,5"-2"80 l/s 1,5" 2" 2" 2"(4,8 m3/min) 1"120 l/s 1,5" 2" 2"(7,1 m3/min) 1,5" 2"160 l/s 1,5" 2" 3"(9,5 m3/mn) 1,5" 2"


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turbulencia del aire, causada por bordes agudos o cam-bios de seccin dentro de los circuitos, produce tam-bin una prdida de presin.Perturbaciones tpicas pueden ser acoplamientos conparedes innecesariamente gruesas, un mal 'acabadosuperficial interior, cierres salientes o hasta piezas deacoplamiento mal alineadas, Otro problema comn esel uso de mangueras demasiado pequeas.Las mangueras (y los tubos) tambin causan prdi-das por motivos fsicos, en proporcin a su longitud.Por toda su parte interior se crea una capa lmite,donde el flujo de aire se hace turbulento y pierde ener-ga. Una manguera ms grande significa generalmentemenos prdidas, ya que esa capa tiene ms o menos elmismo espesor no importando cul sea el tamao de lamanguera.La Tabla 8.5. muestra el efecto de las fugas de aire,que se comparan a un orifico de un cierto tamao. Lapotencia de compresor que se necesita para compen-sar las fugas aumenta drsticamente.Con relacin a las cadas de presin, en instalacio-nes estacionarias, un descenso aceptable entre el com-

presor y el punto ms distante de consumo es del ordende 10 kPa.

TABLA 8.5.

En lneas de distribucin de gran longitud, y en parti-cular en reas de trabajo temporal, los costes de lasinstalaciones suelen ser decisivos. En tales casos, lacada de presin no debe exceder de 50 kPa.Para estimar las cadas de presin en sistemas dedistribucin de aire comprimido puede utilizarse elbaco de la Fg. 8.8.

10 20LONGITUD DE MANGUERA (m)

500 1000 2000251 2 5

oy

50 100 200

2345 e:1wc:


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Ejemplo 1Se desea calcular la cada de presin de una instala-cin de aire comprimido consistente en una manguerade 200 m y un dimetro interior de 70 mm. La presininicial del aire es de 700 kPa y el caudal de 170 1/5(10,2 mS/min).Siguiendo el esquema de lneas de trazo gruesodibujadas en el baco citado se obtiene una cada depresin de 10 kPa.

Ejemplo 2

En la Fig. 8.9. se muestra el esquema de una red deaire comprimido en la que a la salida del compresorT se ramifica hacia 105diferentes puntos de consumoA, B Y e, donde los caudales consumidos son respecti-vamente de 5, 1,5 Y 10 m3/min. La cada de presinmxima admisible, entre el compresor y 105puntos deconsumo, se fija en 10 kPa. Despreciando las cadas depresin en los puntos singulares como estrechamientos,codos, etc., se desea dimensionar el tamao de 105 dife-rentes conductos para las longitudes indicadas.

AS m'/mln

100 m

B 1.5 m'lmln

30 m10 m'lmlne DE1S m 60 m

SOm

..j'T

Fig. 8.9. Esquema de la red de aire comprimido.

BIBLIOGRAFIA- ATLAS COPCO: Manual Atlas Copco. Cuarta edicin,1984.- ATLAS COPCO: Aire comprimido en sistemas transpor-tables. 1992.

Apoyndose en el baco de la Fig. 8.8. se tiene:Seccin T-DLongitud de tuberaCaudal del airePresin de trabajo

1=50mA = 16,5 m3/minP = 0,7 MPa

Se tantea un dimetro interior de la tubera de 80mm, para el que se obtierte una cada de presin de 3,5kPa.Seccin D-AI = 100 mA = 5 m3/minP=0,7MPaLa cada de presin no debe sobrepasar 10 kPamenos la cada de presin en la seccin T-D, es decir10 - 3,5 kPa = 6,5 kPa.Para un dimetro interior de 50 mm, la cada de pre-sin es de 6,5 kPa, la cada de presin global, entre T yA, ser entonces de 10 kPa.

Seccin D-E1=60mA = 11,5 m3/minP = 0,7 MPa

El dimetro interior de la tubera se elige para unacada de presin mxima de 5 kPa. El dimetro de 70mm da lugar a una cada de presin de 3,8 kPa.

Seccin E-SI =30mA = 1,5 m3/minP = 0,7 MPaLa cada de presin no debe pasar de 10 kPa menosla cada de presin entre T y E, es decir 10 - (3,5 + 3,8)= 2,7 kPa. El dimetro que interesar ser de 32 mm,que da lugar a una cada de presin de 2,4 kPa. Lacada de presin global ser de 9,7 kPa.

. Seccin E-C1= 15 mA = 10 m3/min

. P = 0,7 MPaLa cada de presin no debe pasar de 2,7 kPa. Eldimetro interior que convendr ser de 60 mm, queprovoca una cada de presin de 1,5 kPa y una cadade presin total entre T y C de 7,7 kPa.

- INGERSOLLRAND:Compresores Porttiles Rotativos.1976.- RUNDQUIST, W A.: Know Your Compressor. Pit &Quarry. September, november 1978; february, 1979.

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