SERVICIOS AUXILIARES MINEROS

Calidad que se acredita internacionalmente

ASIGNATURA

SEGUNDA UNIDAD

TEMA Nº 13-B – COMPRESORES.

DOCENTE: Ing. Benjamín Manuel Ramos Aranda

Huancayo, 2015

Asignatura: Servicios Auxiliares Mineros

MATERIAL DE ESTUDIO:

TEMAS Nº 13-B – COMPRESORES

Tema: VOLADURA DE MÁXIMO DESPLAZAMIENTO.

Compilado y adaptado de:

LÓPEZ JIMENO, Carlos; LÓPEZ JIMENO, Emilio; GARCÍA BERMÚDEZ, Pilar. Madrid: Ed. Entorno Gráfico Manual de Perforación y Voladura de Rocas.

Madrid, 2003. UBICACIÓN: Biblioteca UCCI: 622.23/L87

Material preparado con fines de estudio de alumnos del curso de Perforación y Voladura de

la Universidad Continental

./

Capítulo 8./

./

COMPRESORES/

./1. INTRODUCCION

./

/ El aire comprimido es el fluido que se ha venido utili-zando como fuente de energía en la perforación derocas, tanto en el accionamiento de los equipos neumá-ticos con martillo en cabeza y martillo en fondo, comopara el barrido de los detritus cuando se perfora conmartillos hidráulicos o a rotación.

En cualquier proyecto, tanto si es acielo abiertocomo subterráneo, es preciso disponer de compreso-res.

En el momento de decidir la compra de un equipo deperforación, uno de los puntos más importantes es laselección del compresor, debido fundamentalmente aque:

./

/

/- El peso específico en el precio del conjunto oscila,

según el tipo de perforadora, entre el15 y el 55%.

- La repercusión en el coste del metro lineal perfo-rado es considerable, pues si el caudal de aire esinsuficiente los problemas que pueden surgir son:

/

/ . Disminución de la velocidad de penetración..Aumento de los costes de desgaste: bocas, va-rillas, etc.

. Incremento del consumo de combustible./

. Necesidad de mayor labor de mantenimientodel equipo motocompresor.

- si se elige en las grandes unidades de perfo~ción/ una unidad compresora de alta presión, será posi-

ble perforar con martillo en fondo o con tricono.

/

Las dos características básicas de un compresor,además del tipo o modelo, son:

/

- El caudal de aire suministrado.

- La presión de salida del aire.

/ En la Tabla 8.1, se indican, para los diferentes equi-pos de perforación, los valores más frecuentes de lascitadas caracteristicas, el tipo de compresor y el por-centaje de precio aproximado con relación a la má-quina completa.

/

/

2. TIPOS DE COMPRESORES

Existen dos grupos de compresores: dinámicos y dedesplazamiento. En los primeros, el aumento de pre-sión se consigue mediante la aceleración del aire conun elemento de rotación y la acción posterior de undifusor. A este grupo pertenecen los compresorescentrífugos y los axiales, que son los más adecuadospara caudales grandes y bajas presiones.

En los compresores de desplazamiento, que son losque se utilizan en los equipos de perfaración, la eleva-ción de la presión se consigue confinando el gas en unespacio cerrado cuyo volumen se reduce con el movi-miento, de uno o varios elementos. Según el diseño, sesubdividen en rotativos y alternativos. Los más utiliza-dos en perforación son: los compresores de pistón,cuando éstos tienen un carácter estacionario, y los detornillo y paletas para los portátiles, tanto si estánmontados sobre la unidad de perforación o remolca-dos por ésta.

2.1. Compresores de pistó n

.~ . Estos equipos son los más antiguos y canocidos,ya que han sido empleados en las minas de interiorpara el suministro de aire comprimido a través de lasredes de distribución instaladas dentro de las mis-mas. Su aplicación ha descendido notablementecomo consecuencia del uso masivo de otras fuentesde energía más eficientes, como son la electricidad yla hidráulica.

2.2. Compresores de tornillo

En estas unidades la presión del aire se consigue porla interacción de dos rotares helicoidales que engra-nan entre sí, uno macho de cuatro lóbulos y otro hem-bra de seis canales. El principio de funcionamientopUE)deverse en la Fig. 8,1.

123

TABLA 8.1

~ORIFICIODE DESCARGA '-' ~

' ORIFICIO DE DESCARGA

~- ORIFICIO DE DESCARGA

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SE CUNDARIO

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,,' ASPIRACION ASPIRACION ASPIRACION

Figura 8.1. Principio de funcionamiento de un compresor de tornillo.

.. El aire penetra en el hueco formado pJ1r los dosrotores y la carcasa. A medida que los rotores se mue-ven el aire queda encerrado y comienza a disminuir elvolumen donde se aloja. Se inyecta aceite para sellar lacámara de compresión y disminuir su temperatura.Paulatinamente, el hueco ocupado por el aire y elaceite se desplaza disminuyendo su volumen hastaque se descarga en el recipiente separador de aceite.

Esta separación se lleva a cabo primero, por grave-dad en el interior de un calderín y después, con filtrosde lana de vidrio. A continuaci6n, el aceite se enfría y sefiltra antes de volverlo a recircular. En la Fig. 8.2 seindican los circuitos de refrigeración de un compresorportátil y su motor.

En compresores de tornillo de alta presión el númerode etapas suele ser de dos.

FLUJO DEL AGUADEREFRlGERACIONDEL MOTOR

REFRIGERADORDE ACEITE

Figura 8.2. Compresor portátil (/ngersoll-Rand).

El aceite inyectado tiene tres misiones principales:

- Cerrar las holguras internas.

124

TIPO DE CAUDAL PRESION TIPO DE FUNCIONES % DEL VALOR

PERFORADORA (m3/min) (MPa) COMPRESOR DEL EQUIPO

Neumática conmartillo en cabeza 18-36 0,7-0,8 TORNILLO . Accionamiento del martillo, 40-60

motor de avance, motor detraslación y motor hidráu-lico

. Barrido

Hidráulica conmartillo en cabeza 5-9 0,7-0,8 TORNILLO . Barrido 15-20

Neumática conmartillo en fondo 8-30 0,7-1,75 TORNILLO . Accionamiento del

martillo. Barrido 40-50

Rotativa con tricono 18-51 0,3-1,1 PALETAS . Barrido

(BajaPresión)

TORNILLO

(Media yAlta

Presión) 10-15

./ - Enfriar el aire durante la compresión, y

- Lubricar los rotores.

./Las ventajas que conlleva la utilización 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 económico.

./ - Ausencia de choques y vibraciones importantes.

- Reducido mantenimiento.

./ - Baja temperatura de funcionamiento, y- Alta eficiencia.

./2.3. Compresor de paletas

./Estos compresores tienen un solo rotor que monta

paletas radiales flotantes y cuyo eje es excéntricocon el de la carcasa cilíndrica. Al girar las paletas sedesplazan contra el estator por efecto de la fuerzacentrífuga. La aspiración 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 presión delaire, hasta llegar a la lumbrera de descarga.

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tDESCARGA

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Figura 8.3. Compresor de paletas.

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Este tipo de compresor utiliza también la inyecciónde aceite que ha sido explicado anteriormente.

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3. ACCIONAMIENTO/'

Los compresores estacionarios son accionados, ge-/' neralmente, por motores eléctricos, mientras que los

/'

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

Para compensar las caídas de tensión en los motoreseléctricos 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 través de un tren de engranajes.

4. ELEMENTOS AUXILIARES

Los elementos auxiliares más importantes cuandose trabaja con aire comprimido son:

- Filtros de aspiración.

- Separador de agua.

- Depósitos de aire.

- Engrasadores.

- Elevadores de presión.

4.1. Filtros de aspiración

Para eliminar el desgaste prematuro de las partesmóviles de los compresores y las averías, es necesariofiltrar el aire antes de su admisión. Los filtros deben

cumplir los siguientes requerimientos: eficacia de se-paración, capacidad de acumulación, baja resistenciaal paso de aire, construcción robusta y sencillez demantenimiento.

4.2. Separadores de agua

Este elemento utiliza el efecto de las fuerzas centrí-fugas, que adquiere el flujo de aire en su movimientode giro, para que las partículas de agua choquen con-tra las paredes del colector, produciéndose así el se-cado del aire que se evacúa a continuación por laparte central.

..

Figura 8.4. Separador de humedad (Atlas Capeo).

125

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

4.3. Depósito de aire

Las instalaciones de aire comprimido pueden dispo-ner de depósitos reguladores cuyas dimensiones de-penderán de:

- Capacidad del compresor.

- Sistemas de regulación.

- Presión de trabajo.- Variaciones estimadas en el consumo de aire.

Las funciones de estos depósitos son:

- Almacenar el aire comprimido para atender de-

mandas puntuales que excedan de la capacidad delcompresor.

- Incrementar la refrigeración y recoger residuos deagua y aceite.

- Igualar las variaciones de presión de la red.

- Evitar ciclos rápidos de carga y descarga del com-presor.

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DDEPos,TO DE AIRE

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Figura 8.5. Sistema de distribución de aire comprimido.

126

4.4. Engrasadores'-

Para realizar la lubricación de las perforadoras espreciso añadir aceite al aire comprimido, lo éualpuede realizarse en la propia máquina o en la línea deaire.. El principio de trabajo de los engrasadores puedeverse en la Fig. 8.6. El aire pasa a través de un estran-gulamiento que dispone de una válvula regulable. Lapresión del aire de entrada se conecta al tanque deaceite de forma que, cuando el aire pasa por la secciónmás estrecha, su velocidad aumenta y se produce unacaída de presión que hace que entre el aceite hacia lacorriente de aire atomizándose.

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Figura 8.6. Sección de un engrasador. '"

Se puede usar un aceite mineral o sintético. El aceitesintético reporta algunos beneficios adicionales. Está "-basado en glicol, lo que hace que ia máquina seamenos sensible al agua que lleva el aire. Este aceitesintético es también biodegradable, al contrario del"aceite mineral.

El aceite sintético es más caro, pero la diferencia encoste total es todavía insignificante, ya que el consumoes mucho más bajo. Tampoco es necesaria la separa- '-ción de agua al usar el aceite sintético. No es posiblemezclar aéeites distintos.

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4.5. Elevadores de presión"-

Cuando se utilizan perforadoras con martillo enfondo en minería subterránea, puede ser Ilecesarioelevar la presión del aire hasta 1,7 MPa, si éste essuministrado a media presión (0,7 MPa) a través deinstalaéiones fijas o cuando las pérdidas de carga hansido elevadas.

El incremento de presión se consigue con los deno"minados «booster», que trabajan en una o dos etapas.

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"-

'-4.6. Mangueras flexibles

Las mangueras de goma disponen de refuerzos texti-les colocados diagonalmente, que las hacen flexibles ymuy resistentes. Generalmente, la presión máxima detrabajo es de 1MPa, con temperaturas admisiblesdesde -40° a +100°C.

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En la Tabla 8.2. se indican las dimensiones estándar

de las mangueras de goma que más se utilizan.

TABLA 8.2.

Existen también mangueras de peso reducido, unatercera parte de una manguera convencional, fabrica-das con una capa interior de fibra sintética embutida encaucho resistente al aceite y al ozono. Se almacenaenrollada y plana, lo cual facilita su manipulación yminimiza el espacio de almacenamiento. En la Tabla8.3. se dan algunas cara9terísticas de estas manguerasespeciales.

TABL.A 8.3.

..'"

Los acoplamientos de manguera defectuosos no"sólo.quitan potencia, sino que también pueden ser un riesgode seguridad.

Los acoplamientos de garras de buena calidad sonforjados, mecanizados, templados y cromados. Losmétodos de fabricación permiten usar paredes delga-das, y de esta manera se puede disponer de un orificiomás grande para un diámetro de manguera dado, Elorificio es mecanizado para obtener un centrado perfec-to y una superficie lisa. El cierre tiene un asiento meca.nizado donde se encaja perfectamente y no perturba elflujo de aire.

Al usar acoplamientos de garras con una boquillagiratoria, la resistencia a torsión de la manguera nocausará molestias cuando se conectan dichas mangue-

ras. Tal acoplamiento puede hacer también que seamucho más fácil conectar distintos tamaños de man-gueras. La tuerca de apriete reduce al mínimo el riesgode desconexión accidental.

FLUJO DE AIRE

Fíg.8.7. Acoplamiento de garras moderno y boquillagiratoria de conexión.

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

Los diámetros de las mangueras que se recomiendanen función 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 número de conexiones, presen-tan pérdidas de presión debido a las fugas. Además, la

127

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 2,50

100,0 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 MANGUERA

AIRE 10 m 20 m 50 m 80m 100 m

50 l/s

(2,8 m3/min)1" 1" 1,5" 1,5" 1,5"-2"

80 l/s1,5" 2" 2" 2"

(4,8 m3/min)1"

120 l/s1,5" 2" 2"

(7,1 m3/min)1,5" 2"

160 l/s1,5" 2" 3"

(9,5 m3/mín)1,5" 2"

turbulencia del aire, causada por bordes agudos o cam-bios de sección dentro de los circuitos, produce tam-bién una pérdida de presión.

Perturbaciones típicas pueden ser acoplamientos conparedes innecesariamente gruesas, un mal 'acabadosuperficial interior, cierres salientes o hasta piezas deacoplamiento mal alineadas, Otro problema común esel uso de mangueras demasiado pequeñas.

Las mangueras (y los tubos) también causan pérdi-das por motivos físicos, en proporción a su longitud.Por toda su parte interior se crea una «capa límite»,donde el flujo de aire se hace turbulento y pierde ener-gía. Una manguera más grande significa generalmentemenos pérdidas, ya que esa capa tiene más o menos elmismo espesor no importando cuál sea el tamaño de lamanguera.

La Tabla 8.5. muestra el efecto de las fugas de aire,que se comparan a un orifico de un cierto tamaño. Lapotencia de compresor que se necesita para compen-sar las fugas aumenta drásticamente.

Con relación a las caídas de presión, en instalacio-nes estacionarias, un descenso aceptable entre el com-

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

TABLA 8.5.

En líneas de distribución de gran longitud, y en parti-cular en áreas de trabajo temporal, los costes de lasinstalaciones suelen ser decisivos. En tales casos, lacaída de presión no debe exceder de 50 kPa.

Para estimar las caídas de presión en sistemas dedistribución de aire comprimido puede utilizarse elábaco de la Fíg. 8.8.

10 20

LONGITUD DE MANGUERA (m)

500 1000 20001251

2 5

o

y

50 100 200

2

3

4

5e:§1wc:<C

wo-'«o::J«o

o

5

20

25

303540

50

100o

500 1000I'---y---/

CAlDA DE PRESION (kPa) PRESION DE SERVICIO

(kPa)

Fig. 8.8. Abaco para determinar las dimensiones de las conducciones de aire comprimido y pérdidas de carga.

128

TAMAÑO DEL FUGAS A POTENCIA NECESARIA

ORIFICIO (mm) 0,6 MPa (l/s) PARA COMPENSAR (kW)

1 1 0,33 10 3,15 27 8,3

10 105 33

/ V V V V 1/

%V V ,"'-

/ 1/ V / / V V V/ V V V Y 1/ V 1/ V '"

1/ / 1/ / 1"-

/ 1/ V V 1/ VV ,/ "'-

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32

40

E 50

§.c:O 60¡¡:Wf--

70Oc:f--

80w::i:«¡s

100

125

150

JEjemplo 1

J Se desea calcular la caída de presión de una instala-ción de aire comprimido consistente en una manguerade 200 m y un diámetro interior de 70 mm. La presióninicial del aire es de 700 kPa y el caudal de 170 1/5

.-1 (10,2 mS/min).

Siguiendo el esquema de líneas de trazo gruesodibujadas en el ábaco citado se obtiene una caída de

J presión de 10 kPa.

J Ejemplo 2

En la Fig. 8.9. se muestra el esquema de una red deJ aire comprimido en la que a la salida del compresor

«T» se ramifica hacia 105diferentes puntos de consumoA, B Y e, donde los caudales consumidos son respecti-

J vamente de 5, 1,5 Y 10 m3/min. La caída de presiónmáxima admisible, entre el compresor y 105puntos deconsumo, se fija en 10 kPa. Despreciando las caídas de

J presión en los puntos singulares como estrechamientos,codos, etc., se desea dimensionar el tamaño de 105dife-rentes conductos para las longitudes indicadas.

J

A S m'/mln.-/

J

100 m../

B 1.5 m'lmln

J30 m

10 m'lmln

../ e DE

1S m 60 m

SOm../

..j'

J

T

J

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

J

BIBLIOGRAFIAJ

../

- ATLAS COPCO: «Manual Atlas Copco». Cuarta edición,1984.

- «ATLAS COPCO: «Aire comprimido en sistemas transpor-tables». 1992.

J

Apoyándose en el ábaco de la Fig. 8.8. se tiene:

Sección T-D

Longitud de tuberíaCaudal del aire

Presión de trabajo

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

Se tantea un diámetro interior de la tubería de 80mm, para el que se obtierte una caída de presión de 3,5kPa.

Sección D-AI = 100 mA = 5 m3/min

P=0,7MPa

La caída de presión no debe sobrepasar 10 kPamenos la caída de presión en la sección T-D, es decir10 - 3,5 kPa = 6,5 kPa.

Para un diámetro interior de 50 mm, la caída de pre-sión es de 6,5 kPa, la caída de presión global, entre T yA, será entonces de 10 kPa.

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

El diámetro interior de la tubería se elige para unacaída de presión máxima de 5 kPa. El diámetro de 70mm da lugar a una caída de presión de 3,8 kPa.

Sección E-SI =30mA = 1,5 m3/minP = 0,7 MPa

La caída de presión no debe pasar de 10 kPa menosla caída de presión entre T y E, es decir 10 - (3,5 + 3,8)= 2,7 kPa. El diámetro que interesará será de 32 mm,que da lugar a una caída de presión de 2,4 kPa. Lacaída de presión global será de 9,7 kPa.

. Sección E-C1= 15 mA = 10 m3/min

. P = 0,7 MPa

La caída de presión no debe pasar de 2,7 kPa. Eldiámetro interior que convendrá será de 60 mm, queprovoca una caída de presión de 1,5 kPa y una caídade presión total entre T y C de 7,7 kPa.

- INGERSOLLRAND:«Compresores Portátiles Rotativos».1976.

- RUNDQUIST, W A.: «Know Your Compressor». Pit &Quarry. September, november 1978; february, 1979.

129