Servicios Auxiliares Mineros- Tema 13.pdf

Ing. Benjamn Manual Ramos Aranda

Mayo del 2015

SERVICIOS AUXILIARES

MINEROS

Docente: Ing. Benjamn M. Ramos Aranda

TEMA N 13 AIRE COMPRIMIDO, INTRODUCCIN Y PRINCIPIOS TEORICOS.

UNIDAD II INSTALACIONES AUXILIARES DE MINA


Analizar propiedades y leyes de los gases. Interpretar la tcnica de la neumtica y la clasificacin de las compresoras.

PROPOSITO DE CLASE:

AIRE COMPRIMIDO, INTRODUCCIN Y PRINCIPIOS TEORICOS.


INTRODUCCIN


El aire comprimido es una forma de fluido energtico

muy verstil en la industria.

Su calificativo de fluido energtico radica en su

capacidad de producir un trabajo cuando se

descomprime.


INTRODUCCIN


Casi todas las empresas utilizan el aire comprimido en

algn tipo de equipo como herramientas de mano,

actuadores de vlvulas, pistones y maquinaria. De

hecho, ms del 10% de la electricidad suministrada a la

industria se utiliza en la produccin de aire

comprimido.

En muchos casos, el empleo de aire comprimido es tan

vital que la instalacin no puede funcionar sin l.


LOS GASES Y SUS PROPIEDADES

Caractersticas:

Son compresibles No tienen volumen definido No tienen forma definida Se difunden La mayora son incoloros


DEFINICIN DE PROPIEDADES


Presin: fuerza ejercida sobre un rea dada de una superficie u objeto.

Unidades:

N/m2 = Pa

mm de Hg

Atmsferas estndar (atm) ( 1 atm = 760 mm Hg)

Pascal ( 1 atm = 1.01 3 x 105 Pa)

1 bar ( 1 bar = 0.9869 atm)

1 psi ( 1 atm = 14.7 psi) Docente: Ing. Benjamn M. Ramos Aranda

Presin atmosfrica

Debida al peso del aire encima nuestro

Disminuye si

subimos una montaa

Aumenta si

bajamos a una mina

Tambin varia por condiciones del clima


La presin absoluta y temperatura al nivel del mar son 1.01325 bars y 288 K (15OC),

respectivamente

1013.25 m bar

Presin atmosfrica


Barmetro de Mercurio

La presin atmosfrica puede medirse por la altura

de una columna al vaco de

un liquido

Al nivel del mar una columna de mercurio

alcanza una altura de 760

mm Hg (1.0139 bar)

Una columna de agua medira 10 mts. Pero el

mercurio es mucho ms

denso que el agua

760 mm Hg

Presin atmosfrica


DENSIDADES (Kg /m3)

Aire 1.25

Alcohol 806

Agua 1000

Mercurio 13600

(el mercurio es 10880 veces ms denso que el aire)

760 mm Hg

Presin atmosfrica

Barmetro de Mercurio




PRESIN RELATIVA o MANOMTRICA es la medida

respecto de la presin atmosfrica y por encima de

sta.


Presiones



En los sistemas neumticos la presin se mide con manmetros

La presin manomtrica indica la presin en exceso a la presin atmosfrica

La graduacin de los manmetros se da generalmente en bar

(en equipo ingls en PSI)

Los manmetros indican el valor de presin relativa




VOLUMEN = espacio que ocupa un gas. Por lo general,

los gases estn contenidos en tanques, por lo que

equivaldra al espacio disponible dentro del tanque.

Unidades:

litros o mililitros




TEMPERATURA = propiedad fsica que determina en

qu direccin fluye el calor. Medida de cun caliente

est un objeto o sustancia.

Unidades:

Kelvin (K) :

K = 273.15 + C

F = (1.8 x Temperatura en C) + 32

C = (Temperatura en F 32) / 1.8


Escalas de Temperatura

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

233

253

273

293

313

333

353

373

393

OK = OC + 273.15

OF = 9/5 OC + 32

Fahrenheit y Celsius coinciden a - 40O

OK

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

OF OC Docente: Ing. Benjamn M. Ramos Aranda



DENSIDAD es una magnitud referida a la cantidad

de masa contenida en un determinado volumen. La

densidad se mide en Kg/m3.


19

VISCOSIDAD es la oposicin de un fluido a las deformaciones

tangenciales y se justifica por la friccin entre las diferentes capas

que lo forman.

Pas0.1cm

sdina1 p 1

2

Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal; aunque en

realidad, todos los fluidos conocidos presentan algo de

viscosidad.

La viscosidad de un fluido puede medirse por un parmetro

dependiente de la temperatura llamado coeficiente de viscosidad

o simplemente viscosidad () que se mide en Pas o en Poise (p)




Teora cintica de los gases (postulados).

Los gases estn formados por partculas separadas enormemente en comparacin a su tamao. El

volumen de las partculas del gas es despreciable

frente al volumen del recipiente.

Las partculas estn en movimiento continuo y desordenado chocando entre s y con las paredes

del recipiente, lo cual produce la presin.


Los choques son perfectamente elsticos, es decir, en ellos no se pierde energa (cintica).

La energa cintica media es directamente proporcional a la temperatura.

Teora cintica de los gases (postulados).


Conceptos Bsicos de Hidrulica y Neumtica

FLUIDOS: son sustancias o medios continuos que se

deforman continuamente en el tiempo ante la aplicacin

de una tensin tangencial sin importar la magnitud de

sta.

La posicin relativa de sus molculas puede cambiar

continuamente.

Todos los fluidos son compresibles en cierto grado.

No obstante, los lquidos son mucho menos

compresibles que los gases.

Tienen viscosidad, aunque la viscosidad en los gases

es mucho menor que en los lquidos.


Principio de Pascal

La presin de los fluidos se transmite por igual en todas las direcciones

La fuerza ejercida por un piston es igual al producto del area efectiva por la presin del aire

PRESION = FUERZA

AREA

Por tanto si la presin suministrada es constante, a mayor dimetro D del cilindro mayor fuerza F para el trabajo

D mm

P bar

F


Fuerza de un cilindro

La fuerza ejercida por un pistn es igual al producto del area efectiva por la presin del aire

Fuerza = D2

40

P Newtons

p

D mm

P bar

donde D = dimetro del cilindro en mm P = presin en bar


Conceptos Bsicos de Hidrulica y Neumtica

No se puede abordar un manual acerca del aire

comprimido sin apuntar, al menos de una manera

somera, una serie de consideraciones bsicas acerca

de las leyes fsicas que rigen el comportamiento de

los gases.

Esta consideracin es importante dado que el empleo

del aire comprimido aprovecha una serie de

transformaciones de este que son, en definitiva, las

que le confieren el calificativo y las propiedades de

fluido energtico.

Estas consideraciones son de dos tipos: Fsicas y

Termodinmicas.


Leyes de los gases

Las variables de estado de los gases son: presin, volumen y temperatura

Si mantenemos una de ellas constante, la relacin de las otras dos esta dada por las siguientes leyes:

Temperatura constante P.V = constante (Ley de Boyle)

Presin constante V / T = constante (Ley de Charles)

Volumen constante P / T = constante (Ley de Gay - Lusac)


Temperatura constante

Ley de Boyle: el producto de presin y volumen de una

masa de gas se mantiene si

la temperatura no se vara

Este proceso se llama Isotrmico. Debe ser lento

para que el calor fluya

libremente y as la

temperatura no cambie,

cuando el gas es

comprimido o expandido

0 2 4 6 8 16 0

2

4

6

8

10

12

Volumen V

Presin P bar (absoluta)

P1.V1 = P2.V2 = constante

10 12 14

14

16


Presin constante

Ley de Charles:

El volumen de una masa de

gas cambia proporcionalmente

a su temperatura absoluta, si

la presin se mantiene

constante (Isobrico)

Desde una temperatura ambiente de 20oC un cambio

de 73.25oC produce un

cambio de 25% en volumen

0o Celsius = 273K

0 0.25 0.5 0.75 1 2 -60

-40

-20

0

20

40

60

Volume

Temperature Celsius

1.25 1.5 1.75

80

100

293K

V1 V2

T1(K) T2(K) = c =


0 0.25 0.5 0.75 1 2 -60

-40

-20

0

20

40

60

Volume

Temperature Celsius

1.25 1.5 1.75

80

100 366.25K

V1 V2

T1(K) T2(K) = c =

Presin constante

Ley de Charles:

El volumen de una

masa de gas cambia proporcionalmente a su temperatura absoluta, si la presin se mantiene constante (Isobrico)

Desde una temperatura ambiente de 20oC un cambio de 73.25oC produce un cambio de 25% en volumen

0o Celsius = 273K


Ley de Charles:

El volumen de una



0o Celsius = 273K

0 0.25 0.5 0.75 1 2 -60

-40

-20

0

20

40

60

Volume

Temperature Celsius

1.25 1.5 1.75

80

100

293K

V1 V2

T1(K) T2(K) = c =

Presin constante


0 0.25 0.5 0.75 1 2 -60

-40

-20

0

20

40

60

Volume

Temperature Celsius

1.25 1.5 1.75

80

100

219.75K

V1 V2

T1(K) T2(K) = c =

Ley de Charles:

El volumen de una



0o Celsius = 273K

Presin constante


0 0.25 0.5 0.75 1 2 -60

-40

-20

0

20

40

60

Volume

Temperature Celsius

1.25 1.5 1.75

80

100 366.25K

219.75K

293K

V1 V2

T1(K) T2(K) = c =

Ley de Charles:

El volumen de una



0o Celsius = 273K

Presin constante


Volumen constante

Ley de Gay - Lusac si el volumen de una masa de aire se mantiene constante, la presin es proporcional a la temperatura

Un recipiente rgido (volumen constante) a 20oC y 10 bar de presin absoluta, un cambio de temperatura de 60oC produce un cambio de presin de 2.05 bar

0oC = 273K

0 5 10 20 -60

-40

-20

0

20

40

60

Temperature Celsius

15

80

100

0

2

4

6 8

bar

10

12

14

16

P1 P2

T1(K) T2(K) = c =

bar absolute


0 5 10 20 -60

-40

-20

0

20

40

60

Temperature Celsius

15

80

100

0

2

4

6 8

bar

10

12

14

16

P1 P2

T1(K) T2(K) = c =

bar absolute



0oC = 273K

Volumen constante




0oC = 273K

0 5 10 20 -60

-40

-20

0

20

40

60

Temperature Celsius

15

80

100

0

2

4

6 8

bar

10

12

14

16

P1 P2

T1(K) T2(K) = c =

bar absolute

Volumen constante


0 5 10 20 -60

-40

-20

0

20

40

60

Temperature Celsius

15

80

100

0

2

4

6 8

bar

10

12

14

16

P1 P2

T1(K) T2(K) = c =

bar absolute



0oC = 273K

Volumen constante


0 5 10 -60

-40

-20

0

20

40

60

bar absolute

Temperature Celsius

15

80

100

0

2

4

6 8

bar

10

12

14

16

P1 P2

T1(K) T2(K) = c =



0oC = 273K

Volumen constante


Ley General de los gases

Es una combinacin de las leyes de Boyle, de Charles y de Gay-Lusac

Si la masa se mantiene, y la presin, el volumen y la temperatura varan, la relacion PV/T permanece constante

P1 V1 = P2 V2 = constante

T1 T2


Humedad Relativa (HR)

Mide la cantidad de vapor de agua en el aire comparada con la max cantidad de vapor de agua que podria contener antes de su precipitacin.

HR vara con la temperatura del aire.

-40

-20

0 10 20 30 40 50

0

20

40

Gramos de vapor de agua / metro cbico de aire (gr / m3) 60 70 80

Tem

pe

ratu

ra C

els

ius

25% HR 50% HR 100% HR

A 20o Celsius 100% HR = 17.40 gr/m3 50% HR = 8.70 gr/m3 25% HR = 4.35 gr/m3


Agua en el aire comprimido

Cuando una gran cantidad de aire se comprime, se

nota la aparicin de agua

El vapor de agua en el aire es tambien comprimido y el

resultado es similar al de

exprimir una esponja

Esto provoca que el aire comprimido se sature

dentro del tanque

Drenaje

aire 100% saturado

Condensado



Imaginmos 4 cubos de 1 m3 de aire libre a 20oC y con humedad relativa del 50%

Es decir contienen 8.7 grs. de agua (la mitad del max posible que es de 17.4 grs.)


Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para formar 1 m3, los 4 x 8.7 = 34.8 gramos de agua no pueden

sostenerse en l.

El m3 puede mantener como max 17.4 gramos de agua

Los otros 2 x 8.7 = 17.4 grs. agua caen como gotas.



Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para formar 1 m3, los 4 x 8.7 = 34.8 gramos de agua no pueden sostenerse en l.





Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para formar 1 m3, los 4 x 8.7 = 34.8 gramos de agua no pueden

sostenerse en l.





4 m3 con 50%HR y 1 bar presin atmosfrica puede comprimirse en

1 m3 con una presin manomtrica

de 3 bar

17.4 gramos de agua permanecen como vapor en el aire saturado

Mientras que 17.4 gramos se condensan y se precipitan

Este proceso contina, y cada vez que la presin manomtrica

excede 1 bar y se comprime 1 m3

adicional de aire, 8.7 gramos de

agua se precipitan



Intercambiadores de calor

El aire tiene vapor de agua

Al comprimirse el aire se satura

Se desea utilizar aire comprimido seco

Para secar el aire comprimido se utilizan los

intercambiadores de calor

Estos enfran primero y entibian luego el aire

comprimido

Al hacerlo secan el aire comprimido

M

Aire Seco

Aire hmedo

Drenaje Refrigeracin


El aire hmedo entra al primer intercambiador de

calor y es enfriado por el

aire seco que va saliendo

Este aire entra al segundo intercambiador de calor

donde es refrigerado

El condensado se drena al exterior

A medida que el aire seco y refrigerado sale, es

entibiado por el aire

hmedo que va entrando

M

Aire Seco

Aire hmedo

Drenaje Refrigeracin

Intercambiadores de calor


UNIDADES

Unidad Abreviatura Conversin

Newton ( kg.m/s2)

Kilopondio

Presin

Trabajo

Potencia

Viscosidad

Fuerza N

kp

0,102 kp

9,81 N

Pascal ( N/m2)

Megapascal

Bar

Psi( libra/pulgada2)

Pa

Mpa

Bar

psi

1.000.000 Pa

100.000 Pa

7.000 Pa

Julio (N.m)

Kilopondio.metro

J

kpm

0,102 kp

9,81 J

Vatio (N.m/s)

Caballo vapor

W

CV

0,001359 CV

735,49875 W

Stoke ( m2//s)

Centistoke

St

cSt 0,01St


Qu es el aire?

Una mezcla de gases

Nitrgeno + Oxgeno = 99%

Posee Vapor de agua


Composicin del aire

Composicin Nitrogeno 78.09% N2 Oxgeno 20.95% O2 Argn 0.93% Ar Otros 0.03%


NEUMTICA

Tcnica que utiliza el aire comprimido como vehculo para transmitir energa.


INTRODUCCIN A LA NEUMTICA

La neumtica es la ciencia que estudia la

aplicacin del aire comprimido a presin

De los antiguos griegos procede la expresin

"Pneuma", que designa la respiracin, el viento

y, en filosofa, tambin el alma.


NEUMTICA : rama de la tecnologa dedicada al estudio y aplicaciones prcticas del aire comprimido.

Aire comprimido: aire tomado de la atmsfera y confinado a presin en un espacio reducido.

Martillo neumtico

Excavadora neumtica

INTRODUCCIN A LA NEUMTICA


SEMEJANZAS ENTRE NEUMTICA E HIDRULICA

La Neumtica e Hidrulica son tecnologas muy semejantes; ambas aplican los conocimientos cientficos sobre fluidos en el diseo de circuitos presentes en todos los mbitos industriales, sobre todo en los procesos de automatizacin y control. En todo sistema neumtico o hidrulico, se distinguen cuatro elementos:

1 Elementos generadores de energa: Compresor en Neumtica y Bomba en Hidrulica.

2 Elementos de tratamiento de los fluidos: Filtros y reguladores de presin.

3 Elementos de mando y control: Tuberas y vlvulas

4 Elementos actuadores: Cilindros y motores


DIFERNCIAS ENTRE NEUMTICA E HIDRULICA

La diferencia ms relevante viene marcada por el tipo de fluido; la Neumtica utiliza aire comprimido (muy compresible) y la Hidrulica generalmente emplea aceites (prcticamente incompresibles). Por esta razn, los circuitos neumticos son abiertos (escapes al ambiente), mientras que los hidrulicos son cerrados (escapes a un tanque).


Sistema neumtico Bsico

PRODUCCIN Y TRATAMIENTO DE AIRE

1. COMPRESOR.

2. MOTOR ELCTRICO.

3. PRESOSTATO.

4. VLVULA ANTIRETORNO.

5. DEPSITO.

6. MANMETRO.

7. PURGA AUTOMTICA.

8. VLVULA DE SEGURIDAD.

9. SECADOR DE AIRE REFRIGERADO.

10. FILTRO DE LNEA.

CIRCUITO DE UTILIZACIN

1. TOMA DE AIRE.

2. PURGA AUTOMTICA.

3. UNIDAD DE ACONDICIONAMIENTO DEL AIRE

4. VLVULA DIRECCIONAL.

5. ACTUADOR.

6. CONTROLADORES DE VELOCIDAD.


Se llama compresor a toda mquina que impulsa aire,

gases o vapores ejerciendo influencia sobre las

condiciones de presin.

Los compresores se valoran por el caudal

suministrado, en la prctica se mide en litros por

minuto en los pequeos o en metros cbicos por hora

en los grandes compresores.

Compresores


Compresores


Compresores

COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO

ALTERNATIVOS ROTATIVOS

EMBOLO PALETA DIAFRAGMA TORNILLO


Compresores Alternativos

Compresor de pistn de una etapa

Compresor de pistn de dos etapas Compresor de diafragma


Son mquinas de desplazamiento positivo en las

cuales sucesivas cantidades de gas quedan atrapadas

dentro de un espacio cerrado y, mediante un pistn, se

eleva su presin hasta que se llega a un valor de la

misma que consigue abrir las vlvulas de descarga.

El elemento bsico de compresin de los compresores

alternativos consiste en un solo cilindro en el que una

sola cara del pistn es la que acta sobre el gas

(simple efecto).

Compresores Alternativos


COMPRESORES ALTERNATIVOS


El es una mquina en la que el gas es

comprimido por la accin dinmica de las

paletas giratorias de uno o ms rodetes. El

rodete logra esta transmisin de energa

variando el momento y la presin del gas. El

momento (relativo a la energa cintica) se

convierte en energa de presin til al perder

velocidad el gas en el difusor del compresor u

otro rodete.

COMPRESOR CENTRFUGO


El rodete, el cual impulsa el gas. La carcasa, que primero conduce el gas

hasta el rodete y despus lo recibe de l a

una presin mayor.

Un compresor de este tipo est constituido

esencialmente por dos partes:

COMPRESOR CENTRFUGO


COMPRESOR CENTRFUGO

Ver video COMPRESORES CENTRIFUGOS 1 Docente: Ing. Benjamn M. Ramos Aranda

Compresor de Embolo de Una Etapa

Aire de 3 - 7 Bares


Compresor de Embolo de Dos Etapa

Aire aprox. de 7 Bares

Temperatura de 120C Docente: Ing. Benjamn M. Ramos Aranda

Compresor de Diafragma

Aire hasta de 5 Bares

Libre de Aceite Docente: Ing. Benjamn M. Ramos Aranda

Compresores Rotativos

COMPRESOR DE PALETAS COMPRESOR DE TORNILLO TURBO COMPRESOR RADIAL


Compresor Rotativo de Paleta Deslizante

Temperatura de 120C

Aceite de Refrigerante Docente: Ing. Benjamn M. Ramos Aranda

Este tipo de compresor consiste bsicamente en

dos rotores helicoidales situados dentro de la

carcasa de la bomba. Por su movimiento

absorben gas que posteriormente se comprime

dentro de la cmara helicoidal formada entre los

rotores y la carcasa. Como se ve en la figura, los

rotores difieren en su forma de manera que

ajusten entre s formando un cierre hermtico por

el cual no pueda escapar el gas al ser

comprimido.

COMPRESORES DE TORNILLO O HELICOIDALES


Compresor Rotativo de Tornillo

Caudales > 400 m3/min

Presin > 10 Bares Ver video Compresor a Tornillo Zebra


COMPRESORES

COMPRESORES ESTACIONARIOS


COMPRESORES

COMPRESORES PORTATILES


COMPRESORES

FACTORES DE CORRECCIN:

Normalmente, en las aplicaciones de aire comprimido hay dos factores de correccin muy importantes para considerar:

El primero consiste en que la presin inicial del aire que entrega el compresor depende de la presin atmosfrica en el sitio de trabajo, esta presin atmosfrica a su vez depende de la altura sobre el nivel del mar. A mayor altura sobre el nivel del mar menor ser la presin atmosfrica y menor ser la capacidad real del aire, la temperatura del ambiente tambin afecta la capacidad real ya que a mayor temperatura del aire, menor ser la capacidad real debido a que el aire tiene menos densidad a mayores temperaturas.


COMPRESORES

FACTORES DE CORRECCIN:

La siguiente tabla nos indica los factores de correccin para aplicar en el caso de compresoras porttiles utilizados bajo diferentes alturas y temperaturas de aire. El factor obtenido se multiplica por la capacidad de aire libre requerida y obtenemos as el tamao del compresor requerido para la aplicacin.


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