4 Aire Comprimido en minería- Ing. Marquina

MÁQUINAS

MINERAS

Tomo 4

Aire

comprimido

Ing. Marquina Herrera

Pedro Pablo

- 1999 -

Universidad Nacional del ComahueFacultad de Ingeniería Asentamiento Universitario Zapala

Índice

i

ÍNDICE GENERAL

AIRE COMPRIMIDO

INTRODUCCIÓN---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1

1. DEFINICIONES DEL AIRE COMPRIMIDO-------------------------------------------------------------------------------4

2. TERMINOLOGÍA -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------9

3. FACTORES DE CONVERSIÓN-----------------------------------------------------------------------------------------------9

4. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA TERMODINÁMICA------------------------------------------------------10

4.1. TEORÍA CINÉTICA MOLECULAR-------------------------------------------------------------------------------10

4.2. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA ------------------------------------------------------------11

4.3. SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA----------------------------------------------------------11

4.4. LEYES DE LOS GASES-----------------------------------------------------------------------------------------------12

4.5. COMPRESIBILIDAD--------------------------------------------------------------------------------------------------13

4.6. COMPRESIÓN DEL AIRE -----------------------------------------------------------------------------------------13

4.6.1.COMPRESIÓN ISOBÁRICA----------------------------------------------------------------------------------13

4.6.2 .COMPRESIÓN ISOCÓRICA ----------------------------------------------------------------------------------13

4.6.3. COMPRESIÓN ISOTÉRMICAS-----------------------------------------------------------------------------13

5. TRABAJO TÉCNICO DE LA COMPRESIÓN ----------------------------------------------------------------------------13

6. FLUJO DE AIRE POR LAS TUBERÍAS ------------------------------------------------------------------------------------14

7. CAMPOS Y OBJETIVOS DEL AIRE COMPRIMIDO------------------------------------------------------------------18

7.1. CONDICIONES DE DISEÑO------------------------------------------------------------------------------------18

8. CLASES DE COMPRESORES ------------------------------------------------------------------------------------------------22

8.1. OTROS TIPOS DE COMPRESORES--------------------------------------------------------------------------22

9. COMPRESORES DE PALETAS ----------------------------------------------------------------------------------------------25

10. ACCIONAMIENTO DE LOS COMPRESORES ------------------------------------------------------------------------25

11. ELEMENTOS AUXILIARES USADOS EN LAS INSTALACIONES DE AIRE COMPRI-MIDO-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------26

11.1. FILTRO DE ASPIRACIÓN ------------------------------------------------------------------------------------26


Índice

ii

11.2. SEPARADOR DE AGUA--------------------------------------------------------------------------------------26

11.3. DEPOSITO DE AIRE--------------------------------------------------------------------------------------------28

11.4. ENGRASADORES-----------------------------------------------------------------------------------------------28

11.5. ELEVADORES DE PRESIÓN ---------------------------------------------------------------------------------30

12. MANGUERAS FLEXIBLES ---------------------------------------------------------------------------------------------------30

13. CONCEPTOS ACTUALIZADOS SOBRE AIRE COMPRIMIDO--------------------------------------------------31

14. INSTALACIONES DE AIRE COMPRIMIDO----------------------------------------------------------------------------34

15. CALCULO DE UNA TUBERÍA DE AIRE COMPRIMIDO------------------------------------------------------------35

16. PROBLEMA DE AIRE COMPRIMIDO------------------------------------------------------------------------------------37


Maquinas MinerasAire Comprimido

1

INTRODUCCIÓN

El aire comprimido es un fluido utilizando como fuente de energía en la perforación

de rocas. Permite el accionamiento de los equipos neumáticos como martillos perforadores,

jumbo de perforación o carros perforadores y otras maquinas utilizadas en explotación. Ver

Figura 1, 2 y 3, estas máquinas se emplean en la explotación a cielo abierto y subterránea.

El aire comprimido, también se usa para el barrido de detritus generados durante la

perforación, actualmente se utilizan martillos con barrido hidráulico para evitar la

producción de polvo.

En cualquier proyecto minero es preciso disponer de compresores. Cuando se decide

adquirir un equipo de perforación se deberán evaluar, para una correcta elección, los

siguientes puntos:

- precio.

- rendimiento o avance por metro lineal perforado por unidad de tiempo (m/min o m/h).

- caudal de aire: si el caudal de aire es insuficiente disminuirá la velocidad de penetración,

aumentando así los costos de brocas y varillas debido a su desgaste, se incrementará el

consumo de combustible y el costo de mantenimiento del compresor.

Cuando se elige un compresor de alta presión deberá hacerse la perforación con

carros perforadores con diferentes tipos de brocas e inclusive triconos.

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

- El caudal (m3/min) de aire suministrado

- La presión (kg/cm2) de salida del aire.

Los datos anteriores los provee cada fabricante, son característicos para cada máquina

y generalmente se muestran en catálogos.



2

Fig. 1: martillo neumático



3

Fig. 2: jumbo sobre ruedas



4

Fig. 3: carro perforador sobre orugas

1.DEFINICIONES DEL AIRE COMPRIMIDO

- Aire Libre: es el aire en las condiciones atmosféricas del lugar en cuestión,

inafectado por el compresor.



5

- Capacidad de un compresor: es el volumen de gas comprimido y suministrado en

el punto de descarga, referido a las condiciones de temperatura absoluta, presión absoluta y

composición del aire en el punto de aspiración, teniendo en cuenta la importancia de la

humedad.

- Capacidad de una bomba de vacío: es el volumen de gas aspirado y comprimido

en la primer etapa de una bomba de vacío, referido también a las condiciones mencionadas

anteriormente.

- Compresor de desplazamiento: es una maquina en que se eleva la presión estática

mediante sucesivas aspiraciones de gas que se expulsa a otro espacio menor merced a un

desplazamiento móvil. Ver Figura 4

- Compresor dinámico: en esta maquina se eleva la presión estática mediante la

conversión de la energía cinética en energía de presión durante el paso del gas a través de

la maquina. La energía cinética se comunica al gas por medio de uno o mas impulsores

sucesivos. Ver Figura 5 y 6.

- Compresor tipo pack: es una unidad compresora lista para funcionar, lleva

incorporado transmisión y motor, tuberías e instalación eléctrica, todo montado sobre un

chasis. Estos compresores cuentan con filtro de aspiración. Ver Figura 7 y Tabla 1.

Fig. 4: compresor de desplaz amientoIngersoll – Rand compressor, Direct connected with diesel Engine



6

Fig. 2: PAP PLUS compressors deliver oil-free

Fig. 5: Compresor dinámico (Air reliably ---- efficiently)

Simplicity means reliability. And the design of Elliott PAP PLUS compressors is simplicity itself –the only moving parts in the compressor are a gear and the rotors. And, because this is a centrifugal, there are no lubricated parts in the air passage – you get really oil-free air.

Typical operation: Ambient air enters the first stage thorough inlet valve (A), where it is accelerated by the fist impeller (B). A radial diffuser converts the air is velocity into pressure before the air enters an efficient scroll casing (C), to be ducted through interstage piping to the first intercooler (D). The cooled air then flows into the second impeller (E), again through a diffuser, into a scroll casing, and then into the second intercooler (F). Air from the second intercooler then moves through a third impeller (G), diffuser, and scroll casing before being discharged into the aftercooler and the plant air system.



7

Fig. 6: Impellers (impulsores)The compression elements of the PAP PLUS compressor are stainless steel impellers. These 17-4PH stainless steel impellers resist the corrosive and erosive action of atmospheric contaminants and water vapor that may pass through any inlet air filter

Fig. 7: Compresor tipo pack



8

Tabla 1: Especificaciones técnicas

Compresor XAS35 XAS45 XAS55 XAS65 XAS65E XAS75

Presión bar(e)

normal de trabajo lb/pulg2

7

102

7

102

7

102

7

102

7

102

7

102

Aire libre l/s

suministrado m3/min

pie3/min

34

2,0

72

43

2,5

91

51

3

108

61

3,7

129

61

3,7

129

71

4.,3

150

Nivel sonoro:

según EEC 84/533 dB (A)

Cagi Pneurop dB (A)

100

73

100

73

100

73

100

73

95

73

100

73

Capacidad del l

sistema de aceite gal

8

1,76

8

1,76

8

1,76

8

1,76

8

1,76

8

1,76

Motor KHD KHD KHD KHDLeroy-

SomerKHD

Tipo F2L1011 F2L1011 F3L1011 F3L1011 LS180 L-2 F3L1011

Número de cilindros 2 2 3 3 - 3

Velocidad a plena carga r/min 2575 2500 2400 2800 - 3300

Potencia kW 18,9 18,5 26,5 30 30 33,8

Capacidad del depósito l

de combustible gal

30

6,6

30

6,6

50

11

50

11

-

-

50

11

Dimensiones de la unidad

Longitud mm

pulg

2935

115,6

2935

115,6

3048

120,1

3048

120,1

3048

120,1

2853

112

Anchura mm

pulg

1300

51,2

1300

51,2

1300

51,2

1300

51,2

1300

51,2

1300

51,2

Altura mm

pulg

1197

47,2

1197

47,2

1308

51,2

1308

51,2

1308

51,2

1360

53,6

Peso neto kg

lbs

710

1566

710

1566

780

1720

780

1720

695

1533

800

53,6

Peso (unidad en operación) kg

lbs

750

1654

750

1654

830

1830

830

1830

705

1554

850

1874



9

2. TERMINOLOGÍA

- Potencial al eje: es la potencia necesaria en el eje de accionamiento del compresor.

No se incluyen las medidas en transmisiones externas tales como engranajes y correas.

- Presión absoluta: se llama así a la presión medida partiendo del cero absoluto, es

decir de un vació total. Es igual a la suma algebraica de las presión atmosférica y efectiva.

- Presión efectiva manométrica: es la presión medida a partir de la atmósfera.

3. FACTORES DE CONVERSIÓN

- Velocidad, velocidad de penetración: 1m/s = 60 m/min = 3280,84 pie/seg =

186,850 pie/min = 3,6 kg/h = 2,236 millas/h.

- Volumen: 1m3 = 61 x 0,003 plg3 = 35,314 pie = 1,307 yardas3 = 264 galones

americanos.

- Caudal de volumen, capacidad: l lts/seg = 0,006 m3/min = 3,6 m3/h = 2118

pie/min = 4,7 yardas3/h =15850 galones americanos/min

- Fuerza: 1 kilopondío = 9,806 Nw = 2,2 lb fuerza

- Par de fuerza: 1 kilopondio metro = 0,981 Nw/m = 86,796 plg/libra fuerza = 7,23

pie/libra fuerza.

- Presión o carga: 1 bar = 0,000001 pascal o Nw/m3 = 1,019 kilopondio/cm2 = 14,5

libras fuerza/plg2 (pcf)

- Energia y trabajo: 1 KW = 0,367096 kilopondio/m

- Escala de temperatura: Grados Celsius = 273,15 grados kelvin = 491,67 grados

R = 32 ºF



10

4. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA TERMODINÁMICA

4.1 TEORÍA CINÉTICA MOLECULAR: toda materia se compone de moléculas que

permanecen en movimiento constante, manteniéndose unidas mediante la fuerza de

cohesión. En los sólidos, las moléculas están fuertemente unidas y ordenadas de tal manera

(red) que la fuerza de cohesión es muy fuerte. Por esta causa los sólidos tiene forma propia

y son consistentes. El movimiento molecular se reduce en su mayoría a oscilaciones sobre

el punto de equilibrio.

En un líquido, las moléculas están cerca como en los sólidos, aunque no presentan

estructura en red, siendo por ello su fuerza de cohesión más débil. Las moléculas tienen

mas movilidad, cambiando sus características, el líquido toma la forma del recipiente que lo

contiene y su superficie tiende a ser plana y horizontal respondiendo a la fuerza de

gravedad.

En un gas las moléculas están separadas y se mueven libremente porque su fuerza

cohesiva es mucho menor. Por lo tanto, un gas se expande y se mezcla con otros gases que

están presentes.

El volumen total de las moléculas de un gas es muy pequeño en relación con el

volumen ocupado por el gas. El volumen de un gas es en su mayoría espacios vacíos en el

cual cada molécula se mueve en línea recta hasta que choca contra las paredes del

recipiente o con otra molécula. La velocidad y dirección del movimiento cambian a cada

choque, y las trayectorias moleculares forman zigzags irregulares. Las moléculas inciden

sobre las paredes del recipiente.

Tratándose de aire a 0 ºC y una presión de un bar, cada cm2 de pared recibe 3 x 1023

impactos por segundo. La presión del aire contra estas paredes es el efecto integrado de

todos estos impactos. El aire, o cualquier otro gas en estado similar, contiene 27 x 1018

moléculas por cm3. Su velocidad media es de 500 m/seg.

Si la presión se aumenta disminuyendo ligeramente el volumen del recipiente,

manteniéndose constante la temperatura mediante disipación del calor producido, el

numero de moléculas por volumen unitario aumenta y también lo hace el numero de

impactos por segundo. Si reducimos el volumen a la mitad o a una cuarta parte, la cantidad

de impactos se doblará o cuadruplicará respectivamente, lo cual marcará un aumento igual



11

en la presión. Por estar en continuo movimiento, las moléculas poseen energía cinética, la

cual aumenta con la temperatura.

El calor, en otras palabras, es la verdadera energía cinética de las moléculas.

Esto explica porque un gas enrarecido, con pocas moléculas por unidad de volumen,

puede, a elevada temperatura, causar la misma presión sobre un recipiente que un gas mas

denso a temperatura inferior. Dicho de otra forma, la presión pueden producirla muchos

impactos débiles o pocos impactos fuertes.

De lo anterior se deduce que si la presión se quiere mantener constante aumentando la

temperatura se debe aumentar el volumen del gas.

El volumen de un gas aumenta en proporción directa a la temperatura absoluta. La

temperatura absoluta se mide en Kelvin (K), utilizando como base el cero absoluto. La

temperatura correspondiente al cero absoluto es igual a –273,15 ºC, luego la temperatura

absoluta (T) se obtiene sumando 273,2 a la temperatura Celsius (t)

T = t + 273,2 K

Las condiciones de un gas se definen mediante 3 factores que son:

Presión absoluta = p

Volumen específico o densidad = v (ρ)

Temperatura absoluta = T

Cuando se conocen dos de estos factores, como mínimo, queda determinada la

condición del gas.

4.2. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA:

La cantidad de trabajo producido a absorbido por un sistema es igual a la cantidad

de calor introducido o cedido por dicho sistema.

4.3. SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA:

El calor no puede por si mismo pasar de un cuerpo a otro más caliente.



12

4.4. LEYES DE LOS GASES:

- Ley de Boyle: dice que, a temperatura constante, el volumen de un gas varía en

relación inversa a la presión

V2/V1 = p1/p2 o

P1 x V1 = P2 x V2 = cte.

- Ley de Charles: expresa que el volumen de un gas a presión constante, está en

relación directa con la temperatura absoluta.

V2/V1 = T2/ T1 o

V1/T1 = V2/T2 = cte

- Ley de Amonton: la presión de un gas a volumen constante, varía en relación

directa con la temperatura absoluta.

p2/p1 = T2/T1 o

p1/T1 = p2/T2 = cte.

- Ley general de los gases: en ingeniería, normalmente, conviene convertir el

volumen molar específico en unidades más usuales de volumen por unidad de masa. Esto

equivale a pasar unidades de masa en moles a unidades estándar de masa. Se define el mol

como el número convencional de unidades de masa de un mol es numéricamente igual a la

masa molecular del gas por lo tanto se obtiene.

p = V = m x R x t

Donde:

p = presión absoluta en Pa.

V = volumen en m3

m = masa del gas Kg.

R = constante del gas en J/(Kg x K)

T = temperatura absoluta en Kelvin.



13

4.5. COMPRESIBILIDAD: todos los gases sufren una desviación respecto a la ley

general de los gases y en algunos casos esta desviación es bastante considerable. La

desviación aumenta con la densidad del gas y con la proximidad al estado liquido. A veces

es necesario que estas desviaciones se tengan en cuenta en los cálculos de los

compresores. La compresibilidad se deriva experimentalmente de los datos sobre el

comportamiento real del gas para cambios en p – V – T

El factor de compresibilidad (Z), es un multiplicador en la formula básica. La ley

general queda entonces modificada así:

p x V = Z x R x T o Z = p x V/R x T

4.6. COMPRESIÓN DEL AIRE

4.6.1.COMPRESIÓN ISOBÁRICA: es un proceso que se desarrolla bajo presión

constante.

4.6.2.COMPRESIÓN ISOCÓRÍCA: este es un proceso que tiene lugar a volumen

constante.

4.6.3. COMPRESIÓN ISOTÉRMICAS: es el proceso que tiene lugar temperatura

constante.

5. TRABAJO TÉCNICO DE LA COMPRESIÓN

La figura 8, muestra un cilindro compresor con válvulas automáticas. El aire o gas es

aspirado del tubo “a”, se comprime y luego se descarga por el tubo “b”. La válvula de

aspiración abre cuando la presión en el espacio “c” es inferior a la de la tubería de

aspiración, y la válvula de descarga abre cuando la presión en el cilindro supera a la de la

tubería de descarga.



14

Fig. 8: proceso teórico de compresión (sin perdidas mecánicas ni espacios muertos)

En el diagrama pV se puede ver que cuando el pistón se mueve hacia la derecha., el

aire es aspirado a una presión v1 hasta que el pistón llega al extremo. Cuando hace el

movimiento de retorno, la válvula de aspiración cierra y el aire atrapado se comprime hasta

alcanzar la presión p2 de la tubería de descarga. La válvula de descarga abre y el aire se

envía a presión constante hasta que el pistón llega al extremo izquierdo.

Si suponemos primero que tenemos un vacío al lado derecho del pistón podemos

calcular las siguientes cantidades de trabajo:

∫ +=2

1

1122t Vx PVxp-dvxW p

6. FLUJO DE AIRE POR LAS TUBERÍAS (1)

Para comenzar y mantener el flujo de un gas en una tubería es necesaria una cierta

diferencia de presión, para vencer la resistencia por rozamiento de las paredes de la

tubería y acoplamientos, tales como válvulas, codos, curvas, tee, reductores, entre otros. La

(1) Extraído del Manual Atlas Copco, pag. 50.



15

cuantía de la de la caída de la presión depende del diámetro, de la longitud y la forma de

la tubería, además de la rugosidad superficial y del número de Reynolds. La perdida de

presión es una disminución de energía y ende un costo operacional. El diseño de las

tuberías debe equilibrar este costo con el de la misma tubería . Existen formulas que

permiten estimar la caída de presión.

La longitud de tubería se aumentará para compensar conexiones y acoplamiento (solo

para los cálculos). La longitudes añadidas para válvulas y acoplamientos normales pueden

observarse en la tabla 2. Por ejemplo, para una válvula de diafragma que tiene 2 pulgadas

de diámetro interior, deberá aumentarse 3 m la longitud de la cañería y sí la válvula tiene 4

pulgadas de diámetro, se aumentaría 6 m. Para una válvula esférica de 2 pulgada de

diámetro interior, la longitud se aumentará 15 m.

Para simplificar los cálculos puede utilizarse la figura 9.



16

Tabla 2

Longitud de tubería equivalente en m

Diámetro interior de tubería en mm25 40 50 80 100 125 150 200 250 300 400

Válvulade entrada

Totalmente abierta semicerrada

0.35

0.58

0.610

1.01.6

1.320

1.625

1.930

2.640

3.250

3.960

5.280

Válvula de diafragma

Totalmente abierta

1.5 2.5 3.0 4.5 6 8 10 - - - -

Válvulaacodada

Totalmente abierta

4 6 7 12 15 18 22 30 36 - -

Válvulaesférica

Totalmente abierta

7.5 12 15 24 30 38 45 60 - - -

Válvulaantiretornopivotante

Totalmente abierta

2.0 3.2 4.0 6.4 8.0 10 12 16 20 24 32

Codocurvado

R = 2c

0.3 0.5 0.6 1.0 1.2 1.5 1.8 2.4 3.0 3.6 4.8

Codocurvado

R = d

0.4 0.6 0.8 1.3 1.6 2.0 2.4 3.2 4.0 4.8 6.4

Angulo 90 1.5 2.4 3.0 4.8 6.0 7.5 9 12 15 18 24

te. lado recto 0.5 0.8 1.0 1.6 2.0 2.5 3 4 5 6 8

te. salida angular 1.5 2.4 3.0 4.8 6.0 7.5 9 12 15 18 24

reductor 0.5 0.7 1.0 2.0 2.5 3.1 3.5 4.8 6.0 7.2 9.6



17

Fig. 9: diagrama de caída de presión



18

7. CAMPOS Y OBJETIVOS DEL AIRE COMPRIMIDO (2)

Los equipos de compresión de aire son usados ampliamente en muchas minas

subterráneas metálicas y no metálicas así como en las minas de carbón. La producción de

aire comprimido es cara debido al alto costo de la energía, de los equipos y de los

accesorios.

Si la cantidad y la presión del aire no están de acuerdo a las necesidades, se origina

decrecimiento en la eficiencia de las operaciones que reducen la productividad. De hecho

la perdida de producción origina un alto costo de un inadecuado sistema de aire

comprimido. Entonces es necesario un optimo sistema de diseño para obtener el aire

requerido a bajo costo.

7.1. CONDICIONES DE DISEÑO: tomando como ejemplo una pequeña mina, el

diseño requiere una serie de etapas para una correcta operación:

- Determinar los requerimientos de la maquinaria (compresores)

- Calcular la cantidad de aire para cada ramal y el total de los ramales.

- Ajustar los caudales y presiones de acuerdo a la altitud y a las pérdidas de carga.

- Seleccionar correctamente los tamaños y las líneas de las cañerías.

- Colocar válvulas y accesorios apropiados.

- Calcular los equivalentes en longitud para cada rama.

- Calcular la correspondiente caída de la presión.

- Determinar el caudal de aire del compresor, la presión de descarga y los HP

necesarios.

- Determinar los diámetros óptimos.

- Calcular el volumen total del aire requerido.

- Estimar los costos.

(2) SME Marks, capitulo 12-5, pag. 1215



19

El programa de computación COMPAIR (Gent, 1986) fue usado para el desarrollo

de los ejemplos numéricos de acuerdo a las condiciones de diseño de las figuras 10 y 11.

Ver Tabla 3.

Los requerimientos del aire comprimido para los diferentes equipos deben ser

obtenidos de los catálogos de los fabricantes los cuales serán seleccionados de acuerdo a su

óptimo requerimiento con respecto a la potencia consumida

Las cantidades se expresan normalmente como el volumen de aire libre que fluye a

determinada velocidad y presión específica. Muchos fabricantes definen el volumen de aire

libre estándar como l pie3 de aire a 60 grados Fahrenheit = 14,7 psi y 0 % de humedad

relativa

1pie3 = 0,002832m3

60 ºF = 16,6 ºC

14,7 psi = l0l,4 KPa

También es necesario al decidir la compra de un equipo el precio y la repercusión

en el costo por metro lineal de material perforado. Si el caudal de aire es insuficiente se

deberá a la disminución de aire en la velocidad de penetración.



20

Fig. 10: ejemplo de esquema de mina

Fig. 1 1: esquema de la red



21

Tabla 3: longitudes de cañería de rama y diámetros iniciales

Branch

No. Name

Diameter

(in.)

Length

(ft)

1 Miami Tunnel 6 750

2 AL 3 400

3 AJ 2 60

4 ALS 2 310


6 B 2 165


8 BRight 2 175

9 BRR 2 120, 60vert.

10 BRight 2 180

11 BR1 2 170

12 BR2 2 190


14 CRight 2 120

15 CR 2 205

16 CRS 2 300

17 Bleft 2 100

18 Shop 2 120

19 Bleft 2 33

20 BL1 2 210

21 BL2 2 240

22 Cleft 3 310

23 CL1 2 180

24 Cleft 3 150

25 CL2 2 130

26 G 2 250



22

8. CLASES DE COMPRESORES

Existen dos grupos de compresores:

- Compresores dinámicos: en los cuales el aumento de presión se consigue mediante

la aceleración del aire con un elemento de rotación o impulsores y la unión posterior a un

difusor.

- Compresores de desplazamiento o de pistón: son los que se usan en equipos de

perforación. La elevación de la presión se consigue confinando el gas en un espacio cerrado

cuyo volumen se reduce con el movimiento de uno o varios elementos. Ver figura 4.

Estos equipos son lo mas antiguos y conocidos ya que se han sido empleados en las

minas subterráneas para el suministro de aire comprimido a través de redes de distribución

instaladas dentro de las minas. Su aplicación ha descendido notablemente, como

consecuencia del uso masivo de otras fuentes de energía mas eficientes como son las de

electricidad y la hidráulica.

8.1. OTROS TIPOS DE COMPRESORES :

- Compresores centrífugos de cinco etapas: son similares a las bombas de agua de

distinto número de rotores a 1os cuales nos hemos referido en ventilación de minas. Lo

mismo podemos decir de los soplantes de dos impulsores rotativos maquinas normalmente

llamadas soplantes Roots, no hay compresión interna, la compresión se produce por

contraflujo de las descargas cada vez que un rotor deja abierta la compuerta de

descarga. Estos soplantes también se utilizan como bombas de vacío.

Fig. 12: compresor portátil



23

- Compresores de tornillos: En estas máquinas, la presión de aire se consigue por

la interacción de dos rotores helicoidales que engranan entre si, uno ancho de cuatro

lóbulos y otro hembras de seis canales. El principio de funcionamiento se puede ver en la

figura 13.

Fig. 13: principio de funcionamiento de un compresor de tornillo

El aire penetra en el hueco formado por los dos rotores y la carcaza. A medidas que

los rotores giran el aire queda encerrado y comienza a disminuir el volumen donde se aloja.

Se le inyecta aceite para sellar la cámara de compresión y disminuir su temperatura,

paulatinamente. El hueco ocupado por el aire y el aceite se desplaza disminuyendo su

volumen, hasta que se descarga en el recipiente separador de aceite.

Esta separación se lleva a cabo primero por gravedad en el interior de un calderín y

después con filtro de lana de vidrio, a continuación el aceite se enfría y se filtra antes de

volverlo a recircular. En 1a figura 17, se indican los circuitos de refrigeración de un

compresor portátil y su motor, los accesorios se muestran el figura 16 y 18.

En compresores de tornillo de alta presión el numero de etapas suele ser de dos, como

se aprecia en la figura 14.



24

Fig. 14: (a) sistema estándar – (b) tornillo de dos etapas

El aceite inyectado tiene tres misiones principales:

- Cerrar la Holguras internas

- Enfriar el aire durante la compresión

- Lubricar los motores.

Las ventajas de un compresor a tornillo son las siguientes:

- Ocupan un volumen reducido por lo que son ideales para instalar a bordo

de las perforadoras.

- El montaje es económico.

- Ausencia de choques y vibraciones importantes

- Reducido mantenimiento.

- Baja temperatura de funcionamiento.

- Alta eficiencia.

El compresor de tornillo rotatorio Cyclon 475 SR, revoluciona la tecnología de

aire comprimido ahorrando un 25 % de energía. La clave de la eficiencia es su capacidad

de consumir la energía requerida para comprimir una cierta cantidad de aire – y no mas-

permitiendo que un compresor de 75 Kw opere a presiones desde 5 hasta 13 bar con

caudales de 1,8 a 12,2 m3/min. Este grado de flexibilidad y rango de operación se debe a la

utilización de motores de corriente alterna sin carbones ni escobillas, controlado

(a) (b)



25

digitalmente a través de interruptores de reluctancia y variador de frecuencia, esto permite

que el motor y los elementos de compresión sean acelerados y desacelerados para satisfacer

una demanda dada de aire sin desperdiciar energía, determinándose cuando detener el

motor, el accionamiento con regulación de velocidad simplemente gira mas rápido o mas

lento para satisfacer un nivel requerido de aire.

9. COMPRESORES DE PALETAS

Tiene un solo rotor, que monta paletas radiales flotante y cuyo eje es excéntrico con

el de la carga cilíndrica. Al girar las paletas se desplazan contra el estator por efecto de

la fuerza centrífuga. La aspiración del aire se realiza por un orificio de la carcaza

quedando retenido entre cada dos paletas. Al girar el rotor el volumen va disminuyendo y

aumentando la presión de aire hasta llegar a la hembra de descarga, como se ve en la figura

15.

Fig. 15: compresor de paletas

10. ACCIONAMIENTO DE LOS COMPRESORES

Los compresores son accionados generalmente por motores eléctricos, mientras

que los compresores portátiles se accionan mediante motores diesel que van montados

sobre el carro.



26

Para compensar la caída de presión se debe tener un margen de potencia del 10 % al

15%. Los acoplamientos entre el motor y el compresor se realizan por manchones tipo

tecnoperifles y correas trapezoidales, a través de trenes de engranajes

11. ELEMENTOS AUXILIARES USADOS EN LAS INSTALACIONES DE AIRE

COMPRIMIDO

11.1. FILTRO DE ASPIRACIÓN: son indispensables por que evitan el desgaste

prematuro de las partes móviles de los compresores, evitando las posteriores averías Es

necesario filtrar el aire de su admisión

Los filtros deben cumplir los siguientes requerimientos

- Eficacia de la separación

- Capacidad de acumulación.

- Baja resistencia al paso del aire

- Construcción robusta.

- Mantenimiento sencillo

11.2. SEPARADOR DE AGUA: este elemento, utiliza el efecto de la fuerza centrífuga

que adquiere el flujo de aire en su movimiento de giro, para que las partículas de agua

choquen contra las paredes del colector produciéndose así el secado del aire efectúa la

evacuación por la parte central como se ve en la figura 16.



27

Fig. 16 : Separador de humedad (Atlas Copco)

Fig. 17: Sistema de distribuci6n de aire comprimido.



28

El separador de agua debe colocarse lo mas lejos posible del compresor al mismo

tiempo que se mantiene la temperatura del aire por encima de cero.

11.3. DEPOSITO DE AIRE: en las instalaciones de aire comprimido se dispone de

depósitos reguladores o depósitos de tanques, cuyas dimensiones dependen de:

1- La capacidad del compresor

2- El sistema de regulación

3- La presión del trabajo

4- Las variaciones estimadas en el consumo de aire

Las funciones de estos depósitos son:

1- Almacenar el aire comprimido para atender las demandas puntuales que exceda de

la capacidad del compresor ( pulmón)

2- Incrementar la refrigeración y recoger los residuos de agua y aceite.

3- Igualar la variación de presión en la red.

4- Evitar ciclos rápidos de cargas y descargas del compresor

11.4. ENGRASADORES: Para realizar la lubricación de las perforadoras es preciso

añadir aceite al aire comprimido, lo cual puede realizarse en la propia maquina o en la línea

de aire.

El principio de trabajo de este tipo de aditamento consiste en hacer pasar el aire a

través de un estrangulamiento que dispone de una válvula regulable. La presión del aire de

entrada se conecta al tanque de aceite de forma que cuando el aire pase por una sección

mas estrecha su velocidad aumente y se produzca una caída de presión que hace que entre

el aceite hacia la corriente de aire atomizándose



29

Fig. 18: Sección de un engrasador

Fig. 19: Acoplamiento de garras moderno y boquillas giratorias de conexión

Se puede usar un aceite mineral o un aceite sintético. El aceite sintético reporta

algunos beneficios adicionales, esta basado en glicol. lo que hace que la maquina sea menos

sensible al agua que lleva el aceite. Este aceite sintético es también biodegradable, al

contrario del aceite mineral.



30

El aceite sintético es mas caro pero la diferencia del costo total es todavía

insignificante ya que su consumo es mucho menor. Tampoco es necesario la separación del

agua al usar aceite sintético.

11.5. ELEVADORES DE PRESIÓN: cuando se utilizan perforadoras con martillo en el

fondo de las minas subterráneas, pude ser necesario elevar la presión de aire hasta 1,7

milipascal, que es igual o similar a 17 Kg/cm2, equivalente a 17 atmósferas, si este es

suministrado a media presión ( 0,7 milipascal) a través de instalaciones fijas o cuando la

perdidas de cargas han sido elevadas igual a 7 Kg/cm2.

El incremento de la presión se consigue con los denominados booster. Este aparato

es un compresor que aspira aire o gas comprimido y lo descarga a una presión mas alta.

Las aplicaciones de los compresores elevadores son numerosas y especialmente en los

campos de petróleo, gas y un cierto tipo de minas. Se utilizan con frecuencia en

conducciones largas para compensar la caída de presión.

12. MANGUERAS FLEXIBLES

Las mangueras de goma disponen de refuerzos textiles colocados diagonalmente,

estos las hacen flexibles y muy resistentes.

Generalmente la presión máxima de trabajo es de 1 milipascal, con temperatura

admisible desde 40 ºC hasta mas de 100 ºC. Cada fabricante indica las dimensiones

estándar de la manguera de goma que mas utilizad, indicando su diámetro interior, su

diámetro exterior y su peso, así como la presión máxima de trabajo en milipascales,

libra/pulgadas2 o Kg/cm2.

Existen también mangueras de peso reducido, una tercera parte de las mangueras

convencionales se fabrican con una capa interior de fibra sintética, embutida en caucho,

resistente al aceite y al ozono.

Se comercializan en bobinas, esta facilitan su manipulación y minimizan el espacio

de almacenamiento. Para usos especiales en circuitos de mayor presión, se reemplazan las

fibras sintéticas por mallas metálicas.



31

Los acoplamientos de la manguera, defectuosos, no solo quitan potencia sino que

generan riesgos.

Los acoplamientos de garras de buena calidad son forjados, mecanizados, templados

y cromados. Los métodos de fabricación permiten usar paredes delgadas y de esta manera

se puede disponer de un orificio mas grande para un diámetro de manguera dado. El

orificio es mecanizado para obtener un centrado perfecto y una superficie lisa. El cierre

tiene un asiento mecanizado donde se encaje perfectamente y no perturba el flujo de aire.

Al usar acoplamientos de goma con una boquilla giratoria la resistencia a la tensión

de la manguera no causara molestia cuando se hace la conexión.

Para las conexiones se emplean todo un conjunto de elementos desde acoplamientos

de goma, acoplamientos roscados, conectores tipo VICTAULIC.

En materia de aire comprimido se han incorporado nueva tecnología para una

mejor eficiencia, ahorro de combustible y menor nivel de emisiones de gases

contaminados.

13. CONCEPTOS ACTUALIZADOS SOBRE AIRE COMPRIMIDO

En estos momentos son los compresores a tornillo los que han desplazado el sistema

clásico de pistones. Razones hay muchas: mayor eficiencia, flujo constante en la entrega

del aire, menor consumo de energía y la posibilidad de regular la salida del aire cerrando la

admisión del mismo.

El compresor de tornillo comprime solo cuando se lo desea o requiere. Es decir, se

puede cerrar la admisión del aire y sigue girando pero sin comprimir con lo que el motor

baja a una potencia mínima y por ende su consumo también es bajo.

Dentro de los compresores portátiles INGERSOLL-RAND tiene maquinas desde

los 100 pie3/min hasta los 1600 pie3/min. En los rangos de presión que van desde las 100

libras/plg2 hasta las 350 libras/plg2.

7 kg/cm2 = 100 libras/plg2

Para la minería los mas usados están en el rango de 600 pie3/min = l6,8 m3/min hasta

los 900 pie3/min (24 m3/min) usados en el apoyo de labores de perforación Se recalca que

todavía trabajan en muchos asientos mineros con equipos neumáticos en sus perforaciones,



32

pero en los países desarrollados estos equipos ya están fuera de uso porque han sido

reemplazados por equipos hidráulicos donde el compresor se usa solo para el barrido en

la perforación y viene incorporado en el equipo. Para lo único que se sigue usando el

compresor es para la perforación con martillo de fondo y para la minería subterránea.

Dentro de este equipo de maquinas se han Introducido mejoras en el panel de

instrumentos y en el control de la maquina, tiene sistema de protección que los hacen parar

automáticamente por la alta temperatura de descarga del aire, por la baja presión de

aceite en el motor y por la alta temperatura del refrigerante, otra novedad es la

disminución del nivel del ruido, según la norma EPA no se admite que a 7 metros de

distancia se tengan mas de 76 decibeles. O sea ni siquiera se necesitan protección de

oídos, lo mismo podríamos decir de los compresores portátiles marca COMP-AIR Y

HOLLMAN. Estas maquinas necesitan menos potencia para la misma cantidad de aire.

Una innovación importante en el diseño de los tornillos es que se trata de tornillos

asimétricos de distintas dimensiones. Es decir mientras el rotor hembra tiene 5 lóbulos, el

macho solo tiene 4. Con esto se logra reducir el tamaño del espacio que quedaba entre la

carga y los rotores en un 90% disminuyendo la capacidad de perdida. En los equipos de dos

etapas existen compresores entre los 100 y 600 HP de potencia, con capacidades de 515 a

3100 pie3/min = 86,8 m3/min y presiones de trabajo de 100 a 175 lb/pulg2. No solo ofrecen

una gran confiabilidad en el mecanismo de los tornillos, sino que también proveen un

desempeño inalcanzable para los tradicionales compresores de pistón o reciproco y los de

paletas.

Estos compresores de tornillos para aire, exento de aceite, pueden seleccionarse con

capacidades entre 250 lts/seg, (500 pie3/min) a 700 lts/seg (1500 pie3/min), con presiones

desde 100 hasta 150 psi (lb/plg2).

Atlas-Copco fabrica secadores de absorción MD y refrigeradores, FD, también

tienen a la venta una innovación significativa en la línea de aire industrial, este tipo de

compresores tiene un motor de velocidad variable lo que permite un importante ahorro

energético, al variar la frecuencia eléctrica del motor también varia la velocidad y por lo

tanto la cantidad de aire que entrega el compresor. Es decir el convertidor regula un motor

de inducción de frecuencia y voltaje variables, que funciona exactamente a la velocidad



33

que necesita el compresor, estos aditamentos eliminan la necesidad de un tren de

engranaje.

Es decir, este sistema de acondicionamiento de velocidad variable mide de forma

precisa la presión y consecuentemente monitorea el convertidor de frecuencia y la

velocidad de funcionamiento del compresor, es así como se mantiene constante la

presión de funcionamiento o suministro dentro de una banda estrecha de presiones

adaptando así la capacidad del compresor a la demanda de aire comprimido. Puesto que el

sistema controla continuamente la velocidad no hay necesidad de estrangulación en la

aspiración de aire ni de un sistema de regulación, traduciéndose este en ahorro potencial de

energía.

Referente a las tuberías de aire comprimido (Ingersol-Rand) ha dado un nuevo

horizonte tecnológico en tuberías de aire de alto rendimiento, es una tubería de aluminio

anodizado en la cual no se produce corrosión, sabemos que los contaminantes son el

enemigo número uno en los sistemas de aire comprimido, extraer contaminantes tales

como la humedad, el aceite, los gases, las bacterias y las partículas sólidas del aire en el

sistema es de suma importancia para evitar altos costos de mantenimiento, perdidas de

tiempo de producción y daños de instrumentos así como daños en las maquinarias de aire.

Como se ha dicho existen filtros y aparatos de secado para evitar los contaminantes. Pero

en la tubería convencional se produce oxidación y corrosión. En la actualidad se evitan

estos fenómenos con la mencionada cañería de aluminio anodizado que aparte de ser

liviana son modulares y gracias a esta característica es fácil de instalar, simple de extender

o modificar evitando soldaduras, refuerzos y complejos sistemas de soportes de tuberías de

acero. Grandes empresas mineras de nivel mundial lo están utilizando y resisten presiones

de trabajos de 200 psi.(pound Square Inch = Libra/Pulgada2)



34

14. INSTALACIONES DE AIRE COMPRIMIDO

Se hablado sobre las precauciones para este tipo de instalaciones que deben hacerse

en lugares frescos, aireados y protegidos de humo y polvos así como la instalación de un

filtro de aspiración que tendrá medio metro cuadrado por metro cúbico de aire aspirado

por minuto para la conducción de aire, también hemos hablado sobre depósitos de reserva

que tendrá las dimensiones de acuerdo con la producción del equipo. Las velocidades del

aire deben ser de 3 a 4 m/seg y no mayores de 6 m/seg

Los consumos de aceite pueden estimarse en 0,125 gramos por cada CV/h en

compresores de 20 a 40 CV y aumentándose a 0,25 gramos para potencias de 150 a 200 CV

o mas, lo mismo hemos dicho de las tubería pero recalcamos que para presiones menores

de 7 atm. se puede usar tubos de fundición pero el inconveniente es el peso el cual llega a

ser 3 o 4 veces el del acero para un diámetro igual. Se usan los tubos Manesman sin

soldaduras tipo estirado en las instalaciones corrientes o normales y las juntas son de tipo

elásticas constituidas por dos anillos metálicos que se unen con tornillos y se comprimen

contra la tubería a un anillo de caucho que asegura el cierre.

Algunos martillos de mano tipo INGER-SOLL-RAND 130 pesan 16 Kg tienen una

longitud 486 mm un diámetro del cilindro de 60,3 mm , una carrera de pistón de 54 mm y

un consumo de aire de l,78 m3/min, trabajan en seco, el tipo 140 pesan 24 Kg, longitud

568 mm diámetro del cilindro 63,5 mm, carrera del pistón 66i mm y consumo de aire

2,4 m3/min. Los martillos Joy Sullivan tipo L 37 pesan 17,6 kg longitud 458 mm;

diámetro igual a 63,5 mm, carrera igual a 57,1 mm, consumo 1,57 m3/min , trabajan en

seco y con inyección de agua.

Características de los martillos Ingersol-Rand , tipo TV 35:

Peso ------------------------------------ 76 Kg

Longitud -------------------------------- 1473 mm

Carrera--------------------------------- 85 mm

Diámetro------------------------------- 89 mm

Consumo ------------------------------- 5,25 m3/min



35

15. CALCULO DE UNA TUBERÍA DE AIRE COMPRIMIDO

Con el diagrama del ingeniero ZACCAGNINI, ver figura 20, se puede calcular el

caudal, la potencia del motor y el diámetro de la cañería (3). Por ejemplo: con un compresor

que aspira 10 m3/min., se debe enviar el aire comprimido a un punto de bifurcación di-

stante 500 m; desde este punto prosigue un ramal de 900 m y otro de 450 m. Los consumos

respectivos son de 2 y 6 m3 /min.

Usando el diagrama se puede calcular:

- El diámetro a adoptar en la conducción del aire para la instalación.

- La perdida de carga para cada tramo y por consiguiente la presión que

habrá en los puntos de consumos.

La presión del aire de partida es de 7 atm.

En el diagrama se observa que la curva correspondiente a 10 m3/min. da para una

longitud de 500 m un diámetro de 3". A esta distancia la perdida de carga es de 270 gr/cm2

(0,27 atm), tal que la presión se reduce de 7 a 6,730 atm o 6,73 Kg/cm2

En la curva para un consumo de 2 m3/min y para una distancia de 900 m y un

diámetro de 1,3/4, la perdida de carga es de 420 gr/cm2. Por lo tanto a la llegada del punto

de consumo la presión de aire será: 6,73 – 0,42 = 6,31 atm. Análogamente tomando la

curva de 6 m3/min se encuentra para 400 m de distancia el diámetro de 2 ¾”

correspondiente a una perdida de carga de 250 gr/cm2, luego se tendrá una perdida de

presión final de 6,73 - 0,25 = 6,48 atm. Inversamente, dada una tubería de diámetro y

longitud se puede establecer el caudal y la perdida de carga. La longitud “L” de la tubería

es la que corresponde a una perdida de carga total en la que se tiene en cuenta las perdidas

debido a las distintos tipos de válvulas , curvas, piezas en “tee”, reducciones etc.

(3) Manual del ingeniero Colombo



36

Fig. 20: Perdida de presión en G



37

16. PROBLEMA DE AIRE COMPRIMIDO

Determinación de caballos de fuerza de un compresor al freno:

El cálculo de los caballos de fuerza de un compresor es simple, si se asume que el

ciclo de un compresor es un proceso adiabático, en realidad el ciclo no es adiabático ni

isotérmico pero se encuentra en algunas partes entre los dos. Si se desea calcular los

caballos de fuerza para un solo compresor de una fase y el proceso se asume adiabático se

aplica la siguiente relación.

i hp/100 acfm = 1,542 Ps (r0,283 – 1) [1]

Para calcular los caballos de fuerza para un compresor de dos fases, se usa una

formula ligeramente diferente:

i hp/100 acfm = 3,084 Ps (r0,1415 – 1) [2]

las ecuaciones [1] y [2] determinadas, indican caballos de fuerza, pero no los caballos

de fuerza al freno.

Para obtener los caballos de fuerza al freno, de lo indicado, se debe dividir los

caballos de fuerza por la eficacia apropiada que normalmente esta alrededor del 85 %.

1) La mina dada en este problema, dispone de un compresor de pistón de dos fases

con una eficacia mecánica del 87 %. Determinar los caballos de fuerza normales y los

caballos de fuerza al freno para dicho compresor.



38

CÁLCULOS

a) para el análisis de CAGH, la compresión normal inicial (ihp) y los caballos de

fuerza al freno (bhp) son los siguientes:

r = (105,6 + 10,4)/10,4 = 11,154

ihp = [(3137) x (1,41)/100] x (3,084) x (10,4) x (11,1540,1415 –1) = 577

bhp = 577/0,87 = 663,2 o aproximadamente 675 (503,3 kW)

b) Para el análisis volumétrico:

r = (123 + 10,4)/10,4 = 12,827

ihp = (4423/100) x (3,084) x (10,4) x (12,8270,1415 –1) = 616,9

bhp = 616,9/0,87 = 709 o aproximadamente 725 (540,6 kW)

c) Para el análisis del flujo de masa:

r = (125 + 10,4)/10,4 = 13,019

ihp = (4423/100) x (3,084) x (10,4) x (13,0190,1415 – 1) = 621,1

bhp = 621,1/0,87 = 713,9 o aproximadamente 625 (540,6 kW)

La proporción de flujo de masa de 3,98 lbm/seg fue convertida a scfm para mejorar el

cálculo anterior.

Los caballos de fuerza requeridos aumentan a medida que aumenta la presión.

Cuando se calculan los caballos de fuerza usando el método de CAGH resulta, que el flujo

se corrigió para la altitud desde que la compresión afecta los caballos de fuerza, y por

consiguiente todos los cálculos deben hacerse a las condiciones reales. Los otros métodos

ya consideraron la altitud.

Al seleccionar compresor/es, debe tenerse en cuenta el número de compresores que se

compran. Puede seleccionarse un compresor grande o compresores mas pequeños múltiples

con tal de que los requisitos de capacidad estén satisfechos. Los arreglos para compresores

múltiples son mas caros tanto en costos iniciales de capital como en costos de



39

mantenimiento, sin embargo, ellos son seguros contra el cierre completo, y su compra

puede extenderse con el tiempo a medida que la mina se extienda.

Determinar el volumen del receptor es el próximo pasa en el plan. Las

recomendaciones típicas para el tamaño del receptor son 10 a 20 % de la capacidad del

compresor, o alternativamente se pueden usar tablas proporcionadas por los fabricantes.

Para la mina del ejemplo, por la regla anterior se requiere una capacidad del receptor entre

400 y 800 ft3 (11,3 y 22,7 m3). Un receptor de 400 ft3 (11,3 m3) se seleccionará como

capacidad adicional y proporcionado por la red. De hecho, con redes grandes donde las

proporciones de flujo son muy altas, la capacidad de la superficie del receptor es

generalmente despreciable.

Los receptores pueden ser útiles para proporcionar demandas de corta duración que

exceden la capacidad del compresor, por ejemplo, si se activan numerosos equipos de aire

al inicio de un cambio. En este caso, debe usarse otro método para estimar la capacidad del

receptor (Rollins, 1973):

Vr = T x C x Pe/(Pri – Prf)

Compilado por Amor a la minería

2014

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4 Aire Comprimido en minería- Ing. Marquina