TEMA 5. AIRE COMPRIMIDO

Tema 5. Aire comprimido TEMA 5. AIRE COMPRIMIDO 1. Aire comprimido 2. Compresores 2.1. Tipos de compresores 2.2. Selección n de un compresor 2.3. Rendimiento de un compresor 2.4. Regulación n de un compresor 2.5. Refrigeración n de un compresor 2.6. Acumulador de aire comprimido 2.7. Secadores 2.8. Filtros 2 Tema 5. Aire comprimido 3. Máquinas accionadas por aire comprimido (y equipos hidráulicos) 3.1. Martillo rompedor 3.2. Martillo perforador 3.3. Martillo de fondo 3.4. Soportes para martillos 3.5. Vagón drill o perforadoras 3.6. Carros perforadores o Jumbos Aire comprimido El aire comprimido es el aire cuya presión n es mayor que la atmosférica. Las características más m s importantes son: El escape de aire no es tóxico t ni explosivo. No presenta riesgo de chispas. No implica riesgos graves ni peligro de accidentes. Los circuitos de aire no están n expuestos al golpe de ariete. Los costos no son mucho mayores que para otros sistemas de energía. 3 4

Aire comprimido Las principales aplicaciones del aire comprimido en las obras públicas son: Canteras y voladuras. Compactación n y vibrado de hormigón. Plantas de machaqueo. Hinca de pilotes. Aire comprimido Trabajo realizado para pasar de (V 1, P 1 ) a (V 2, P 2 ) Compresión n isotérmica W Compresión n adiabática 2 = P1 V1 ln P P 1 W n = P V n 1 n 1 n 2 1 1 P 1 P1 5 6 Aire comprimido Trabajo realizado para pasar de (V 1, P 1 ) a (V 3, P 3 ) Compresión n adiabática bifásica Aire comprimido Trabajo realizado para pasar de (V 1, P 1 ) a (V 4, P 4 ) Compresión n adiabática trifásica W n = P V + n 1 P P n 1 n 1 n n 2 3 1 1 P P 2 1 2 W n 1 n 1 n 1 2 3 4 n n P n P n P = P1 V1 3 + + n 1 P1 P2 P 3 siendo P = PP 2 1 3 P = P P 3 2 siendo 2 1 4 y P = P P 3 2 3 1 4 7 8

Compresores Los compresores son las máquinas m que generan aire comprimido. Aspiran aire a presión n atmosférica y lo comprimen hasta conferirle una presión n mayor, para vencer la resistencia del aire a comprimirse disponen de un motor. En instalaciones fijas, los mecanismos neumáticos se alimentan desde una estación n central, a través s de tuberías. Por lo tanto, no es necesario calcular ni proyectar la transformación n de la energía a para cada uno de los consumidores. Compresores Los compresores móviles m se utilizan en máquinas m que se desplazan frecuentemente. 9 10 Tipos de compresores Tipos de compresores Se distinguen dos tipos básicos b de funcionamiento de los compresores: El primero trabaja según n el principio de desplazamiento.. La compresión n se obtiene por la admisión n del aire en un recinto hermético, donde se reduce luego el volumen. Se utiliza en los compresores de émbolo (oscilante o rotativo). El otro trabaja según n el principio de la dinámica de los fluidos.. El aire es aspirado por un lado y comprimido como consecuencia de la aceleración n de la masa (turbina). 11 Los compresores se clasifican en: De desplazamiento Alternativos o de émbolo oscilante Compresor de pistón Compresor de membrana Rotativos o de émbolo rotativo Compresor de paletas Compresor de tornillos Dinámicos o turbocompresores Compresor axial Compresor radial 12

Compresores alternativos. Compresor de pistón Este es el tipo de compresor más m s difundido actualmente. Es apropiado para comprimir a baja, media o alta presión. Es muy robusto. Compresores alternativos. Compresor de pistón Para obtener el aire a presiones elevadas, es necesario disponer varias etapas compresoras. El aire aspirado se somete a una compresión n previa por el primer émbolo, seguidamente se refrigera, para luego ser comprimido por el siguiente émbolo. El volumen de la segunda cámara c de compresión n es más m s pequeño que el de la primera. 13 14 Compresores alternativos. Compresor de pistón El número n de etapas en función n de la presión n es: Presión Hasta 400 kpa De 400 a 1500 kpa Más s de 1500 kpa Nº de etapas 1 2 3 Compresores alternativos. Compresor de membrana Una membrana separa el émbolo de la cámara c de trabajo; el aire no entra en contacto con las piezas móviles. m Por tanto, en todo caso, el aire comprimido estará exento de aceite. Su principal inconveniente es su pequeño o caudal. Su principal uso es la industria química y farmacéutica. 15 16

Compresores rotativos. Compresor de paletas Compresores rotativos. Compresor de paletas Un rotor excéntrico gira en el interior de un cárter c cilíndrico provisto de ranuras de entrada y de salida. El rotor está provisto de un cierto número n de aletas que se deslizan en el interior de las ranuras y forman las células c con la pared del cárter. c Cuando el rotor gira, las aletas son oprimidas por la fuerza centrífuga contra la pared del cárter. c Debido a la excentricidad el volumen de las células c varía constantemente. 17 18 Compresores rotativos. Compresor de paletas Las ventajas de este compresor son: Sus dimensiones reducidas. Su funcionamiento silencioso. Su caudal prácticamente uniforme y sin sacudidas. Sus principales inconvenientes son: Las presiones de salida no son altas, inferiores a 6 Kp/cm 2. El rendimiento energético es inferior a los de pistón. Compresores rotativos. Compresor de tornillo Está formado por dos rotores con un estriado helicoidal que engranan entre sí. s Uno de los rotores, el macho tiene cuatro lóbulos l y el otro, el hembra, tiene seis contralóbulos bulos. Cuando el rotor macho no encaja con el hembra, el aire ocupa todo el espacio entre el rotor y la carcasa. Como el rotor macho gira, llega un momento en el que se cierra el hueco de entrada. Entonces, el aire se comprime al quedar atrapado en la acanaladura del rotor hembra. 19 20

Compresores rotativos. Compresor de tornillo Sus principales ventajas son que es silencioso y que el aire está limpio, y su principal inconveniente es su precio. Turbocompresores Trabajan según n el principio de la dinámica de los fluidos. Son apropiados para grandes caudales. El aire se pone en circulación n por medio de una o varias ruedas de turbina. La energía a cinética se convierte en una energía a elástica de compresión. Se fabrican de tipo axial y radial. 21 22 Turbocompresores Axial La rotación n de los alabes acelera el aire en sentido axial de flujo. Selección n de un compresor Las dos características básicas b de un compresor son: El caudal La presión. Radial Aceleración n progresiva de cámara c a cámara en sentido radial hacia afuera; el aire en circulación n regresa de nuevo al eje. Desde aquí se vuelve a acelerar hacia afuera. 23 El caudal es el volumen de aire por unidad de tiempo que suministra el compresor. Existen dos conceptos. Caudal teórico Caudal efectivo o real. En el compresor de émbolo oscilante, el caudal teórico es igual al producto de cilindrada por la velocidad de rotación. El caudal efectivo depende del compresor y de la presión. Es el que acciona y regula los equipos neumáticos.

Selección n de un compresor También n se tienen dos presiones: La presión n de servicio La presión n de trabajo. La presión n de servicio es la suministrada por el compresor o acumulador, y es la que existe en las tuberías que alimentan a los consumidores. La presión n de trabajo es la necesaria en el puesto de trabajo considerado. En la mayoría a de los casos, es de 600 kpa (6 bar). Por eso, los datos de servicio de los elementos se refieren a esta presión. 25 Rendimiento de un compresor Se distinguen distintos tipos de rendimiento: Rendimiento volumétrico trico: : cociente entre desplazamiento (caudal teórico de entrada) y capacidad (caudal que se descarga considerando el gas en estado libre). Rendimiento de compresión: : relación n entre el trabajo que se consumiría a en el ciclo isotérmico y el trabajo absorbido real. Rendimiento mecánico nico: : relación n entre la potencia real y la potencia en el motor. Rendimiento total: : producto del rendimiento de compresión por el rendimiento mecánico. Expresa la relación n entre la energía a teórica en el proceso isotérmico y la energía absorbida realmente. 26 Regulación n de un compresor Tiene por objeto adaptar el caudal suministrado por el compresor al consumo que fluctúa. El caudal varía a entre dos valores límites l (presiones máxima m y mínima). m Existen diferentes clases de regulaciones: Regulación n de marcha en vacío: Regulación n por escape a la atmósfera Regulación n por aislamiento de la aspiración Regulación n por apertura de la aspiración Regulación n de carga parcial Regulación n de la velocidad de rotación Regulación n del caudal aspirado Regulación n por intermitencias 27 Regulación n de un compresor Regulación n por escape a la atmósfera En esta simple regulación n se trabaja con una válvula v reguladora de presión n a la salida del compresor. Cuando en el depósito (red) se ha alcanzado la presión n deseada, dicha válvula abre el paso y permite que el aire escape a la atmósfera. Una válvula v antirretorno impide que el depósito se vacíe e (sólo en instalaciones muy pequeñas). Regulación n por aislamiento de la aspiración En este tipo de regulación n se bloquea el lado de aspiración. El compresor no puede aspirar y sigue funcionando en el margen de depresión. Esta regulación n se utiliza principalmente en los compresores rotativos y también n en los de émbolo oscilante.

Regulación n de un compresor Regulación n por apertura de la aspiración Se utiliza en compresores de émbolo de tamaño o mayor. Por medio de una mordaza se mantiene abierta la válvula v de aspiración n y el aire circula sin que el compresor lo comprima. Esta regulación n es muy sencilla. Regulación n de la velocidad de rotación El regulador de velocidad del motor de combustión n interna se ajusta en función n de la presión n de servicio deseada, por medio de un elemento de mando manual o automático. tico. No obstante, este procedimiento no es muy utilizado. 29 Regulación n de un compresor Regulación n del caudal aspirado Se obtiene por simple estrangulación n en el conducto de aspiración. El compresor puede ajustarse así a cargas parciales predeterminadas. Este sistema se presenta en compresores rotativos o en turbocompresores. Regulación n por Intermitencias Con este sistema, el compresor tiene dos estados de servicio (funciona a plena carga o está desconectado). Cuando se alcanza la presión n máxima m el compresor se para y cuando se alcanza la presión n mínima m el compresor vuelve a funcionar. Para mantener la frecuencia de conmutación n dentro de los límites admisibles, es necesario prever un depósito de gran capacidad. 30 Refrigeración n de un compresor Por efecto de la compresión n del aire se desarrolla calor que debe evacuarse. De acuerdo con la cantidad de calor que se desarrolle, se adoptará la refrigeración n más m s apropiada. Una buena refrigeración n prolonga la duración n del compresor y proporciona aire más m s frío o y en mejores condiciones. A veces, permite ahorrar en un enfriamiento posterior del aire u operar con menor potencia. En compresores pequeños, las aletas de refrigeración n se encargan de irradiar el calor. Refrigeración n de un compresor Los compresores mayores van dotados de un ventilador adicional, que evacua el calor. Cuando se trata de una estación n de compresión n de más s de 30 kw de potencia, los compresores van equipados de un sistema de refrigeración n por circulación n de agua en circuito cerrado o abierto. 31 32

Acumulador de aire comprimido Acumulador de aire comprimido El acumulador o depósito sirve para: Amortiguar las oscilaciones en el caudal de aire. Almacenar suficiente cantidad de aire para permitir paradas en el compresor. Compensar las oscilaciones de presión n en la red de tuberías a medida que se consume aire comprimido. Refrigerar el aire. Permitir la decantación n de agua del aire. Los acumuladores deben disponer de: Válvula de seguridad Manómetro y termómetro metro Purgador 33 34 Purgador Secadores Son los elementos que se utilizan para retener el agua que contiene el aire. Pueden ser de tres tipos: Secado por absorción n (químico): Se hace pasar el aire a través s de un agente secante, que reacciona con la humedad para formar un subproducto. Secado por adsorción n (físico): Se hace pasar el aire a través s de un material poroso que retiene la humedad. Secado por refrigeración: : Se trata de una unidad que elimina el agua por condensación n mediante enfriamiento, usando un sistema convencional de refrigeración. 35 Filtros Son los elementos que se utilizan para retener las partículas sólidas que arrastra el aire. Se suelen disponer filtros: En la entrada del compresor A la salida del depósito A la entrada de la máquinam 36

Preparación n de aire comprimido Martillos En el campo de las Obras Públicas, P la maquinaria más m utilizada accionada por aire comprimido son los martillos neumáticos. Principalmente existen tres tipos básicos b de martillos: Martillo rompedor, picador o perforador sin rotación. Martillo perforador o perforador con rotación. Martillo de fondo. 37 Los martillos constan de un cilindro en cuyo interior se desplaza un pistón. El pistón n transmite una energía a de impacto a la culata del útil de trabajo o a la cabeza de la barra de perforación, llamada barrena. 38 Martillo picador o rompedor Martillo picador o rompedor Rompe el suelo por su peso y vibración, no necesitando giro en su barrena. El pistón n se mueve libremente y su peso y energía a cinética proporcionan el golpeteo que se transmite a la barrena. 39 40

Martillo picador o rompedor La barrena tiene limitado su movimiento ascendente por un casquillo que la rodea e impide que penetre en el espacio útil del émbolo. El movimiento descendente, lo limita una uña u a de retención que impide que la barrena salga del martillo. Martillo perforador Su funcionamiento es similar al del martillo rompedor, pero la perforación n se realiza con giro de la barrena. Existen dos sistemas de provocar el giro: Movimiento alternativo del pistón: perforaciones ligeras. Motor de rotación n independiente: taladros de gran diámetro y profundos. 41 42 Martillo perforador La velocidad de rotación n más m s usuales son 80 a 100 rpm que proporciona ángulos entre 10 y 20º entre impactos. Martillo perforador La acción n de la barrena sobre la roca provoca el desprendimiento del detritus, que debe ser eliminado. Para ello, se utiliza un agente de barrido (aire y/o agua) que pasa a través s de un taladro central practicado en las barras de perforación. El detritus es arrastrado entre el espacio existente entre la barra y la pared del taladro. 43 44

Martillo de fondo Válida para perforaciones muy profundas. El martillo se sitúa a al fondo de la perforación, el aire le llega a través s de tubos o varillajes y el avance se realiza empalmando tubos mediante roscas de acoplamiento. El sistema es similar al del martillo perforador. El empuje y el giro se le transmite al varillaje, éste al martillo y barrena. Soportes para martillos neumáticos Durante la perforación, la energía a generada por el mecanismo de impactos debe transmitirse a la roca, por lo que la boca debe estar en contacto permanente con la roca del fondo del barreno. La fuerza de avance debe ser suficiente como para permitir el contacto permanente. Si la fuerza de avance es pequeña a la transmisión n será escasa y la velocidad de penetración n será pequeña. Si la fuerza de avance es demasiado grande aumenta el riesgo de atranque del varillaje y roturas. 46 Soportes para martillos neumáticos Existen dos tipos de soporte: Los que aguantan el peso del martillo. Los que, además s de aguantar el peso, empujan con lo que evitan el retroceso del martillo. Soportes para martillos neumáticos Otro sistema es el empujador neumático. Es un cilindro que lleva en su interior un pistón n con un vástago v muy largo. El cilindro dispone de unas garras para fijarse al suelo firmemente. Una forma es con dos columnas y una barra horizontal que mantiene el peso del martillo. Las columnas se apoyan en el suelo y en el techo. El operario debe empujar el martillo pero no soportarlo. 47 48

Vagón drill o perforadoras Vagón drill o perforadoras Constan de: Un elemento de traslación, cadena o neumáticos. Una pluma que puede subir y bajar y cambiar el ángulo desde horizontal a vertical. Una deslizadera en la pluma en la que se acopla el martillo. 49 50 Carros perforadores o jumbos Carros perforadores o jumbos Son equipos mecanizados de perforación, utilizados principalmente en los métodos m de explotación n subterráneos (horizontal y vertical). Han permitido aumentar la productividad de la perforación, ya que se incorporan más m s de dos perforadoras que pueden trabajar en forma simultánea. También n han aumentado la eficiencia, ya que los sistemas automatizados pueden controlar la rotación, percusión, barrido y avance. 51 52