Aire Comprimido: Composición, Propiedades y Usos

Aire Comprimido

Aire Atmosférico

Es un fluido gaseoso constituido por una mezcla de gases, de acuerdo a la siguiente composición (en porcentaje volumétrico):

• N2 = 78,09%
• O2 = 20,95%
• Ar = 0,93%
• CO2 = 0,03%
• Trazas de varios otros gases como ser neon, helio, metano, hidrogeno, ozono, etc.

Su composición es constante hasta aproximadamente 20km de altura. Sus componentes pueden ser separados enfriando a menos 196°C (aplicando procesos de destilación fraccionada).

Las propiedades del aire atmosférico son: Incoloro - Inodoro - Insípido - Compresible.

Esta última propiedad, la compresibilidad, se aprovecha para generar energía neumática.

Principales formas de energía

• Eléctrica.
• Hidráulica.
• Neumática.
• Eólica.
• Solar.
• Nuclear, etc.

Los principales objetivos de estas principales formas de energía son: generar calor y movimiento.

La energía neumática se sirve del aire atmosférico como materia prima. En consecuencia, el aire atmosférico puede ser comprimido y de esta manera adquirir energía que se transforma en trabajo.

Aire Comprimido

El aire comprimido es aire atmosférico que se encuentra a una presión mayor que la presión atmosférica.

La compresión del aire atmosférico se realiza utilizando equipos llamados compresores. El aire comprimido es almacenado en depósitos, y a través de tuberías es distribuido hacia los puestos de consumo (herramientas, máquinas, motores, etc.).

Principales características del aire comprimido

• Se regula y controla fácilmente.
• No es tóxico.
• No es inflamable ni combustible.
• No es explosivo.
• No presenta riesgos de chispas.
• No implica peligro de accidentes.
• Admite su combinación con otras formas de energía.
• Las instalaciones de aire comprimido son de mantenimiento sencillo y económico.

Aire Libre

El aire libre es el aire atmosférico a presión y temperatura normales, o sea en estado normal.

El estado normal está dado por:

• Presión barométrica a nivel del mar.
• 760 mm de Hg ; 1,033 kg/cm2
• Temperatura de 20°C

Entonces, en consecuencia, la cantidad de aire libre está dada en:

donde N: indica el estado normal.

El caudal de aire libre estará dado por:

- Q: cantidad de aire libre/minuto [Nl/min ó Nm3/min]

- Qc: cantidad de aire comprimido/minuto [L/min ó m3/min]

- P: presión del aire comprimido [kg/cm2]

Unidades de presión

Las unidades industriales en las que se mide la presión del aire comprimido son:

• lb/pulg2 ; atm ; kg/cm2 ; kPa ; lb/pie2 ; N/m2

Factores de conversión de unidades

a) Unidades de longitud

b) Unidades de superficie

c) Unidades de volumen

d) Unidades de peso

e) Unidades de presión

Compresores

Los compresores son máquinas que aspiran el aire ambiente (a presión atmosférica) y lo comprimen hasta una presión superior.

Clasificación de los compresores

Compresores

Compresores (por desplazamiento)

A pistón

De una sola etapa (monofásicos)

De simple efecto

De doble efecto

De dos o más etapas

De simple efecto

De doble efecto

Rotativos (a tornillo)

Dinámicos

Principio de operación de los compresores a pistón

Compresor de simple efecto

El trabajo de compresión del aire dentro del cilindro se realiza mediante un pistón, el cual es accionado por un motor a través de un sistema cigüeñal-biela. El motor puede ser eléctrico o de combustión interna.

Compresores bifásicos o de dos etapas

La compresión del aire se realiza en dos fases:

Primera Fase: Es la etapa de baja presión (hasta 2 a 3 kg/cm2).

Segunda Fase: Es la etapa de alta presión (hasta una presión máxima o final de salida de 8 kg/cm2).

El aire comprimido en la primera etapa adquiere una temperatura superior a los 100°C por lo que debe ser refrigerado antes de ser comprimido nuevamente en la segunda etapa. Esta refrigeración intermedia puede realizarse por medio de aire o de agua. Después de su compresión en la segunda etapa, el aire comprimido sale a una temperatura de aproximadamente de 130°C. La refrigeración final o posterior se realiza con agua.

Esquema de un compresor bifásico (de dos etapas) de simple efecto

En este compresor, la compresión del aire aspirado se realiza en dos etapas por medio de dos pistones.

La compresión de una sola etapa es antieconómica para altas presiones y grandes caudales debido a las siguientes razones:

• Para altas presiones y grandes caudales es necesario una mayor potencia del motor y también se obtiene un aire comprimido más caliente, lo que requiere una refrigeración posterior más intensa.
• Luego, para presiones de aire comprimido de 4 a 12 kg/cm2 se utilizan compresores de dos etapas.

Principales componentes de un compresor de dos etapas

• - Carter.
• - Cilindros.
• - Pistones.
• - Bielas.
• - Cigüeñal.
• - Refrigerador intermedio.
• - Filtro.

Compresor de dos etapas de doble efecto

Principio de operación

El caudal de aire comprimido es prácticamente el doble del que proporciona un compresor de simple efecto.

Los compresores más utilizados industrialmente son los compresores de dos etapas de simple efecto debido a que son de construcción más sencilla que los de doble efecto.

Compresores a tornillos

Principio de funcionamiento

Están compuestos por un par de rotores con lóbulos helicoidales que engranan constantemente entre sí. Los rotores no se tocan entre sí ni a la carcasa dentro de la cual se encuentran.

Entre los rotores de engrane continuo, el volumen de aire aspirado sufre una compresión. Cuando el aire alcanza la presión final, el espacio interlobular queda conectado con el orificio de salida.

Estos compresores se utilizan para producir grandes cantidades de aire comprimido.

Dentro de la carcasa, los rotores se encuentran en un baño de aceite, el cual actúa como refrigerante. El aire comprimido que sale por el orificio de salida está mezclado con aceite, y en consecuencia, pasa por un separador del aceite.

Perforadoras

Consideraciones generales

Arranque

El arranque consiste en la fragmentación del macizo rocoso a un tamaño que permite que el material pueda ser manipulado por el sistema posterior de carga y transporte. El arranque se puede realizar en forma directa o bien por medio de la voladura con explosivos (perforación y voladura). Se decide por el método más económico y técnicamente posible.

Por ejemplo:

• Se utiliza una voladura para el caso de arranque de rocas duras.
• Se utiliza una rotopala para realizar el arranque en forma directa de roca blanda.
• En la gran mayoría de las minas a cielo abierto, la perforación y voladura anteceden siempre al trabajo de excavación. Las operaciones de perforación y voladura se encuentran asociadas.

Operación de perforación

Se compone de dos fases simultáneas:

a) Fractura del material de la roca.

b) Remoción del detrito.

Perforadoras

Por su forma de trabajar, las perforadoras pueden ser de dos tipos:

a) De percusión.

b)De rotación.

Principales componentes de una perforadora

1°) Máquina o cuerpo principal: este componente transforma la energía primaria en una fuerza de impacto y en un par de rotación. La energía primaria es suministrada por un equipo motriz.

2°) Barra: transmite el movimiento de la máquina a la herramienta. Se incluyen también barras prolongadoras.

3°) Útil o herramienta: es la pieza que hace contacto con la superficie de la roca (broca, punta, cincel).

4°) Fluido de circulación: las funciones del fluido de circulación son:

• - Extraer el detrito producido durante el avance del útil, manteniendo limpio el orificio de la perforación.
• - Refrigerar la broca.
• - Controlar el polvo producido.