Perforación y Aire Comprimido

Ing. Benjamín Manuel Ramos Aranda

Huancayo, Octubre del 2015

PERFORACIÓN Y AIRE COMPRIMIDO

Presión del Agua: La eliminación de la mayor cantidad posible de polvo en los procesos de perforación tiene en el barrido con agua a uno de sus mejores aliados. Para este fin se utiliza por lo general de 25 a 35 galones (95 a 130 litros) de agua por perforadora y por punta, con presiones comprendidas entre 20 y 80 psi. La presión del agua nunca debe ser mayor a la del aire. Caso contrario puede producir uno o ambos efectos nocivos para la perforación: el agua introducida al cilindro de la perforadora expulsa paulatinamente el lubricante y/o la alta presión del agua contrarresta a la del AC, produciendo un funcionamiento anormal de la máquina. La regulación de la presión del agua puede realizársela a través del uso de tanques colocados a intervalos no mayores a 200 pies (60 m) ya que una columna de 200 pies arroja una presión de 87 psi, a la que hay que descontar las perdidas por fricción.

Presión del Aire Comprimido: Entre los factores externos que influyen en el rendimiento de las perforadoras, el de mayor importancia es la presión del AC, que constituye la fuente de energía para efectuar un trabajo dado y, al disminuir su valor en forma ostensible, dificultará o hará imposible la perforación. A mayor presión del AC, mayor velocidad de perforación, mayor potencia rotacional, mayor número de golpes por minuto pero también mayor consumo de aire. La mayoría de las perforadoras están diseñadas para presiones entre 70 y 100 psi, con 75 a 85 psi, como el rango más adecuado. Si la presión bordea los 40 psi los "stopers" se dañan por el machacamiento del acero del culatín y el cabezal delantero. A la inversa, una presión demasiado alta causa desgaste anormal y rotura, por fractura incrementada del acero en determinadas partes de la perforadora.

Factor de simultaneidad El factor de carga necesario para operar más de una perforadora depende del número de perforadoras en uso al mismo tiempo. Cuando se utiliza más de una existe la posibilidad confirmada por la experiencia- de que no todas estarán en uso al mismo tiempo. Así, al utilizar una sola perforadora, el factor de carga será del 100%. Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

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Cuantas más perforadoras se usen este valor irá bajando paulatinamente. La experiencia permite establecer las siguientes relaciones:

Consumo de Aire - perforadoras Consumo de Aire El aire consumido por las perforadoras depende de factores tan disímiles y variables como el diámetro del cilindro, la carrera del pistón, el número de golpes por minuto, la presión manométrica, el tipo de válvula y pistón, etc. Si a ello se suma la dureza de la roca a ser taladrada, la experiencia del perforista, la condición de la perforadora etc., resulta que es imposible preparar una tabla de consumo de aire y por ello es que también los datos de diversas fuentes no concuerdan en modo alguno. Este inconveniente es soslayado en parte por los datos de consumo aproximado de aire que relacionan la presión del AC con el diámetro del cilindro se la perforadora, según se aprecia con la Tabla 7, que anotamos sólo da valores muy aproximados. Una exactitud mucho mayor se tendrá si se dispone de los catálogos de las perforadoras. La Tabla 8 da características de algunas perforadores, incluido el consumo de aire al nivel del mar a una presión manométrica de 80 psi.

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Consumo de aire a diferentes altitudes: Como se indicó en 1.1.10, para producir el mismo efecto, en la altura se requiere un mayor volumen de aire. Así, para accionar una perforadora Atlas Copeo BBD-90 que al nivel de mar y 80 psi requiere 203 pcm, a 4.000 msnm requerirá 1,552 x 203 = 315 pcm.

EQUIPOS NEUMÁTICOS PERFORADORAS Estas máquinas neumáticas, vitales para la mecanización de la explotación minera, aunque de apariencia exterior tosca, presentan una construcción interna íntrincada y una precisión del terminado de las superficies internas. El proceso de barrenación puede servirse de la percusión, rotación o una combinación de ambas. Los martillos perforadores utilizados en la minería metálica emplean la combinación percusión-rotación, de manera tal que el trabajo de perforación se efectúa tanto golpeando como girando el útil de perforación. LA acción cortadora del proceso rotativo facilita así la demoledora de la percusión. El número de golpes por minuto puede ascender a 5.000, con una fuerza de choque de 22 a 29 lb-pie (3 a 4 Kg-m).

Tipo de perforadoras Tipos De acuerdo a su forma de operación y campo de acción pueden citarse.

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"Hand held drills". Perforadoras ligeras accionadas a mano (no tienen pie neumático de avance), llamadas también en nuestro medio "chicharras". Se utilizan por lo general para barrenaciones al piso. Pesan entre 14 a 38 Kg. Una variedad de este tipo son los llamados "sinker drills" que son perforadoras manuales grandes (34 a 61 Kg) y de gran potencia, utilizadas en la profundización de cuadros y otros trabajos pesados.

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"Drifters". Del inglés "drift" = labor horizontal en o cerca de un cuerpo mineralizado. Se utilizan para la perforación de corridas y recortes. Tienen un pistón de avance neumático o "jackleg" que ayuda notablemente a la perforación. La figura 4 da una explicación física de las fuerzas concurrentes. "Stopers". Del inglés "stope" = labor de rebaje, disfrute o explotación. Son conocidos en nuestro medio como "telescopios". Se utilizan para trabajos ascendentes como suspensiones. "Wagón Drills".  Son perforadoras montadas sobre vagones. Se utilizar, donde se necesita una gran longitud de alta y sostenida velocidad de perforación. (minería a cielo abierto, canteras, perforación de taladros largos, etc.).

CARACTERÍSTICAS DE MÁQUINAS PERFORADORAS ABLA 8 CARACTERÍSTICAS DE MÁQUINAS PERFORADORAS

(1) impactos por minuto (2) para una presión de 80 psi Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

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EN Empujador neumático ST Stoper DC Deslizador de cadena DT Deslizador de tornillo

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COMO EL JACKLEG FACILITA LA PERFORACIÓN

PÉRDIDAS DE CAUDAL Es de fundamental importancia mantener las instalaciones de AC en las mejores condiciones posibles. Aún en instalaciones bien conservadas, las pérdidas por fugas ascienden a un 15 o 20% del volumen de aire admitido; en la misma proporción se gastará inútilmente potencia extra en los compresores. Se han dado casos en los que la magnitud de las fugas rebasó a las del consumo de aire de las perforadoras y otros equipos neumáticos utilizados.  Flujo de Aire por Orificios Las ecuaciones empíricas de Moss y de Fliegener conducen a la expresión ♦

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La tabla que sigue ha sido elaborada tomando C = 1 (por lo que habrá que hacer la corrección respectiva de acuerdo al tipo de orificio), T = 528°R (68°F = 20°C) y una presión atmosférica de 14,70 psi, vale decir al nivel del mar. TABLA 6 DESCARGA DE AIRE POR ORIFICIOS (Presión atmosférica = 14,7 psi; T 528°R; C = 1)

De la Tabla 2 se tiene que, para comprimir 100 pcm a una presión manométrica de descarga de 100 psi, al nivel del mar se necesitan 19,1 Hp = 14,2 KW Con un precio de energía de SUS 0,07/KWH, su costo por hora en cada diámetro de orificio asumiendo C = 0,9 será:

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Lo que demuestra la necesidad imperiosa de evitar al máximo las fugas de aire

Efecto de la diferencia de Elevación En el subterráneo el AC no siempre es utilizado a la misma altura a la que es comprimido Por ello existe una diferencia de presión debido al desnivel entre las Consideraciones del compresor y la terminal. Esta diferencia de presión debe ser considerada para efectos de cálculo de la presión manométrica en el compresor al igual que las perdidas por fricción. Las pérdidas de carga se incrementan al operar en sentido contrario a la gravedad terrestre y disminuyen si se aprovecha ésta, según se apreciará en el ejemplo que sigue. Ejemplo: Prescindiendo de las pérdidas de presión por fricción y considerando que el compresor opera a 4.000 msnm (13.120 pies) y que se desea una presión manometrica en las terminales de 100 psi. ¿Cuáles deberán ser las presiones manometricas en el compresor para dos terminales ubicadas a 4 300 m (14 104 píes) y 3.700 m (12.136 pies)? Para calcular la presión manométrica del compresor con una terminal ubicada 12.136 pies utilizaremos la fórmula (4) que puede escribirse:

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Luego

Presión manométrica en el compresor = 105,54 - 9,02 = 96,52 psi Para calcular ahora la presión manométrica del compresor con una terminal ubicada a 14.104 pies se tiene: P2= Presión absoluta a 14.104 pies, psi

p1= Presión absoluta a 13.120 pies, psi La ecuación (17) puede escribirse

Presión manométrica en el compresor = 112,64 - 9,02 = 103,61 psi En la terminal ubicada = 3.700 m se ganan 3,48 psi mientras que en la terminal ubicada a 4.300 m se pierden 3,61 psi.

Pérdidas en Mangueras Pérdidas en Mangueras Cada manguera de 1" conducirá 150 pcm que para una presión manométrica de 100 psi dará una pérdida de 2,4 psi para 50 pies (Tabla 4), que es  justamente la longitud de las mangueras. Por tanto la presión que se recibirá en cada perforadora será

lista pérdida de presión de 6,7 psi es tolerable porque los diámetros de las tuberías y la longitud de las mangueras son adecuados. Si se desprecian las pérdidaen accesorios y se asume que la tubería maestra tiene un diámetro de 3" y las tuberías secundarias 1 1/2", las pérdidas por fricción serán:

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y en las perforadoras se recibirá: 100 18,3 = 81,7 psi La mucho menor caída de presión, con un mayor diámetro de la cañería, se explica por la fórmula (15) en la que el diámetro es elevado a la potencia 5.31 (d 5,31) en el denominador. Lo anterior significa que en la elección del diámetro de la cañería se deberá hacer la comparación económica entre la mayor inversión que requerirá una cañería de mayor diámetro, versus el mayor costo de energía que supondrá el utilizar una cañería de menor diámetro. En operaciones de muy corta duración la elección se inclinará por una cañería de pequeño diámetro. En el ejemplo señalado, si se quiere tener 100 psi en las perforadoras, en el primer caso la presión manométrica de descarga deberá ser 100 + 6,7 = 106.7 psi y en el segundo caso 100+ 18,3 = 118,3 psi y las potencias necesarias en cada caso de acuerdo a la fórmula (13) serán:

Pot. 1 =91 Hp = 68 KW

Pot. 2 = 95 Hp = 71 KW

Asumiendo que el compresor trabaja 450 horas/mes y que el costo de energía eléctrica (hidroeléctrica) es de SUS 0,07/KWH (el costo de energía termoeléctrica a 4.000 msnm como se calculó en 7, puede ser SUS 0 17/KWH) los costos mensuales por energía serán:

Caso 1 = 450 x 68 x 0,07 = SUS 2.142

Caso 2 = 450 x 71 x 0,07 = SUS 2.236

Vale decir que existe un ahorro de SUS 94/mes = Sus 1.128/año utilizando una cañería de mayor diámetro. Nótese de la fórmula (13) que el volumen de aire comprimido tiene también influencia en la potencia necesaria. Cuanto mayor es el volumen, mayor será el ahorro utilizando una tubería de mayor. Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

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Pérdidas por Fricción en Mangueras: Debido a su mayor rugosidad, las pérdidas por fricción en mangueras son mayores que en las tuberías (de igual diámetro), de modo que su utilización debe limitarse al máximo. La Tabla 4 da las pérdidas de presión en mangueras por cada 50 pies, para diferentes diámetros, presiones manométricas y volúmenes de aire

PÉRDIDA DE PRESIÓN DE AIRE EN MANGUERAS - Gráfica (Para mangueras con recubrimiento interior liso. Un recubrimiento interior rugoso puede causar una perdida 50% mayor que las cifras dadas.)

Nota: Para longitudes mayores o menores, la pérdida por fricción es proporcional a la longitud. La mitad de las cifras estipuladas arriba para 25 pies, el triple para 150 pies, etc.

Pérdidas en las Cañerías Secundarías Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

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Pérdidas en las Cañerías Secundarías Las longitudes equivalentes para cañería de 2" serán

1 válvula de compuerta: 1 x 1,3 2 curvas en U: 2 x 5,3

1,3 pies

10,6 pies

Como cada cañería de 2" conducirá 300 pcm, la pérdida por fricción para 1000 pies -en cada una de ellas- será de acuerdo a la Tabla 3.

Pérdidas en la Cañería Maestra Pérdidas en la Cañería Maestra De acuerdo a la Tabla 5, las longitudes equivalentes para la cañería de 4"

Luego, la longitud total a considerarse para la pérdida por fricción será 1.200 + 39,5 = 1.239,5 pies. Para determinar la pérdida por fricción calcularemos primero la relación de compresión. Como a 4.000 msnm la presión atmosférica es 9,02 psi (Tabla 1), la relación de compresión será:

De la Tabla 3, para 600 pcm y tubería de 4" de diámetro se tiene 6,2. Luego la pérdida por fricción para 1000 pies será 6,2/12,09 = 0,51 psi y para pies 1,24 x 0,51 =0,63 psi.

Pérdidas por Fricción en Accesorios de Tuberías Pérdidas por Fricción en Accesorios de Tuberías Las pérdidas de presión por fricción en los accesorios de tubería se expresan en longitud equivalente de tubería recta. Foster da la fórmula: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

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En base a esta fórmula se ha elaborado la Tabla 5 que sigue: TABLA 5 PÉRDIDAS DE PRESIÓN POR FRICCIÓN EN ACCESORIOS DE TUBERÍA

(Dadas en longitud equivalente - pies - de tubería recta.)

Pérdidas por Fricción en Accesorios de Tuberías - Ejemplo Calcular la presión que se recibirá en cada una de las 4 perforadoras utilizadas en una mina que opera en las condiciones que se señalan. Asumir iguales condiciones de trabajo para las 2 cañerías secundarias y las 4 mangueras.

I. Condiciones generales Aire libre comprimido 600 pcm

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SINGULARIDADES EN TUBERIAS PERDIDAS DE CARGA

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RELACIÓN DIÁMETRO TUBERÍA - CAUDAL

SALA DE COMPRESORAS INSTALACIONES - Gráfica

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SALA DE COMPRESORAS INSTALACIONES - I Ante la alternativa de utilizar un compresor más potente o un mayor diámetro de tubería deberá compararse el costo extra de la tubería con el costo extra del compresor y su costo adicional de operación. De manera general puede afirmarse que casi siempre es mejor evitar una pérdida dc presión que intentar compensarla con una mayor presión inicial, pues ésta intensificaría las pérdidas por fugas y el consumo de energía en el compresor. ♦

 Pérdidas por Fricción en Tuberías:

Según E.C. Harris, las pérdidas de presión por fricción en tuberías pueden calcularse por la fórmula:

La tabla 3 ha sido tabulada basándose en esta fórmula, para una longitud de 1.000 pies, pero no considera la relación de compresión que debe ser introducida para cada caso en particular.

SALA DE COMPRESORAS INSTALACIONES - II TABLA 3 PÉRDIDA DE PRESIÓN DE AIRE DEBIDO A LA FRICCIÓN EN LAS TUBERÍAS Dividir el número correspondiente al diámetro y volumen por la relación de compresión; la caída de presión vendrá dada en psi por cada 1.000 ft de tubería.

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SALA DE COMPRESORAS INSTALACIONES - III

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SALA DE COMPRESORAS INSTALACIONES - IV DIÁMETRO NOMINAL (PULGADAS)

CONSUMO ESPECÍFICO DE ENERGÍA - I Para fines prácticos se mide la energía consumida para la compresión de la unidad de volumen de aire. Para compresores estacionarios el consumo específico de energía se expresa en KVH/m3 (KWH/pie3) y para compresores transportables accionados por motores Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

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a combustión en gramos de combustible/m3 (g/pie3). El consumo de energía y por lo tanto su costo es de lejos el ítem de mayor incidencia en el costo de operación de un compresor. Por ello resaltaremos con un ejemplo el ahorro económico que se consigue con compresores e instalaciones de mayor rendimiento.

COMPRESORES ESTACIONARIOS

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CONSUMO ESPECÍFICO DE ENERGÍA - II Supongamos una mina ubicada al nivel del mar, que necesita un suministro de 1.000 pcm comprimidos a 100 psi y que el compresor estacionario opera 5.400 horas al año. De la Tabla 2 se calcula que se necesitan 191 Hp (142 KW) para comprimir 1.000 pcm. En 5.400 horas se utilizarán 766.800 KWH, que a un costo de Sus. 0,07/KWH significa Sus. 53.676/año. Si debido a la utilización de un compresor e instalación más modernos y eficientes se puede ahorrar un 10% del costo citado, esto significa Sus. 5.370/año. A una tasa de interés del 12% anual, en 7 años se habrán ahorrado aproximadamente Sus. 54.000, vale decir el costo anual de energía de la instalación menos eficiente. El ahorro es mucho mayor en compresores accionados a diesel debido al alto precio de este combustible y será mayor todavía en minas muy altas, donde disminuye fuertemente el rendimiento de los motores a combustión.

CONSUMO ESPECÍFICO DE ENERGÍA - III 1. Filtro de aire de dos etapas, conjunto para compresor y motor 2 Conducto de exhaustación del ventilador del compresor. 3. Cáncamo de izado. 4 Refrigerador tubular intermedio entre las etapas de alta y baja presión. 5. Depósito de ame. 6. Culata del cilindro de baja presión. 7. Silenciador venturi de admisión. 8 Compartimiento para perforadoras, mangueras y herramientas. 9. Válvula de salida de aire. 10 Carroceria esmaltada a fuego. 11. Tablero central de instrumentos. 12. Lanza de arrastre. COMPRESORES DE PISTÓN ATLAS COPCO SERIE TS

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COMPRESORES - I TIPOS DE COMPRESORES

Los compresores más utilizados en minería son los de pistón y los de tornillos.  Se componen básicamente de un cárter con un cigüeñal, un émbolo de pistón, un pistón, y un cilindro que lleva válvulas de aspiración y de descarga (Fig. 1). Si la presión requerida excede de 72 a 87 psi (5 a 6 bar), la compresión debe realizarse en dos etapas. En la primera el aire se comprime hasta una presión igual a la raíz cuadrada de la presión total después de la compresión final absoluta. Si esta presión total fuera por ejemplo 114,7 psi ( 100 + 14,7), la primera etapa deberá comprimir hasta 10,7 psi y la segunda deberá llegar a 114,7 psi. Se necesita una menor potencia cuando todas las etapas tienen la misma relación de compresión. Las disposiciones generalmente utilizadas de los cilindros son en V para los compresores pequeños y en L para los grandes (Fig. 2). ♦Compresores de Pistón:

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COMPRESORES - II

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Compresores de Tornillos: Consisten básicamente de dos tomillos que giran en sentido

contrario y en forma sincronizada (Fig.3). L1 tomillo macho tiene normalmente cuatro lóbulos y el millo hembra seis. El aire fluye a través de los espacios entre los dientes y al reducirse aquel, el aire se comprime. Los tornillos no se tocan entre sí o a la carcasa de manera que en condiciones normales de funcionamiento no existe desgaste de estos elementos. Los compresores de tornillos no tienen que superar fuerzas de aceleración o deceleración, como los de pistón. Por ello son capaces de funcionar a mayor velocidad y por lo tanto sus dimensiones pueden ser menores.

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EFECTO DE LA ALTITUD EN EL COMPRESOR Cuando se comprime el aire, la eficiencia volumétrica disminuye con la altura. Por tal motivo, para producir el mismo efecto se requiere un mayor volumen De aire en la altura. Para facilidad de cálculo, supongamos una compresión isotérmica de 100 pies cúbicos de aire para dar una presión de descarga de 100 psi, tanto al nivel del mar como a una elevación de 4.000 msnm, ¿cuáles serán los volúmenes de aire cumprimido? De (6) resulta

Por consiguiente a 4.000 msnm se necesitará 12,82/8,26 = 1,552 veces más de aire que al nivel del mar para producir el mismo efecto en las perforadoras y otros equipos neumáticos. Otro de los efectos de la altitud en los compresores es que reduce la potencia necesaria de compresión por unidad de volumen de aire aspirado, según se ve en la Tabla 2.

TEMPERATURA TEÓRICA DE DESCARGA La fórmula que sigue, desarrollada para calcular la temperatura teórica de descarga en compresores de pistón de 2 etapas, puede utilizarse también para otros tipos de compresores. Asume una compresión adiabática, un enfriamiento intermedio e igual división de trabajo entre los cilindros.

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En la práctica, a altas presiones, las temperaturas tienden a disminuir debido al efecto de la radiación y del encamisamiento del agua.

TEMPERATURA TEÓRICA DE DESCARGA - ejemplo Ejemplo Sea calcular la temperatura teórica de descarga de un compresor ubicado a 4.000 msnm, donde la temperatura promedio es de 10°C, del que se desea una presión de descarga de 6,9 bar (100 psi). De acuerdo a la Tabla 1, la presión atmosférica a 4.000 msnm es 0,622 bar. Luego:

Temperatura bastante elevada que debe inducir a practicar el enfriamiento posterior del AC. Esta elevada temperatura es aprovechada en algunas minas para favorecer el tiraje de la ventilación natural (diferencia de pesos específicos del aire fresco y viciado), instalando las tuberías de AC por chimeneas exhaustoras.

EFICIENCIA VOLUMÉTRICA Debido a la holgura que existe en los compresores, el volumen de aire libre admitido es menor que el desplazamiento del pistón (en los compresores de pistón). La eficiencia volumétrica (4) indica la relación del volumen de aire libre realmente admitido, al volumen teórico resultante del desplazamiento del pistón.

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POTENCIA NECESARIA PARA COMPRESORES DE DOS ETAPAS La fórmula que sigue desarrollada para compresores de pistón, puede ser utilizada también para aproximar la potencia requerida por compresores de tornillo u otros tipos de compresores.

La tabla que sigue ha sido confeccionada para determinar las potencias necesarias en Hp, para comprimir 100 pcm (47,2 litros por segundo - lps) a diferentes elevaciones y presiones de descarga, utilizando la fórmula (13).

COMPRESIÓN ADIABÁTICA Si un cilindro pudiera ser aislado de modo tal que el calor generado por compresión no escape, sino fuera retenido por el aire aumentando así su temperatura, se tendría una compresión adiabática. Luego, para condiciones adiabáticas (sin intercambio de calor), las ecuaciones anteriores se transforman en:

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Teóricamente un gas puede ser comprimido por cualquiera de los dos métodos. En la práctica, la curva de compresión del compresor se acerca mucho a aquella de compresión adiabática perfecta. Por consiguiente, para los problemas prácticos puede suponerse esta condición.

COMPRESIÓN ISOTÉRMICA La compresión de los gases puede ocurrir de acuerdo a las diversas leyes de la termodinámica. Para una misma masa de gas sujeta a dos estados diferentes:

Cuando el aire es comprimido, genera calor. Si éste pudiera ser separado tan pronto como se genera y el aire mantenido a una temperatura constante, se tendría el caso de compresión isotérmica. Luego (6) se transforma en

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AIRE LIBRE Y CAPACIDAD DE UN COMPRESOR Llamase aire libre, el que a la presión atmosférica normal es introducido al compresor, donde es comprimido a la presión manométrica deseada. La capacidad de los compresores se expresa en pies3/min (pcm), m3/min o l/s de aire libre al nivel del mar. Para elevaciones diferentes a las del nivel del mar. si no se corrigen adecuadamente estas capacidades, se cometerán errores de mayor o menor magnitud. La composición del aire atmosférico es:

MÓDULO VOLUMÉTRICO DE ELASTICIDAD l módulo volumétrico de elasticidad expresa la relación de presión unitaria a la variación correspondiente de volumen por unidad de volumen, vale decir expresa la compresibilidad de un fluido.

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RELACIÓN PRESIÓN ATMOSFÉRICA - ELEVACIÓN SOBRE EL NIVEL DEL MAR

p0 = presión al nivel del mar p = presión a la elevación indicada

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