Martillos y Bits DTH para perforación de roca

Diciembre 2005

Objetivos de Medir Caudal Real

La función que desempeña el sistema de toberas sónicas es la medición de caudal másico real. Este sistema es particularmente útil en la medición del caudal másico entregado por compresores de aire debido a:

• El sistema exige expulsar a la atmósfera el gas que se está midiendo. Desde este punto de vista el aire presenta la ventaja de no ser contaminante y de ser muy económico.

• La posibilidad de expulsar a la atmósfera el gas y de utilizar la instrumentación del compresor (manómetro y termómetro) permite que el sistema sea extremadamente sencillo y exacto, pues no cuenta con piezas móviles y los cálculos están basados directamente en fórmulas físicas y no en aproximaciones empíricas.

• El sistema de toberas permite construir la curva real del compresor, esto es, una curva que relaciona el caudal másico entregado v/s la presión en el tanque. Si se dispone de esta curva real, y se dispone además de la curva de carga del sistema a alimentar por el compresor (Por ejemplo, un martillo DTH.), es posible predecir en forma muy precisa el punto de operación que se obtendrá en la realidad.

• Si bien el fabricante entrega las características del compresor al momento de su adquisición (presión máxima-caudal másico máximo), estos valores son sólo referenciales pues están medidos en condiciones estándar, las cuales no son necesariamente las condiciones reales en las que operará el compresor. Este puede disminuir (o en casos excepcionales aumentar) su caudal másico por diferentes motivos entre los cuales se cuentan:

• Altura sobre el nivel del mar a la que está operando el compresor: La densidad del aire atmosférico en la succión es extremadamente importante. Un aire menos denso provocará que el caudal másico entregado se reduzca en un porcentaje que puede ser importante respecto al caudal nominal.

• Condiciones mecánicas en la que se encuentra el equipo: Una deficiente mantención del motor o del compresor o el desgaste de las partes pueden reducir notablemente el caudal entregado por este último.

• Fugas del sistema de alimentación en el caso de redes de aire.

• Elevadas perdidas de carga las cuales se traducen en una resistencia al flujo.

Los efectos de la densidad de la atmósfera local son fácilmente estimables, por lo que cualquier discrepancia notoria entre esta estimación y lo medido utilizando el sistema de toberas sónicas sólo puede ser explicado por uno de los cuatro últimos factores de la lista previa. La medición en diferentes puntos del circuito puede ayudar a detectar las anomalías en el sistema.

Operación del Dispositivo
El sistema básico cuenta de las siguientes partes: 1. Set deToberas. 2. Adaptador recto para las toberas. 3. Manómetro de alta presión. 4. Pre-Adaptador, el cual se utiliza antes del adaptador para lograr la conexión con el hilo particular del sistema. Las toberas (N°1 en la figura) son intercambiables y en general deben usarse entre cinco y siete del total disponible para determinar la curva característica de un compresor.		La figura siguiente muestra el esquema de montaje:

La selección del conjunto a utilizar se determina en función a tres factores:

• Capacidad del compresor (presión y caudal nominales).

• Altura sobre el nivel del mar.

• Temperatura ambiental en el momento de realizar la prueba (No es indispensable).

El efecto de la altitud sobre el caudal del compresor queda representado en el gráfico que se muestra a continuación:

Pérdidas de Caudal Másico por Efecto de la Altura

Para utilizar este gráfico se requiere conocer la altitud a la que se encuentra trabajando el compresor y la temperatura ambiente. Con estos dos valores se determina un punto al interior del gráfico, luego se selecciona una de las rectas de corrección más cercana a él. Es esta recta la que determinará el factor de corrección por el cual se debe multiplicar el caudal nominal para obtener una aproximación del caudal real que el compresor debería estar entregando.

Si no se conoce la temperatura ambiente, se puede utilizar el mismo gráfico, donde se debe utilizar la recta AE como la mejor forma de estimar la temperatura ambiente sólo conociendo la altitud del lugar, por ende entrando con altitud e intersectando a dicha recta se obtiene un punto, luego buscando la recta de factor de corrección más cercana se obtiene alternativamente el coeficiente de corrección.

Una vez determinado el factor de corrección se procede a multiplicar dicho factor por el caudal nominal del equipo, con lo cual se puede determinar en forma más precisa el rango de toberas para el compresor. En el gráfico siguiente se muestra el gráfico de selección de toberas:

Rango de Toberas

EJEMPLO:
Si tenemos un compresor de tornillo con caudal nominal de 900 SCFM, el caudal corregido para una altitud de 700 mt. y una temperatura de 24°C (Factor de corrección = 0.9 ==> 900*0.9 = 810), queda en 810 SCFM. Si el compresor esta construido para generar una presión máxima de 350 psig y una mínima de 120psig, las toberas que deberemos utilizar estarán en el rango de 10.5mm a 16mm.

Una vez determinado el rango de toberas a utilizar se proceden a probar una a una. Para esto simplemente se conectan al adaptador firmemente y se permite operar al compresor libremente (No deben existir restricciones notorias en el tramo entre el acumulador y la tobera.), dando tiempo a que la presión en el manómetro del adaptador o del tanque se estabilicen (Estas dos presiones tenderán a diferir en la medida que la tobera esté más lejos del acumulador. En casos en que la distancia sea mayor a 5m, la presión del tanque no debe ser utilizada.). Una vez estabilizada la presión, se ingresa al gráfico particular de la tobera y se determina el caudal. En la figura siguiente se muestra el gráfico para una tobera de 11.0mm de diámetro en la descarga.

Las diferentes rectas representan diferentes temperaturas del acumulador. (Si no se dispone de un valor de temperatura en el acumulador, se puede suponer un valor de 70°C sin incurrir en un error mayor.)

Ejemplos de Uso:
Una vez probadas todas las toberas seleccionadas, se procede simplemente a graficar todos los puntos (P,Q) medidos. El siguiente gráfico ilustra una prueba real efectuada en el compresor del Banco de Ensayos de Martillos de DRILLCO TOOLS S.A. (Modelo Ingersoll Rand XHP 900 W CAT (350 psig, 900SCFM)nom. Con menos de 100hrs de operación al momento de la prueba)

Q(SCFM) v/s Ptanque		La curva azul corresponde al flujo verdadero entregado por el compresor, determinado de una manera exacta basada en varios parámetros de la operación y sus características mecánicas y geométricas. La curva roja corresponde a la solución de las ecuaciones flúidas de los mecánicos de una manera exacta usando una técnica iterativa basada en la presión en el tanque, la temperatura en el tanque y el diámetro del inyector como condiciones de límite. La curva verde representa una valoración del caudal total basado en los gráficos de los inyectores, que alternadamente se basan en la solución de un sistema simplificado de las ecuaciones flúidas de los mecánicos.