94163457 Presentacion Ventilacion de Minas

VENTILACIÓN DEVENTILACIÓN DE MINAS

Capítulo 1.- Introducción, Componentes y Propiedades del Airep

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

En Europa de 4,000 a 1,200 A.C. los hombres deEn Europa de 4,000 a 1,200 A.C. los hombres de esa época cavaban túneles en busca de pedernal.Investigaciones arqueológicas en Inglaterra g q g gmuestran que los mineros usaban fuego en los lugares de trabajo para debilitar la roca.Los antiguos griegos y romanos, en la Europa medieval y durante la Revolución Industrial en Inglaterra usaban el fuego para promover el flujo de aire.

En las minas de plata de Laurium en Grecia y en p yminas del Imperio Romano se han encontrado evidencias de la existencia de circuitos de

entilación q e datan del 602 A Cventilación que datan del 602 A.C.El primer libro de texto de minería fue escrito en latín por Georgius Agrícola en 1556latín por Georgius Agrícola en 1556.En 1854 el inglés John J. Atkinson escribió “Sobre la Teoría de la Ventilación de Minas” donde propuso y amplió los principios de la ventilación moderna.

Ventilación con deflectores (Agrícola, 1556)

Ventilación con fuelles (Agrícola, 1556)

Ventilación con fuelles Agrícola, 1556)

COMPONENTES DEL AIRECOMPONENTES DEL AIRE

La materia prima de la ventilación es el aire.pEl aire es una mezcla de gases que conforman la atmósfera terrestre, este es el “aire seco”. Sin

b l i i i d dembargo el aire siempre viene acompañado de vapor de agua.Desde el punto de vista de la termodinámica elDesde el punto de vista de la termodinámica el aire es una mezcla de aire seco y vapor de agua en proporciones variables dependiendo de la temperatura, presión barométrica y presencia del agua para formar el vapor de agua.

La composición química del aire seco al nivel del mar es:Gas % en volumen % en peso

Nitrógeno 78.084 75.55Oxígeno 20.946 23.13Argón 0.934 1.27Dióxido de carbono 0.033 0.05Otros gases 0 003Otros gases 0.003

Principalmente en aire acondicionado los cálculosPrincipalmente en aire acondicionado los cálculos se hacen basados en volumen y en aire seco, para evitar la variabilidad del contenido de vapor de agua en el aire.Los cambios termodinámicos afectan el contenido de vapor de agua al condensarse el vapor o evaporarse el agua.El término aire seco es hipotético, pues no existe en las atmósferas normales de mina.

PROPIEDADES FÍSICASPROPIEDADES FÍSICAS

Grado de saturación, µ: Cociente en % entre los , µpesos del vapor de agua en el aire y el peso del vapor de agua en aire saturado.

f k / 3 ( lb/ i 3)Peso Específico, ω: 1.201 kg/m3 (0.075 lb/pie3).Entalpia, h: Es el contenido total del calor del aire y es la suma de las entalpias del aire seco yaire, y es la suma de las entalpias del aire seco y del vapor de agua por peso unitario de aire seco. Se mide en kJ/kg (Btu/lb).Entropía, s: Razón de la cantidad de calor añadida al aire. Se mide en kJ/kg °C (Btu/lb °F).

Cabeza, H: Altura de una columna de aguaCabeza, H: Altura de una columna de agua equivalente a la presión ejercida por el aire. Se mide en Pascales o en pulgadas de agua. Tenemos que: Peso = l kg masa x 9.81 m/s2 = 9.81 kg-m/s2

Pero, 1 N = 1 kg-m/s2 ; 1 kg de peso = 9.81 N 1” de agua = 62.4 lb/pie3 ÷ 12”/pie = 5.2 lb/pie2

1 lb/pie2 = (0.4536 kg x 9.8 N/kg)÷0.0929 pie2/m2

= 47.854 N/m2 = 47.854 PaDe donde: 1” de agua = 5.2 x 47.854 = 248.84 Pag

Potencia, P : Capacidad o razón de hacer trabajoPotencia, Pa : Capacidad o razón de hacer trabajo en una unidad de tiempo, por lo general se le llama potencia de aire. Se mide en kW (hp).Presión, p: Es la fuerza que ejerce el aire por unidad de área, ya sea manométrica o absoluta. Se mide en Pa (“ de agua).Caudal, Q: Es la razón de flujo volumétrico por

3 3unidad de tiempo. Se mide en m3/s (pies3/min, pcm).

Humedad Relativa, O: Es la razón de las ,presiones de vapor de agua en el aire, en las condiciones dadas y a saturación. Se puede ver q e h medad relati a el grado de sat ración noque humedad relativa y el grado de saturación no son numéricamente iguales. Se mide en %.Punto de Rocío td : Temperatura a la cual ocurrePunto de Rocío, tdp: Temperatura a la cual ocurre la condensación del vapor de agua; es una temperatura de saturación. Se mide en °C (°F).Temperatura de Bulbo Seco, td: Temperatura indicada por un termómetro convencional, es una medida del calor sensible Se mide en °C (°F)medida del calor sensible. Se mide en C ( F).

Temperatura de Bulbo Húmedo, t : Temperatura aTemperatura de Bulbo Húmedo, tw: Temperatura a la cual el agua, evaporándose en el aire puede traer el aire adiabáticamente a saturación a esa temperatura; es una medida de la capacidad de evaporación del aire. Indicada por un termómetro

h d bil hú d S id °Ccon una capucha de pabilo húmedo. Se mide en °C (°F).P ió d E l ió i l d lPresión de vapor, pv: Es la presión parcial del vapor de agua en el aire. Se mide en Pa (“de Hg).

Ley de Presiones Parciales de Dalton: La presiónLey de Presiones Parciales de Dalton: La presión barométrica del aire es la suma de las presiones parciales del aire seco y del vapor de agua.Peso molecular del aire: 28.97Densidad en condiciones estándar: 1.2014 kg/m3g(0.075 lb/pie3).Presión barométrica estándar: 101.33 kPa : .(14.696 lb/pulgada2).

COMPORTAMIENTO DE LOS GASESCOMPORTAMIENTO DE LOS GASES

Ley de Boyle-Mariotte:y yp1V1 = p2V2

Ley de Charles-Gay Lussac:

2

1

2

1

TT

VV =

2

1

2

1

TT

pp

=

Ley General de los Gases:pv = RT

En donde R es la constante del gas en J/kg · °RR = 287.04 J/kg · °R (53.35 pies-lb/lb masa · °R)

CAPÍTULO 2 – FÓRMULAS BÁSICAS DEL FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE OBRASFLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE OBRAS

MINERASLas fórmulas básicas de la ventilación se derivanLas fórmulas básicas de la ventilación se derivan de fórmulas de hidráulica que se desarrollaron a partir de principios de energía, definida ésta como habilidad para hacer trabajo.En el flujo de fluidos intervienen tres formas de energía:

Energía cinéticaEnergía potencialEnergía de presión

ENERGÍA Y CABEZAENERGÍA Y CABEZA

En un fluido homogéneo en reposo, la diferenciaEn un fluido homogéneo en reposo, la diferencia de presión entre dos puntos es el producto del peso unitario (w) del fluido por la diferencia de elevación (h):

p = wh ; despejando h, tenemos: h = p/w

En hidráulica h, o su equivalente p/w se conoce como cabeza

Energía cinéticaEnergía cinética

La energía cinética es la habilidad de hacer trabajo debido g ja su velocidad. La energía de una masa M en kg (lb) con una velocidad v en m/s (pies/s) es:

E í i é i M 2/2 M W/Energía cinética = Mv2/2; pero M = W/gEnergía cinética = v2/2g

Las unidades son metros o pies∴

Las unidades son metros o pies.Esta cantidad se conoce como cabeza de velocidad, cabeza dinámica o presión dinámica y representa la distancia a través de la cual debe caer un cuerpo en el vacío para adquirir una velocidad v.

Energía de elevaciónEnergía de elevación

La energía de elevación es una energía potencialLa energía de elevación es una energía potencial que tiene un fluido por su posición o elevación con respecto a un nivel de referencia arbitrario.Suponiendo un peso W de 1 kg (1 lb) a z metros (pies) sobre un nivel de referencia. La masa tiene entonces una energía de z kg-m (lb-pies). La energía potencial representada por una distancia z

ll d b d l ióes llamada cabeza de elevación.

Energía de presiónEnergía de presión

La energía de presión es energía trasmitida a o aLa energía de presión es energía trasmitida a o a través de la masa considerada y es, como vimos:

p = whpque se puede expresar como:

h = p/wh p/wconocida como cabeza de presión o también cabeza estática o presión estática.p

Si consideramos un conducto a z metros (pies) encima de un nivel de referencia, por el cual se , pestá moviendo un fluido; un punto dentro del fluido tiene las siguientes energías

Energía = p/w + v2/2g + zEnergía = Energía estática + Energía de

velocidad + Energía potencial

Teorema de Energía de BernoulliTeorema de Energía de Bernoulli

En una corriente que fluye establemente sin fricción laEn una corriente que fluye establemente, sin fricción, la energía total contenida en una masa dada es igual en todos los puntos de su recorrido.

22

22

11

21

22Z

wp

gVZ

wp

gV

++=++

Esta ecuación de energía es en realidad la ley de la conservación de la energía aplicada a fluidos no co se v c ó de e e g p c d u dos ocomprimibles. Sin embargo, en el flujo hay pérdidas de presión (o de cabeza) por fricción y por choque.

Incluyendo la pérdida de presión (o cabeza) tenemos:Incluyendo la pérdida de presión (o cabeza) tenemos:

lHZg

VwpZ

gV

wp

+++=++ 2

222

1

211

22donde Hl es la pérdida de cabeza.En otras palabras “la cabeza (o presión) total en cualquier

t d i t fl j ti t blpunto de una corriente con un flujo continuo y estable, es igual a la presión total de cualquier punto aguas abajo más la pérdida de presión entre estos puntos”.

2121 ltt HHH−

+=

En minas subterráneas son comunes diferencias en elevación de cientos de metros (pies). A nivel del mar un aumento en la elevación de 70 pies aumentará el término Hz en una pulgada de agua y en compensación Hsz p g g y p sdisminuirá en una pulgada.Se puede omitir el término Hz si las mediciones y cálculos d H h b i ét i (de Hs se hacen con base en presiones manométricas (o diferenciales) referidas a la presión atmosférica existente en el punto de medición.

212211 −++=+ lvsvs HHHHH

La densidad del agua es 62.43 lb/pie3 y la del aire es igual a 0.075 lb/pie3, por lo que:

lb

pieslbpielb

xwwHH 70'3.69"832

43.621

3"2

12 ≈====

Lo anterior significa que un aumento en elevación de 70’

pielbw 075.0 3

1

Lo anterior significa que un aumento en elevación de 70 aumenta el término Hz en una pulgada de agua.

Supongamos un tubo recto de 70’ de largo, primero p g g , pcolocado horizontal a nivel del mar (la presión atmosférica o barométrica a nivel del mar = 14.696 lb/pulg2 = 407”c.a.) y luego vertical La pérdida de presión estática entre 1 y 2y luego vertical. La pérdida de presión estática entre 1 y 2 es 3”. La presión estática en 1 es 5” y la presión dinámica a lo largo del tubo es 1”.Usando la ecuación de Bernoulli y presiones absolutas para el tubo horizontal tenemos:

(5 + 407) + 1 + 0 = (2 + 407) +1 + 0 + 3(5 + 407) + 1 + 0 = (2 + 407) +1 + 0 + 3413 = 413

Utilizando nada más presiones manométricas tenemos:5 + 1 + 0 = 2 + 1 + 0 + 3

6 66 = 6Ahora, colocando el tubo verticalmente el punto 2 estará 70’ más alto que el punto 1, entonces = 1 y así 2zHq p , ytenemos para presiones absolutas:

(5 + 407) + 1 + 0 = (2 + 406) + 1 + 1 + 3

2z

413 = 413

Sin embargo, para presiones manométricas tenemos:g , p p5 + 1 + 0 = 2 + 1 + 1 + 3

6 ≠ 7Esto se puede evitar calculando siempre con presiones absolutas, pero es engorroso.El di i t id O iti l té i HEl procedimiento sugerido es: Omitir el término Hz y use presiones manométricas.Tubo horizontal: 5 + 1 = 2 + 1 + 3; esto es 6 = 6;Tubo vertical: 5 + 1 = 2 + 1 + 3; esto es 6 = 6

Para que el aire pueda fluir entre dos puntos se q p pnecesita que haya una diferencia de presión. El aire fluye del punto de mayor presión hacia el p nto de menor presiónpunto de menor presión.La presión se consume para vencer la resistencia al flujo causada por la fricción o el choque por loal flujo causada por la fricción o el choque, por lo que la pérdida de cabeza (Hl) es la suma de las pérdidas por fricción (Hf) y las pérdidas por h (H ) d l l d dchoque (Hx), expresadas en pascales o pulgadas de

agua.H = H + HHl = Hf + Hx

La presión estática de mina es la energíaLa presión estática de mina es la energía consumida por el sistema de ventilación para superar las pérdidas de cabeza o presión entre la entrada y la salida o descarga de la mina:

Hs de mina = Hl = Hf + Hxf

La presión dinámica de la mina es la cabeza o ió d l id d l d d l i tpresión de velocidad en la descarga del sistema a

la atmósfera.

La presión total de mina, Ht es la suma de la presión estática de mina y de la presión dinámica p y pde la mina:

Ht de mina = Hs de mina + Hv de minat de mina s de mina v de mina

oHt de mina = (Hf de mina + Hx de mina ) + Hv de minat de mina ( f de mina x de mina ) v de mina

Caracterización y Comportamiento del flujo d Aide Aire

En el flujo de fluidos se distinguen dos tipos de flujo: laminar y turbulento.El criterio para distinguir entre los dos flujos es el número de Reynolds, NRe . Hasta 2000 el flujo es laminar y arriba de 4000 el flujo es turbulento. El número de Reynolds está de 000 e ujo es tu bu e to. ú e o de ey o ds estáen función de la velocidad, densidad y viscosidad del fluido.C l l id d d i l lCon las velocidades de aire que normalmente prevalecen en la mina casi siempre hay flujo turbulento.

Fórmula de AtkinsonFórmula de AtkinsonEntre las pérdidas de presión, estadísticamente la fricción representa de un 70 a un 90 % de todas las pérdidas.

AKPLVH f

2

=o, Af

3

2

AKPLQH f =

donde, K = factor de fricción en kg/m3

P = perímetro en metros; L = longitud en metros2A = área en m2

Q = caudal de aire en m3/s

El Factor de Fricción KEl Factor de Fricción, K

Para convertir el factor de fricción del Sistema Internacional al Sistema Común (inglés), se usan las siguientes relaciones basadas en un peso específico estándar del aire de: 1 2014 kg/m3específico estándar del aire de: 1.2014 kg/m3

(0.075 lb/pie3):1 x 10-6 kg/m3 = 0 5391 lb·min2/pie41 x 10 kg/m 0.5391 lb min /pie1 lb·min2/pie4 = 1.855 x 106 kg/m3

El valor de K es directamente proporcional a la densidad del aire.

Los factores de fricción son diferentes enLos factores de fricción son diferentes en diferentes minas, por lo que lo más correcto es determinarlos midiendo en una zona adecuada de la mina la caída de presión, utilizando la fórmula de Atkinson.Otra manera de determinar el factor de fricción es obteniéndolos a través de tablas (McElroy, Kh k N ti l C l B d I tit tKharkar, National Coal Board, Instituto Australiano de Minería y Metalurgia, McPherson, etc )etc.)

Factor de fricción K para vías de aire y obras en minas que no sean de carbón

Valores promedio de factores de fricción (Referido a una densidad de aire de 1.2 kg/m3) y coeficientes de fricción

(Independientes de la densidad del aire (por M McPherson)

Factor de fricción k Factor de f i ió k Coeficiente de fricción f

(Independientes de la densidad del aire (por M. McPherson)

Factor de fricción k fricción k Coeficiente de fricción f

lb · min2/pie4 x10-10 kg/m3 (sin dimensiones)

Obras rectangulares

Revestidas de concreto liso 22 0.004 0.0067

Zarpeadas 30 0.0055 0.0092

Con concreto, no lisas, únicamente con pequeñas irregularidades 49 0.009 0.015

Vigas en mampostería o paredes de concreto 51 0.0095 0.0158

sin revestimiento condiciones típicas sin irregularidades importantes 65 0.012 0.02

Sin revestimiento tablas irregulares 75 0.014 0.023S e est e to tab as egu a es 5 0 0 0 0 3

Sin revestimiento condiciones ásperas o irregulares 86 0.016 0.027

Vigas sobre postes 102 0.019 0.032

Obra con tablas irregulares piso escalonadoObra con tablas irregulares, piso escalonado, pasamanos 216 0.04 0.067


F t d f i ió k Factor de Coeficiente de


Factor de fricción k fricción k fricción f

lb · min2/pie4 x10-10 kg/m3 (sin dimensiones)

Obras con arcos de acero

concreto todo alrededor 22 0.004 0.0067

Enladrillado entre los arcos todo alrededor 32 0.006 0.01

Placas de concreto o tablones de madera entre arcos todo alrededor 40 0.0075 0.0125

Placas o tablones de madera entre arcos 49 0.009 0.015

Con tablones de madera atrás de los arcos 65 0.012 0.02

Arcos mal alineados condiciones ásperas 86 0 016 0 027Arcos mal alineados, condiciones ásperas 86 0.016 0.027


(Independientes de la densidad del aire (por M. McPherson)(Independientes de la densidad del aire (por M. McPherson)

Factor de fricción k Factor de fricción k Coeficiente de fricción f

lb · min2/pie4 x 10-10 kg/m3 (sin dimensiones)/p 0 g/ ( )

Minas metálicas

Obras a nivel arqueadas con malla y tornillos 54 0.01 0.017

Rampas arqueadas con malla y tornillos 75 0.014 0.023

Contrapozo rectangular sin ademe, con malla y tornillos 70 0.013 0.022

Contrapozo Robbins 27 0.005 0.008

Obra con banda transportadora 75 0.014 0.023

Obra a nivel desarrollada con topo 24 0 0045 0 0075Obra a nivel desarrollada con topo 24 0.0045 0.0075




lb · min2/pie4 x 10-10 kg/m3 (sin dimensiones)lb min /pie x 10 kg/m (sin dimensiones)

Mina de carbón: rectangulares, cielo atornillado

Entrada de aire limpias 49 0.0209 0.015

Retornos, algunas irregularidades / caídos 54 0.01 0.017

Galerías de banda 27 a 59 .005 a .011 .0083 a .018

Galerías con huacales 270 a 755 .05 a .14 .08 a .23Galerías con huacales 270 a 755 .05 a .14 .08 a .23


(Independientes de la densidad del aire (por M McPherson)(Independientes de la densidad del aire (por M. McPherson)


lb · min2/pie4 x 10-10 kg/m3 (sin dimensiones)

Tiros1

Revestidos, lisos sin obstrucciones 16 0.003 0.005

Revestidos con ladrillo, sin obstrucciones 22 0.004 0.0067

Revestidos con concreto, guías de cable, tuberías con coples 35 0.0065 0.0108

Revestidos con ladrillo guías de cable tuberías conRevestidos con ladrillo, guías de cable, tuberías con coples 40 0.0075 0.0125

Sin revestimiento, superficie bien cortada 54 0.01 0.0167

Sin revestimiento, recortadas las irregularidades grandes 65 0.012 0.02

Sin revestimiento, malla atornillada 75 0.014 0.023

Revestidos con tubería sin coples 38 a 75 .007 a .014 .0012 a .023

Revestidos con ladrillo, vigas en dos naves 97 0.018 0.03

Vigas en dos naves enlazadas 118 0.022 0.037


(Independientes de la densidad del aire (por M McPherson)(Independientes de la densidad del aire (por M. McPherson)


lb · min2/pie4 x 10-10 kg/m3 (sin dimensiones)

Frente larga con transportador blindado y ademes caminantes2

Condiciones buenas tope liso 189 0 035 0 058Condiciones buenas, tope liso 189 0.035 0.058

Condiciones típicas, carbón en el blindado 270 0.05 0.083

Condiciones ásperas, frente desalineada 350 0.065 0.108

Manga y ductos de ventilación3

Manga ahulada colapsable (únicamente en sistemas de inyección) 20 0.0037 0.0062

Manga colapsable con refuerzo espiral 59 0.011 0.018

Fibra de vidrio 13 0.0024 0.004

Acero galvanizado espiral 11 0.0021 0.0035

Factor de fricción K para vías de aire y obras en minas que no sean de carbón

Valores de k para vías de aire circulares ( NCB, 1979)

Kg/m3 lb·min2/pie4Kg/m3

Valores de k para vías de aire circulares ( NCB, 1979)

Kg/m3 llb·min2/pie4

El Instituto Australasiano de Minería y Metalurgía, 1993

Tiros lb · min2/pie4

presenta los siguientes valores k:

De concreto, sin obstrucciones 16

Revestimientos de ladrillo, sin obstrucciones 19

De concreto con guía de cable 35 - 324

Revestido con listones de madera 76

Revestido de concreto, guías y divisiones de acero 40 - 342

Ademe de madera, rectangular 243 - 486

Roca desnuda 97 - 108Roca desnuda 97 108

Contrapozo rimado 27

FrentesFrentes

Roca desnuda (anclada), transporte 43 - 65

Frente de banda transportadora (roca desnuda) 124

Zarpeada, transporte 51

Roca desnuda, banda transportadora y vía combinadas 97

Roca desnuda, banda y vía transportadas con madera 81 - 119

Arqueada y enrajada (transporte) 27

Potencia de Aire, Potencia mecánica y Eficiencia

La potencia de aire es una medida de la potencia entregada al aire para superar las pérdidas de presión en su conducción:

en kWHQPa =o,

en Hp

η1000a

2.5 HQHQP == en Hp

H en pascales (pulgadas de agua)3 3

ηη 6346000,33Pa ==

Q en m3/s (pies3/minuto, pcm)η = eficiencia del ventilador

La potencia mecánica entregada para accionar elLa potencia mecánica entregada para accionar el abanico se denomina como potencia al freno, Pm, o bhp. Esta potencia se debe medir al mismo tiempo que se mide la presión y el caudal y se mide en kw.Se llama eficiencia mecánica a la razón de la potencia de aire entre la potencia al freno.

Densidad del AireDensidad del AireNormalmente la densidad del aire, w, no se mide sino que se determina a través de otras propiedades. La fórmula se deriva a partir de la ley general de los gases:

( )'37801 ( )378.0287.0 vb

d

ppT

w −=

( )'378.0325.1vb pp

Tw −=

Siendo w la densidad del aire en kg/m3 (lb/pie3)Td = temperatura bulbo seco absoluta °K (°R)

dT

Td temperatura bulbo seco absoluta K ( R)pb = presión barométrica en kPa (pulgadas Hg)

= presión vapor de agua a punto de rocío kPa'vp

Presión dinámicaPresión dinámica

En un sistema de ventilación normalmente hay ycambios de área de sección transversal y por lo mismo de velocidad.

d l d lli hDe acuerdo al teorema de Bernoulli hay conversiones de presión estática a presión dinámica y viceversadinámica y viceversa.En la descarga del sistema de ventilación la presión dinámica se disipa en la atmósfera y por eso se considera como una pérdida de presión en ese punto.

La fórmula de la presión dinámica es:

gwVHv 2

2

=

Hv en pascalesoo,

( )( )( )

2

2

2

109860232225⎟⎠⎞

⎜⎝⎛==

VwxwVHv

Hv en pulgadas de agua

( )( )( ) 1098602.3222.5 ⎠⎝x

Pérdida de presión por choquePérdida de presión por choque

Hay pérdidas por choque debido a cambios deHay pérdidas por choque debido a cambios de dirección, cambios de área de la sección transversal y por obstrucciones.Por lo general las pérdidas por choque son nada mas de un 10 a un 30 % de la pérdida total de cabeza.McElroy, 1935 y Hartman, 1960 desarrollaron fórmulas empíricas para calcular pérdidas por choque.

Otras maneras de calcular las pérdidas por choque son:Aumentando a criterio el factor de fricciónAumentando una longitud que equivalga a variasAumentando una longitud que equivalga a varias fuentes de pérdida por choqueAumentando a criterio la longitud en un 10 a un u e do c e o o g ud e u u30 %.

El método de Longitud Equivalente es práctico para cálculos de rutina y se puede integrar a la fórmula de Atkinson para obtener en un solo cálculo las pérdidas por fricción y choque (fórmula compuesta):

en pascales o

( )3

2

AQLLKPHHH e

xfl+

=+=en pascales, o

( ) 2QLLKPHHH efl

+=+=

en pulgadas de agua.

32.5 AHHH xfl +

Longitud equivalente de varias fuentes de perdida por choque

Ejemplo 2 - 1Ejemplo 2 1

Calcule la pérdida por fricción y choque de lasCalcule la pérdida por fricción y choque de las vías de aire de la mina indicada en el diagrama, las pérdidas de cabeza del sistema y las cabezas de mina. Las secciones y longitudes de las obras se indican en la tabla. En el c.p. Robbins hay un

t t d 4’ d diá t El d l d i lextractor de 4’ de diámetro. El caudal de aire en la mina es 60,000 pcm y la densidad del aire es de 0 060 lb/pie3 Para los factores de fricción0.060 lb/pie . Para los factores de fricción tomados de tabla se indica la corrección por densidad del aire.

Krpa.=(120x10-10)(0.93*)(0.060/0.075)= 80 x10-10

Kftes Y cros =(125x10-10)(0.060/0.075)=100x10-10ftes. Y cros. ( )( )

Kcontrapozo=(30x10-10)(0.060/0.075)=24x10-10

Krebs.=(140x10-10)(0.93*)(0.060/0.075)=104x10-10

*Corrección al factor de fricción por área de sección transversal grande (F. Bossard)

De la tabla escoja las longitudes equivalentes y calcule la pérdida combinada. Observe que la pérdida de presión dinámica es en la descarga del ventilador y que cuando la cantidad de aire y el factor de fricción son iguales para y g pvarías vías de aire, se pueden agrupar las vías de aire que tengan la misma sección (2-3,3-4 y 5-6), el cálculo de este grupo de vías de aire servirá como ilustración para lasgrupo de vías de aire servirá como ilustración para las demás vías de aire.

( )( )( )( )00060157124910100 210x −( )( )( )( )( )

.."16.06.1502.5

000,6015712.49101003 acxH f ==

La presión dinámica en la descarga del extractor es:Diámetro extractor = 4’; Área = 12.57 pies2

Velocidad = 60,000/12.57 = 4,773 pies/min

.."13.1098,1773,4060.0

2

acH v =⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=, ⎠⎝

Capítulo 3 Instrumentos, Mediciones y Mapas

En el aspecto cuantitativo de la ventilación esEn el aspecto cuantitativo de la ventilación es esencial medir la velocidad del aire para determinar el caudal de aire, su presión, temperatura y densidad. En el aspecto cualitativo es vital medir la temperatura, densidad y otras

i d d i ét ipropiedades psicrométricas.Otro aspecto de la necesidad de medir la velocidad d l i l ti id d b l id ddel aire es la normatividad sobre velocidades máximas y mínimas para confort y control de gases y polvosgases y polvos.

Velocidad del aireVelocidad del aire

Para medir la velocidad los instrumentos miden la presión, o el efecto mecánico del aire sobre p ,objetos movibles o en movimiento, o el enfriamiento que proporciona el aire en movimiento.La gran mayoría de los instrumentos se pueden usar en cualquier mina, pero en las minas de carbón hay que usar instrumentos permisibles.

Tubo de humo. Se usa para medir velocidades bajas y consiste de un tubo flexible de plástico, j y p ,que contiene por separado, dentro de envolturas rompibles, piedra pómez y un reactivo. Estos elementos al entrar en contacto generan un humo blanco.Las mediciones de velocidad con tubo de humo tienen una exactitud del 70 al 90 %.

Anemómetro de Aspas. Se usa para medir rangosAnemómetro de Aspas. Se usa para medir rangos intermedios o altos de velocidades. Consiste en un juego de aspas radiales (8 a 4) montadas sobre una flecha conectada a un mecanismo de engranes, un sistema de embrague, manecillas indicadoras y un i t l l ill i di dsistema para volver las manecillas indicadoras a

cero.L ill i di d i t l fl j tLas manecillas indicadoras integran el flujo en tres cuadrantes.

Anemómetro de Aspas

La manecilla principal indica la velocidad de 0 a p p100 pies/minuto, las otras dos indican la velocidad en cientos y en miles respectivamente.

d dLos anemómetros son exactos dentro de un estrecho rango de velocidades pero, comúnmente se usan para medir un rango amplio dese usan para medir un rango amplio de velocidades, por lo que el fabricante proporciona una tabla de correcciones.El rango de exactitud del anemómetro es de 80 –90 %.

Debe aplicarse una corrección cuando hay una diferencia de más del 5 % entre la densidad del %aire a la que se calibra el instrumento y la densidad del aire a la que se toma la lectura.

Velómetro. Se usa ampliamente en ventilaciónVelómetro. Se usa ampliamente en ventilación industrial para medir la velocidad del aire en ductos, rejillas, campanas, difusores, etc., aunque también se usa en la mina.Se basa en el efecto mecánico del aire en movimiento y consiste en una veleta o aspa montada en una joya, como en los relojes. La

l t tá bi d j t lveleta está ubicada en un pasaje rectangular y conectada a una aguja indicadora que se mueve dentro de una caja de plástico transparentedentro de una caja de plástico transparente.

Velómetro

Al medir con el velómetro el aire entra por un porificio y flexiona la veleta, la desviación es proporcional a la velocidad del aire que la aguja indicadora m estra en el c adranteindicadora muestra en el cuadrante.El instrumento tiene medidores intercambiables para diferentes rangos de velocidades y tienepara diferentes rangos de velocidades y tiene varias escalas.Su inconveniente es que mide puntualmente, no integra y por eso no puede dar una lectura de velocidad promedio.

Tubo PitotTubo Pitot

Es un instrumento que usado en conjunción con unEs un instrumento que usado en conjunción con un manómetro mide presiones. Midiendo la presión dinámica se calcula con la fórmula de presión dinámica la velocidad.Tiene una exactitud de 90 – 98 %.Se usa para medir velocidades altas en la mina (arriba de 700’/min) sobre todo de ventiladores y casi exclusivamente en instalaciones de laboratorios de prueba de ventiladores.

El instrumento consiste en dos tubos concéntricosEl instrumento consiste en dos tubos concéntricos con un doblez en forma de L, los tubos se unen en el lado corto de la L formando una punta roma. El tubo exterior, cerca de la punta, tiene pequeñas perforaciones por donde puede entrar el aire. El t b i t tá bi t l d t ltubo interno está abierto por los dos extremos; el tubo externo está abierto por el lado largo de la L y cerrado por el lado cortoy cerrado por el lado corto.Con el tubo Pitot y el manómetro se puede medir las presiones total estática y dinámicalas presiones total, estática y dinámica.

Tubo Pitot

Conecciones del Tubo Pitot para medir presiones estática,dinámica y total

Con el tubo Pitot se mide la presión dinámica en un punto, por lo que se deben tomar varias lecturas p , p qpara calcular la velocidad promedio. Hay que promediar las raíces cuadradas de la presión dinámica, ya que la fórmula con que se calcula la velocidad no es una relación lineal.

Termoanemómetros. Estos anemómetros midenTermoanemómetros. Estos anemómetros miden la velocidad relacionándola con la rapidez con que el aire enfría o disipa el calor de un elemento, ya sea un termómetro o un alambre calentado eléctricamente.Tiene una exactitud de 80 – 95 %.Los termoanemómetros de alambre caliente tienen un filamento de alambre conectado a una pila eléctrica.

Los termoanemómetros de alambre caliente son de dos tipos. En un tipo se mantiene constante la

d l il i d l itemperatura del filamento variando la corriente. En el otro tipo se mantiene constante la corriente y se deja variar la temperatura del filamentose deja variar la temperatura del filamento.El termométro Kata mide la capacidad de enfriamiento del aire y con ello la velocidad del mismo.

Termómetro KataTermómetro Kata

La lectura del termómetro seco proporciona el poder de enfriamiento debido a la radiación y conducción. La lectura del termómetro húmedo incluye el efecto de evaporación y es una guía másincluye el efecto de evaporación y es una guía más útil del poder de enfriamiento respecto al cuerpo humano

El termómetro tiene dos bulbos que contienenEl termómetro tiene dos bulbos que contienen alcohol, unidos por un vástago graduado de 95° a 100 °F ó de 130° a 135 °F.Para medir se sumerge el bulbo inferior en agua caliente para que el alcohol suba al bulbo superior, se suspende el instrumento en la corriente de aire y se mide el tiempo en que se enfría el intervalo de 5 °F C d i t t ti f t S id l5 °F. Cada instrumento tiene un factor. Se mide la velocidad en un nomograma con el tiempo, el factor y la temperatura de bulbo secofactor y la temperatura de bulbo seco.

Gas Traza. Mas que un instrumento es unaGas Traza. Mas que un instrumento es una técnica que requiere de una bomba de gas, un gas traza que puede ser hidrógeno, ozono, óxido nitroso o bióxido de carbono, un muestreador de gas y un analizador del contenido de gas.Se inyecta en la corriente de aire una masa conocida de gas traza. Se muestrea el aire hasta

l t ió d l t á ti tque la concentración de la traza sea prácticamente nula. Se construye una curva concentración-tiempo y se calcula el área debajo de la curvatiempo y se calcula el área debajo de la curva.

Caudal de AireCaudal de Aire

Habiendo determinado la velocidad se calcula con la fórmula:

Q = AVGeométricamente se calcula el área de la vía deGeométricamente se calcula el área de la vía de aire. Cuando el área es irregular se puede dividir en áreas regulares, calcular esas áreas y sumarlas. Se pueden usar métodos fotográficos cuando la determinación requiere de mucha precisión.

Presión de AirePresión de Aire

Después de la velocidad es la propiedad física del p p paire más medida. El caudal y la presión de aire necesaria para superar las pérdidas de cabeza determinan el req erimiento de energía deldeterminan el requerimiento de energía del sistema.Las presiones atmosféricas o barométricas seLas presiones atmosféricas o barométricas se miden con barómetros y las manométricas con manómetros.Los barómetros pueden ser de mercurio, aneroides o especiales.

Barómetros de mercurio. Pueden ser de cisternaBarómetros de mercurio. Pueden ser de cisterna o de sifón; los de cisterna consisten en un tubo de vidrio graduado cerrado por un extremo al que se le ha practicado el vacío, sumergido en un depósito de mercurio; el de sifón es un tubo U de

id i d t ll i l tvidrio cerrado por un extremo lleno parcialmente de mercurio; al extremo cerrado se le ha practicado el vacío y el otro extremo está abierto apracticado el vacío y el otro extremo está abierto a la atmósfera.

Barómetro aneroide. Se usan mucho en las minasBarómetro aneroide. Se usan mucho en las minas para medir presiones atmosféricas. El corazón del aneroide es un diafragma hermético al que se le ha extraído parte del aire, por lo que la presión dentro del diafragma es menor a la atmosférica. Un

t t d l jresorte conectado por palancas a una aguja indicadora impide que el diafragma se colapse. El movimiento del diafragma se transmite a la agujamovimiento del diafragma se transmite a la aguja que indica la presión en una carátula.

Barómetro Aneróide para medir presiones atmosféricas

Manómetros. En ventilación es más necesario conocer la diferencia de presión entre dos puntos que la presión atmosférica o absoluta en esos p ntos a q e esa diferencia de presión es la q epuntos, ya que esa diferencia de presión es la que produce flujo.La diferencia de presión se mide directamente conLa diferencia de presión se mide directamente con un manómetro o, indirectamente con un barómetro/altímetro.Los manómetros miden la presión por la diferencia en elevación entre dos superficies de un líquidolíquido.

El manómetro más sencillo es el tubo “U”. En este manómetro la superficie líquida sobre la que se p q qejerce la mayor presión se deprime y la superficie sobre la que se ejerce la menor presión se eleva.Con la diferencia de elevación entre las superficies líquidas y la densidad de liquido se calcula la presión.

En el manómetro de cisterna el área de la sección transversal del depósito es varias veces pmayor que el área del tubo graduado de medición, para magnificar en el tubo la diferencia en elevación entre las superficies líquidas. La graduación del tubo está diseñada y marcada para dar directamente la lectura en presión o en cabeza de presión.

El manómetro Magnehelic trabaja como unEl manómetro Magnehelic trabaja como un barómetro aneroide pues tiene un diafragma sostenido en posición por un resorte. En un lado del diafragma hay un imán y junto al imán hay una hélice, conectada a una aguja indicadora de

ió d t i l fi dpresión en un cuadrante, que gira con el fin de mantener una abertura constante entre ella y el imán Al haber un cambio de presión se mueve elimán. Al haber un cambio de presión se mueve el diafragma y la hélice y la aguja indicando la presión.p

Manómetro Magnehelic

Temperatura del AireTemperatura del Aire

La temperatura medida con un termómetro deLa temperatura medida con un termómetro de mercurio común es la temperatura de bulbo seco td que es, a la vez, la temperatura sensible. La temperatura de bulbo húmedo tw mide la capacidad de evaporación del aire.Si el ambiente no está saturado la temperatura de bulbo húmedo es inversamente proporcional a la

ió d l d t lpresión del vapor de agua presente en la atmósfera.

Las temperaturas de bulbo seco y de bulbo húmedo se miden con el psicrómetro de honda.pEl psicrómetro consiste en dos termómetros de mercurio idénticos montados en una armazón rígida conectada por una articulación giratoria a un mango que le permite girar libremente.

Psicrómetro de Honda

Densidad del AireDensidad del Aire

La densidad del aire es una propiedad que por lo general se calcula a partir de las temperaturas de g p pbulbo seco, húmedo y presión barométrica.

Levantamientos y MedicionesLevantamientos y Mediciones

Para determinar los caudales, densidades de aire,Para determinar los caudales, densidades de aire, pérdidas de presión y resistencia de las vías de aire es necesario hacer un levantamiento de velocidades de aire, diferencias de presión, temperaturas de bulbo seco y húmedo y di i d l í d i l t ddimensiones de las vías de aire en los puntos de medición.L l id d d l i d di d tLa velocidad del aire se puede medir de tres maneras, dos de ellas se ilustran en la siguiente figurafigura.

Métodos para medir la velocidad del aire

En el tercer método se mide la velocidad en elEn el tercer método se mide la velocidad en el centro de la obra y se multiplica por 0.8. Este método se usa sólo cuando se necesita una medición rápida y aproximada.Para medir la velocidad en un conducto circular y en ventiladores el instrumento idóneo es el tubo Pitot. Para medir se trazan ejes perpendiculares,

l t ti l h i t l l li lgeneralmente vertical y horizontal y se localiza la intersección de los círculos alternos con los ejes.

Puntos de medición con Tubo Pitot en ventiladores y ductos circulares

Para calcular los radios de los círculos de igual área, es i l l l di d l í l ltnecesario calcular los radios rx de los círculos alternos.

x 12 −N

rrx 2=

r es el radio del ductox es el número de lectura de un grupo de lecturasN es el número de círculos alternos (2N es el número deN es el número de círculos alternos (2N es el número de áreas iguales. Para 20 lecturas se necesitan N = 20/4 = círculos alternos (o sea, 10 áreas iguales).

Levantamientos de presiónLevantamientos de presión

Los levantamientos de presión miden la diferencia de presión entre dos puntos utilizando un p pmanómetro, método directo o, miden la presión absoluta en los puntos usando un barómetro, método indirecto.

En el método directo se tiende una manguera flexible entre los puntos donde se va a medir la pdiferencia de presión. En un extremo de la manguera se conecta un manómetro y el otro extremo se coloca perpendicular al flujo de aire, porque hay que medir presiones estáticas.

Midiendo presiones con Tubo Pitot y Manómetro; manómetros digitales

En el método indirecto se usa un barómetro aneroide de precisión o un altímetro. En este pmétodo se puede obtener la diferencia de presión entre dos puntos de una vía de aire, pero estas son presiones estáticas absolutas y hay que calcular la diferencia de cabeza y convertirla a presión.

En los dos métodos los levantamientos se puedenEn los dos métodos los levantamientos se pueden hacer de dos maneras. En una técnica se hace a “saltos” con dos instrumentos en el interior de la mina, donde se toman lecturas simultáneamente en estaciones contiguas. En este método el i t t d t i t linstrumento precedente se convierte en el instrumento que avanza en cada medición sucesivaL l t t l i h l dLas lecturas se toman a la misma hora en las dos estaciones. Este método toma mucho tiempo.

En la otra técnica llamada de una sola base se usan dos instrumentos. Con un instrumento se toman lecturas en las varias estaciones de la mina, en tanto que el otro instrumento permanece fijo en una base que puede ser eninstrumento permanece fijo en una base, que puede ser en superficie o en una estación de la mina, tomando las lecturas de los dos instrumentos a una hora convenida de antemano.En las dos técnicas hay que corregir las lecturas de altímetro por cambios en la presión atmosférica poraltímetro por cambios en la presión atmosférica, por variaciones en la velocidad del aire y por diferencias de elevación.

MapasMapas

Se debe hacer un levantamiento completo deSe debe hacer un levantamiento completo de ventilación y plasmarlo en mapas.En los mapas se debe consignar dirección, caudal p g ,y temperatura de los flujos de aire, ubicación y características de los ventiladores primarios, secundarios y auxiliares con diámetro de manga, volúmenes y presión del aire, y los controles de

til ió t t i tventilación como puertas, tapones, registros, puentes de aire, etc.

Además se deben registrar las fuentes yAdemás se deben registrar las fuentes y temperaturas de agua subterránea y de acequias, si éstas están tapadas o descubiertas, obstrucciones, caídos, áreas de falla, áreas ademadas, piletas y estaciones de bombeo y subestaciones con las

t í ti d l b b d lcaracterísticas de las bombas y de los transformadores, talleres diesel y mecánicos; en resumen hay que registrar todo aquello que afectaresumen hay que registrar todo aquello que afecta la ventilación.

Símbolos de ventilación para registrar datos de ventilación en mapas

Capítulo 4 Circuitos de VentilaciónCapítulo 4 Circuitos de Ventilación

Como en hidráulica y electricidad en ventilación de minas hay dos circuitos básicos: en serie y en y yparalelo.Los circuitos complejos se construyen a partir de p j y pcombinaciones de circuitos básicos, utilizando las fórmulas del capítulo 2.

Analizando la fórmula de Atkinson, la fórmula compuesta y la fórmula de la presión dinámica podemos ver que en una vía de aire o en una mina si las dimensiones y factoresuna vía de aire o en una mina si las dimensiones y factores de fricción permanecen constantes, entonces la pérdida de cabeza o presión es directamente proporcional al cuadrado de la cantidad, esta relación es conocida como “fórmula cuadrática”:

H H H H Q2∝

Hl, Hs,Hv, Ht Q

Curva CaracterísticaCurva Característica

Si conocemos la presión en una vía de aire o en una mina para una cierta cantidad de aire y con base en la relación cuadrática podemos determinar nuevas cabezas sin tenercuadrática podemos determinar nuevas cabezas, sin tener que hacer el cálculo extenso con la fórmula modificada de Atkinson, para un nueva cantidad de aire con la fórmula:

2

2⎟⎟⎞

⎜⎜⎛QHH

1

212 ⎟⎟

⎠⎜⎜⎝

=QQHH

La fórmula anterior permite calcular la presiónLa fórmula anterior permite calcular la presión para cualquier cantidad de aire. Como la presión está en función de la cantidad, podemos dibujar puntos en un sistema de coordenadas de presión y cantidad. Uniendo los puntos obtenemos una

áb l E t tcurva, una parábola. Esta curva representa y caracteriza la relación entre presión y cantidad de la vía de aire o de toda la mina por lo que se lela vía de aire o de toda la mina, por lo que se le conoce como curva característica.

Ejemplo 4 - 1Ejemplo 4 1Construya la curva característica del Ejemplo 2-1y j pSabiendo que Q = 60,000 pcm; Hs = 1.20”c.a. yHt = 2.33” c.a. calculamos las nuevas presiones variando la

id d Qcantidad Q.

.."30.0000,60000,3020.1

2

2acHs =⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛=

Si Q = 30,000 pcm

, ⎠⎝

"580000,303322

acH =⎟⎞

⎜⎛= ..58.0

000,6033.2

2acHt =⎟

⎠⎜⎝

=

Calculando puntos adicionales tenemos:Calculando puntos adicionales tenemos:Q,pcm Hs, pulg. c.a. Ht, pulg. c.a.

0 0 00 0 030,000 0.30 0.5860 000 1 20 2 3360,000 1.20 2.3390,000 2.70 5.24

120 000 4 80 9 32120,000 4.80 9.32

Ht Hs

Curvas características de la minaCurvas características de la mina

ResistenciaResistenciaLa proporcionalidad H Q2 se puede poner en forma de ∝p p Q p pecuación insertando una constante de proporcionalidad R, así tenemos que

H = RQ2H = RQ2

que es la fórmula de Atkinson si

( )[ ] ( )[ ]LLKPó

( )[ ]3A

LLKPR e+=

( )[ ]32.5 ALLKPR e+

=

Las unidades de R son N · s2/m8 (pulg.· min3/pie6)

Hay una semejanza entre la ecuación de AtkinsonHay una semejanza entre la ecuación de Atkinson y la ley de Ohm.Atkinson: La pérdida de presión es igual a la p p gresistencia por el cuadrado del caudal de aire.Ohm: La diferencia de potencial o voltaje, entre p j ,dos puntos cualquiera, es igual a la resistencia por la corriente que fluye a través del conductor.Atkinson es una relación al cuadrado.Ohm es una relación lineal.

De lo anterior vemos que la pérdida de presión es análoga al voltaje, la cantidad a la corriente y la g j , yresistencia de la vía de aire a la resistencia del conductor.Esto permite usar algunas de las técnicas de los circuitos eléctricos para analizar circuitos de ventilación.

Leyes de KirchhoffLeyes de Kirchhoff

Son leyes para resolver problemas de redes oSon leyes para resolver problemas de redes o circuitos de conductores eléctricos.1ª Ley: La suma de las intensidades de todas las ycorrientes que concurren en un solo punto es igual a cero. (La cantidad de aire que concurre o se aleja de un punto o nudo es igual a cero).

2ª Ley: La suma de las caídas de presión en un circuito cerrado es igual a cero.

Para la 1ª Ley podemos adoptar la convención de que la cantidad de aire saliendo de un nudo es

i i l id d d ipositiva y la cantidad entrando es negativa.

P l 2ª L id iti l íd dPara la 2ª Ley consideraremos positiva la caída de presión en el sentido de las manecillas del reloj. Una fuente de presión en el circuito se considera U ue e de p es ó e e c cu o se co s deuna presión negativa si el flujo de aire que induce es en dirección positiva y viceversa.

dd c

Circuito cerrado con fuente de presiónCircuito cerrado con fuente de presión

Ejemplo 4 - 2Ejemplo 4 2En el circuito cerrado de la figura encuentre las cantidades gde aire fluyendo a través de ab, bc y cdla presión del ventilador es de 2.5” y la resistencia de las obras es de 1 3 x 10-10 pul min2/pie6obras es de 1.3 x 10-10 pul·min2/pie6.Es evidente que: Qab= Qbc= Qcd= Qda= Q y queR b = Rb = R d = Rd = 1 3 x 10-10 agrupandoRab Rbc Rcd Rda 1.3 x 10 , agrupando

∑ Hl = 1.3 x 10-10 x 4 x Q2 – 2.5 = 0

x1052 10

pcmxQ 337,692.5105.2

==

Circuitos en SerieCircuitos en Serie

Un circuito en serie es aquel en el cual las vías de aire están dispuestas una tras de otra.En un circuito en serie el caudal de aire que fluye por unaEn un circuito en serie el caudal de aire que fluye por una vía de aire es el mismo que fluye por cualesquiera otra vía.En un circuito en serie la pérdida total de cabeza es igual a p gla suma de las pérdidas de presión de las vías de aire individuales.

....321+++= llll HHHH

Resistencia Equivalente de un Circuito en Serie

Expresando la ecuación anterior en términos de resistencia y caudal tenemos

H = R Q2 + R Q2 + R Q2 +Hl = R1Q2 + R2Q2 + R3Q2 + …

Hl = (R1 + R2 + R3 + )Q2 = R Q2Hl (R1 + R2 + R3 + …)Q Req.Q

RRRHR l ...3212. +++== RRRQ

R leq

a) Ramales en serie; b) Ramal equivalente


Calcule la resistencia equivalente y la presiónCalcule la resistencia equivalente y la presión estática del circuito del ejemplo 2-1 si la cantidad es 60,000 pcm. Las resistencias son:R1-2= 0.87x10-10; R2-3= 0.12x10-10; R3-4= 0.12x10-10

R4-5= 0.21x10-10; R5-6= 0.20x10-10; R6-7= 0.35x10-10

R7-8= 0.04x10-10; R8-9= 1.44x10-10

Req=(0.87+0.12+0.12+0.21+0.20+0.35+0.04+1.44)10-10=3.35x10-10

Hs= Req.Q2 = (3.35 x 10-10)(60,000)2 = 1.21” c.a.

Curvas Características de un Circuito en Serie

Circuitos en ParaleloCircuitos en Paralelo

Cuando dos o más vías de aire están dispuestas en paralelo, la cantidad total del sistema es la suma de los caudales fluyendo por las vías individualesfluyendo por las vías individuales.De la 1ª Ley de Kirchhoff tenemos:

Q = Q1 + Q2 + Q3 +Q Q1 + Q2 + Q3 + …

De la 2ª Ley de Kirchhoff se desprende que

...321==== llll HHHH

Resistencia Equivalente para un Circuito en Paralelo

Utilizando la 1ª Ley y la fórmula de Atkinson

321

2

RH

RH

RHQ lll ++=

321 RH

RH

RHQ lll ++=

Introduciendo una resistencia equivalente

321

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=

321

111RRR

HQ l

Introduciendo una resistencia equivalente

321.

1111RRRReq

++=

De lo anterior tenemos

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=1

l RHQ

⎟⎠

⎜⎝ .eqR

2⎞⎛

. 1111

⎟⎟⎟⎟⎞

⎜⎜⎜⎜⎛

=Req

321

111⎟⎠

⎜⎝

++RRR


En un circuito con cuatro obras en paralelo por lasEn un circuito con cuatro obras en paralelo por las cuales fluyen 120,000 pcm de aire, Encuentre la caída de presión en las obras y la cantidad de aire que fluye a través de cada una de las obras.La resistencia de las vías de aire es:Vía de Aire pulg · min2/pie6 x 10-10 (N · s2/m8)

1 20.00 (2.230)2 2.50 (0.279)3 3.20 (0.357)4 3 60 (0 402)4 3.60 (0.402)

2

1 ⎟⎞

⎜⎛

2 10 2 2

10621010. 10.lg102651.010

60.31

20.31

50.21

0.201

1 −−− ÷⋅=⎟⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜⎜

⎝+++

= xpiempuxxReq

Hl = Req.Q2 = (0.2651 x 10-10)(1.2 x 102)2 = 0.3817”c.a.

pcmxR

HQ l 815,131020

3817.0101 === − pcmQ 075,39

105023817.0

102 == −xR 10201 x1050.2 10

pcmQ 540,343817.0103 == pcmQ 570,323817.0

104 ==

Q=Q1+Q2+Q3+Q4=13,815+39,075+34,540+32,570=120,000

pcmx

Q 540,341020.3 103 −

px

Q ,1060.3 104 −

Regla para Repartir FlujosRegla para Repartir FlujosSi conocemos la cantidad total y las resistencias yindividuales en un circuito en paralelo, se puede encontrar el caudal de aire por cada vía de aire.

222

de donde

...222

211

2. === QRQRQReq

de donde

; ; Q3 = …..1 R

RQQ eq= .

2

RQQ eq=

11 R

22 R

QQ

Ejemplo 4 - 5Ejemplo 4 5Utilizando la fórmula de la regla para repartir flujos para encontrar la cantidad por cada obra del ejemplo anterior

816,13020

2651.0000,1201 ==Q0.20

076,3950.2

2651.0000,1202 ==Q

540,3420.3

2651.0000,1203 ==Q

568,3260.3

2651.0000,1204 ==Q

Vías de Aire Paralelas con Características Similares

Situación común en minas de carbón donde las galerías tienen la misma sección y factor de fricción. Siendo Na el número de vías paralelas:

N1 RR

NR

a

eq

=.

12.

aeq N

RR =

Manipulando lo anterior con la ecuación de Atkinson

( )( ) 2QLLPNK + ( )( ) 2QLLPNK +,ó( )( )( )3AN

QLLPNKHa

eal

+=

( )( )( )32.5 AN

QLLPNKHa

eal

+=

Curvas Características de Vías de Aire en Paralelo

Redes SimplesRedes Simples

Las obras de exploración, desarrollo, preparaciónLas obras de exploración, desarrollo, preparación y explotación forman una red. Por lo general estas redes distan de ser simples, mas bien son complejas.Las redes se resuelven como una combinación de circuitos en serie y en paralelo. Los circuitos en paralelo se reducen a circuitos en serie y estos se

bi l i it i h tcombinan con los circuitos en serie hasta que se reduce a un circuito en serie equivalente.

Ejemplo de reducción a una Red Simple

Reducción a una Red Simple - IReducción a una Red Simple I

Ejemplo de Reducción a una red simple - IIEjemplo de Reducción a una red simple II


Las resistencias de las vías de aire de la figura anterior son:Las resistencias de las vías de aire de la figura anterior son:

R1= 0.60 R5= 0.80 R9= 0.85 R13= 0.80 R17= 0.801 5 9 13 17

R2= 1.10 R6= 1.00 R10= 1.00 R14= 1.00 R18= 0.60R3= 1.10 R7= 0.80 R11= 0.80 R15= 0.80 R19= 1.60R4= 1.00 R8= 1.40 R12= 0.80 R16= 1.00

E t l i t i i l t d l i t lEncuentre la resistencia equivalente del sistema y la presión estática si el extractor es de 120,000 pcm

De la figura podemos ver que las vías de aire 4, 5, 7 y 12, g p q , , y ,13, 14 están en serie y que su resistencia equivalente es A y B respectivamente

RA= R4+ R5+ R7 = (1.00+ 0.80+ 0.80)10-10 = 2.60 x 10-10

R = R + R + R =(0 80+0 80+1 00)10-10 = 2 60 x 10-10RB= R12+ R13+ R14=(0.80+0.80+1.00)10 = 2.60 x 10

También podemos ver que RA y R6 y RB y R15 están en p q A y 6 y B y 15paralelo y que sus resistencias equivalentes son RC y RDrespectivamente

22⎞⎛

1010

22

10381.010111

111 −− =

⎟⎟⎟⎞

⎜⎜⎜⎛

=⎟⎟⎟⎞

⎜⎜⎜⎛

= xxRC

6 00.11

60.2111

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

+⎟⎟

⎠⎜⎜

⎝+

RRA

1010

22

10331.010111

111 −− =

⎟⎟⎟⎞

⎜⎜⎜⎛

=⎟⎟⎟⎞

⎜⎜⎜⎛

= xRD

15 80.01

60.2111

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

+⎟⎟

⎠⎜⎜

⎝+

RRB

D

Reduciendo las vías de aire en serie tenemos

RE= (R2+R3+RC+R8) = (1.10 + 1.10 + 0.381 + 1.40) x 10-10

= 3.981 x 10-10

R (R + R + R + R + R )RF = (R10 + R11 + RD + R16 + R17) == (1.00 + 0.80 + 0.331 +1.00 +0.80)x10-10=3.931x10-10

RF y R9 están en paralelo y su resistencia equivalente es RG

2

⎟⎞

⎜⎛

10102

10396.01085.0

1931.31

111 −− =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

⎟⎟⎟⎟

⎜⎜⎜⎜

+= xxRG

RG y R18 están en serie y su resistencia equivalente es9⎟⎠

⎜⎝ RRF

RH = RG + R18 = (0.396 + 0.60) x 10-10 = 0.996 x 10-10

Por último tenemos que RH y RE están en paralelo y su resistencia equivalente es RI

22⎞⎛⎞⎛

1010 10443.010111

111 −− =

⎟⎟⎟⎟⎞

⎜⎜⎜⎜⎛

+=

⎟⎟⎟⎟⎞

⎜⎜⎜⎜⎛

+= xxRI

996.0481.3 ⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

+⎟⎠

⎜⎝

+RR HE

La resistencia equivalente del circuito esRJ = R1+RI+R19 = (0.60+0.443+1.60)x10-10= 2.643x10-10

La presión estática de la mina esLa presión estática de la mina esHs de mina = Hl = RJQ2 = (2.643 x 10-10)(120,000)2 = 3.81”c.a.

Ejemplo 4 - 7Ejemplo 4 7Para el ejemplo anterior determine la cantidad que fluye por cada vía de aire.En la figura 4-8a se ve claro que por los ramales 1 y 19 fluye el volumen total de aire por lo quefluye el volumen total de aire, por lo queQ1 = Q19 = 120,000 pcmEn la figura 4-8g vemos que Q1 es el equivalente de QE y g g q Q1 q QE yQH (QG + Q18) en paralelo

RQQ eq 0004003040443.0000120. pcm

RQQ

E

eqE 000,40030,40

981.3000,120.

1 ≈===

pcmRR

QQH

eqIH 000,80030,80

996.0443.0000,120. ≈===

por lo tanto, QG = Q18 = 80,000 pcm yQ8 = QC = Q3 = Q2 = 40,000 pcmLas vías de aire en paralelo QF y Q9 se combinaron en la vía de aire equivalente QG por lo que

pcmQF 400,25391,25931.3396.0000,80 ≈==

396.0

por lo tanto Q = Q = Q = Q = Q = 25 400 pcm

pcmQ 600,54604,54850.0396.0000,809 ≈==

por lo tanto, Q10 Q11 QD Q16 Q17 25,400 pcmQC es la vía de aire equivalente en paralelo de QA y Q6de donde

3810 pcmQA 300,15312,15600.2381.0000,40 ≈==

3810 pcmQ 700,24690,24000.1381.0000,406 ≈==

por lo tanto, Q4 = Q5 = Q7 = 15,300 pcmp Q4 Q5 Q7 pQD es la vía de aire en paralelo de QB y Q15, por lo que

3310 pcmQB 100,9063,9600.2331.0400,25 ≈==

pcmQ 400,16338,16800.0331.0400,2515 ≈==

Q12 = Q13 = Q14 = 9,100 pcm

Redes ComplejasRedes Complejas

Cuando los circuitos no se pueden reducir a una pvía de aire equivalente porque los circuitos paralelos se traslapan y conectan entre sí, y por lo mismo no ha circ itos separados entonces sonmismo no hay circuitos separados, entonces son considerados como circuitos complejos.En la solución de redes complejas se aplica laEn la solución de redes complejas se aplica la ecuación de Atkinson y las leyes de Kirchhoff. En estas soluciones nudo es el punto donde tres o más

í d i l t dvías de aire concurren, ramal es un segmento de vía de aire entre dos nudos y malla es un anillo o trayectoria cerrada.t ayecto a ce ada.

En la figura se muestra una red compleja simple. Se puede ver que esta red no se puede reducir aSe puede ver que esta red no se puede reducir a una vía de aire equivalente con las técnicas de circuitos en serie y en paralelo.y p

La red tiene Nb = 6 ramales y Nj = 4 nudos con un b y jventilador en el ramal 1. Si conocemos la cantidad total de aire que se mueve en la red y las resistencias de los ramales entonces ha q eresistencias de los ramales, entonces hay que determinar la caída de presión en cada ramal (6), la dirección y cantidad del flujo de aire para cada y j pramal, excepto para el ramal 1, (5) y la cabeza estática del abanico (1). Como se ve tenemos 12 incógnitas (6+5+1) por lo que necesitamos doceincógnitas (6+5+1), por lo que necesitamos doce ecuaciones independientes. De la ecuación de Atkinson tenemos:

111 QQRHl = 222 QQRHl = 333 QQRHl =1111QQRHl

4444QQRHl =

2222QQl 3333

QQl

5555QQRHl = 6666

QQRHl =

U d l í d d bl d lUn teorema de topología de redes establece que de la primera ley de Kirchhoff se pueden derivar Nj - 1 ecuaciones independientes en este caso 3ecuaciones independientes, en este caso 3.

Nudo A: - Q1 + Q2 + Q3 = 0N d B Q Q Q 0Nudo B: - Q2 + Q4 + Q6 = 0Nudo C: - Q3 – Q6 + Q5 = 0

Otro teorema de topología dice que el númeroOtro teorema de topología dice que el número mínimo de mallas Nm que se puede escoger para resolver un problema de redes es:

Nm = Nb – Nj + 1en nuestro caso, Nm = 6 – 4 + 1 = 3; por lo que , m ; p qincluyendo la presión Hm del ventiladorMalla 1: - Hm + H1 + H2 + H3 + H4 = 0m 3 4

Malla 2: H3 – H6 – H2 = 0Malla 3: H6 + H5 - H4 = 06 5 4

Estas ecuaciones se pueden expresar en términosEstas ecuaciones se pueden expresar en términos de resistencias y cantidades.Como conocemos Q1 hay que determinar las Q1 y qdemás cantidades y la presión del ventilador. Con ecuaciones anteriores podemos acomodar las 5 cantidades en términos de dos incógnitas, Q3 y Q6.Q2 = Q1 - Q3

Q4 = Q2 - Q6 = Q1 - Q3 - Q6

Q5 = Q3 + Q6

Sustituyendo las ecuaciones de Q2, Q4 y Q5 en las ecuaciones anteriores obtendremos tres ecuaciones y tres incógnitas. Es evidente que la solución de estas ecuaciones lineales está por demás. Por esta razón, como una alternativa a una solución exacta, se han desarrollado técnicas it ti t d ét d diterativas para computadoras que usan métodos de aproximaciones sucesivas.

Distribución Regulada – Cálculo de las Dimensiones de un Regulador

Los reguladores disminuyen el área de secciónLos reguladores disminuyen el área de sección transversal y crean una pérdida por choque.Las pérdidas de cabeza en vías de aire paralelas p pson iguales (2ª ley de Kirchhoff), por lo cual hay que crear pérdidas por choque para que fluyan las cantidades requeridas de aire. La pérdida por choque se calcula restando la pérdida de cabeza de

d l l í d i l é did dcada ramal a la vía de aire con la mayor pérdida de cabeza (ramal libre).

El área Ar del regulador se calcula con la fórmular gAr = N A

siendo N razón del área del regulador al área de la vía de iaire.

ZXXZN

++=

2

Donde X es el factor de pérdida por choque, Z es el factor de contracción (tomada de tablas).

X = Hx/Hv

Hx es la pérdida por choque que debe crear el regulador

Ejemplo 4 - 8Ejemplo 4 8Encuentre el área del regulador si Q = 150,000 pcm, Hs = g Q p s2.00” y el área de la vía de aire A = 140 pies2.

min/0711000,150 piesQV === min/071,1140

piesA

V ===

"070071,1075022

acVwH =⎟⎞

⎜⎛=⎟

⎞⎜⎛= ..07.0

098,1075.0

1098acwHv =⎟

⎠⎜⎝

=⎟⎠

⎜⎝

=

572800.2xHX 57.2807.0

===v

x

HX

Factor de Contracción ZFactor de Contracción, Z

Factor de Contracción

2447.05.257.28257.28

5.22

=++

=++

=ZXX

ZN

Ar = N A = 0.2447 x 140 = 34.25 pies2

Aproximadamente una ventana rectangular de 5.7’ x 6.0’.Aproximadamente una ventana rectangular de 5.7 x 6.0 .

Análisis de Redes con Distribución Controlada

Para resolver redes usando distribución controladaPara resolver redes usando distribución controlada1. Dibujar un diagrama esquemático de la red.2 En el diagrama indicar la cantidad asignada a2. En el diagrama indicar la cantidad asignada a cada ramal.3 Calcule la pérdida de cabeza de cada ramal con3. Calcule la pérdida de cabeza de cada ramal con la cantidad de aire asignada.4. Con la ecuación Nm= Nb- Nj + 1 determine el . Co ecu c ó Nm Nb Nj de e e enúmero de mallas requeridas.

5. Empiece por la malla más al interior y calcule hacia fuera hasta que se haya satisfecho la 2ª ley q y yde Kirchhoff en todas las mallas. Si más de dos vías de aire están en paralelo, para evitar confusión, se debe incluir el ramal libre en cada malla.

Ejemplo Red Simple con Distribución Controlada

Red simple con distribución regulada - IRed simple con distribución regulada I

Ejemplo, red simple con distribución regulada - II


Para la mina del ejemplo 4 – 6 encuentre la cantidad de j pmina, la localización de los reguladores y la presión estática de mina para las siguientes cantidades en pcm y resistencias en unidades de 10-10 pulg · min2/pie6resistencias en unidades de 10 10 pulg · min2/pie6.R1 = 0.60 R2 = 1.10 R3 = 1.10 R4 = 1.00 R5 = 0.80R6 = 1.00 R7 = 0.80 R8 = 1.40 R9 = 0.85 R10 = 1.006 .00 7 0.80 8 . 0 9 0.85 10 .00R11= 0.80 R12= 0.80 R13=0.80 R14=1.00 R15 = 0.80 R16= 1.00 R17 = 0.80 R18=0.60 R19= 1.60Q4 = 20,000 Q6 = 30,000 Q9 = 15,000 Q13 = 15,000Q15 = 20,000

Primero determinaremos las cantidades que fluyen por las q y pvías de aire, empezando de los nudos más al interior y calculando hacia fuera.Q Q Q 20 000Q4 = Q5 = Q7 = 20,000 pcmQ2= Q3 = Q8 = Q4 + Q6 = 20,000 + 30,000 = 50,000 pcmQ = Q = Q = 15 000 pcmQ12 = Q13 = Q14 = 15,000 pcmQ10 = Q11 = Q16 = Q17 = Q13 + Q15 = 15,000 + 20,000 =

= 35,000 pcm, pQ18 = Q9 + Q17 = 15,000 + 35,000 = 50,000 pcm

Qde mina = Q1 = Q19 = Q2 + Q10 + Q9 = 50,000 + 15,000 Qde mina Q1 Q19 Q2 Q10 Q9 , ,+ 35,000 = 100,000 pcm

= Q18 + Q8 = 50,000 + 50,000 = 100,000 pcmDespués se calculan las pérdidas de cabeza de cada vía de aire con la fórmula Hl = RQ2 y su valor se inserta en la figura.gu a.H1 = (0.60 x 10-10) (100,000)2 = 0.600” c.a.H2 = (1.10 x 10-10) ( 50,000)2 = 0.275” c.a.H3 = (1.10 x 10-10) ( 50,000)2 = 0.275” c.a.H4 = (1.10 x 10-10) ( 20,000)2 = 0.040” c.a.

H5 = (0.80 x 10-10) ( 20,000)2 = 0.032” c.a.5 ( ) ( , )H6 = (1.00 x 10-10) ( 30,000)2 = 0.090” c.a.H7 = (0.80 x 10-10) ( 20,000)2 = 0.032” c.a.H8 = (1.40 x 10-10) ( 50,000)2 = 0.350” c.a.H9 = (0.85 x 10-10) ( 15,000)2 = 0.019” c.a.

10 2H10 = (1.00 x 10-10) ( 35,000)2 = 0.123” c.a.H11 = (0.80 x 10-10) ( 35,000)2 = 0.098” c.a.H = (0 80 x 10-10) ( 15 000)2 = 0 018” c aH12 = (0.80 x 10 10) ( 15,000)2 = 0.018 c.a.H13 = (0.80 x 10-10) ( 15,000)2 = 0.018” c.a.H14 = (1.00 x 10-10) ( 15,000)2 = 0.023” c.a.H14 (1.00 x 10 ) ( 15,000) 0.023 c.a.

H15 = (0.80 x 10-10) ( 20,000)2 = 0.032” c.a.15 ( ) ( )H16 = (1.00 x 10-10) ( 35,000)2 = 0.123” c.a.H17 = (0.80 x 10-10) ( 35,000)2 = 0.098” c.a.H (0 60 10 10) ( 50 000)2 0 150”H18 = (0.60 x 10-10) ( 50,000)2 = 0.150” c.a.H19 = (1.60 x 10-10) ( 100,000)2 = 1.600” c.a.

En la parte de la mina comprendida entre los nudos B y H se debe cumplir la 2ª ley de Kirchhoff, esto es, debe haber 4 mallas Haciendo la comprobaciónhaber 4 mallas. Haciendo la comprobación.

Nm = Nb – Nj + 1 = 10 – 7 + 1 = 4

En la figura en (c) se muestran las mallas y la ubicación y g ( ) y ycantidad de regulación. Para calcular y ubicar los reguladores tenemos:

Malla 1: 0.090” + Hx = 0.104”H = 0 104” - 0 090” = 0 014” en vía de aire 6Hx = 0.104 - 0.090 = 0.014 en vía de aire 6

Malla 4: 0.032” + Hx = 0.059”Hx = 0.059” - 0.032” = 0.027” en vía de aire 15x

Malla 3: 0.019” + Hx = 0.501” (0.221”+0.059”+0.221”)Hx = 0.501” - 0.019” = 0.482” en vía de aire 9

Malla 4: 0.516” (0.501” + 0.150”) +( )Hx = 1.004” (0.550” + 0.104” + 0.350”)Hx = 1.004” - 0.516” = 0.488” en vía de aire 18

La cabeza estática de mina es:Hs de mina = 0.60 + 0.221 + 0.059 + 0.221 + 0.503 + 1.60

= 3.204”a través de ABCDHI, ó

H = 0 60 + 0 221 + 0 059 + 0 221 + 0 503 + 1 60Hs de mina = 0.60 + 0.221 + 0.059 + 0.221 + 0.503 + 1.60 = 3.204”a través de ABEFGHIa través de ABEFGHI

Red Compleja con Distribución Controlada

Ejemplo 4 - 10

En el diagrama esquemático de un sistema de ventilación

Ejemplo 4 10

g qmostrado en la figura se indican las cantidades asignadas y las pérdidas de presión. Determine la cantidad de mina y la cabeza estáticacabeza estáticaSolución:Nivel superior: Q = 20,000 + 35,000 + 25,000=N ve supe o : Q 0,000 35,000 5,000

80,000 pcm (37.75m3/s)Nivel superior: Q = 40,000 + 15,000 + 35,000=

90,000 pcm (42.47m3/s)Q de mina= 80,000 + 90,000 =

170,000pcm (80.23m3/s)

De B a J se debe satisfacer la segunda ley de Kirchhoff g ypara cinco mallas, ya que

Nm = Nb – Nj + 1 = 13 – 9 + 1 = 5Si se escogen las mallas de la fig. 4-11b, se pueden escribir las siguientes ecuaciones:

Malla 1: 0.4” + Hx = 1.2”Hx = 0.8” en ramal superior de CDx p

Malla 2: 1.2” + 1.8” = Hx

Hx = 2.2” en ramal inferior de CE

Malla 3: 0.4” + 1.2” = 1.3” + Hxx

Hx = 0.3” en ramal inferior de GIMalla 4: 1.9” = 0.7” + Hx + 0.4”

Hx = 0.8” en ramal FGMalla 5: 0.8” + 3.0” + 1.3” = 0.6” + 1.9”

+ 1.2” + 1.1” + Hx

Hx = 0.3” ya sea en ramal BF o IJ

Hs de mina = 0.7” + 5.1” + 1.6” = 7.4”

Ejemplo 2 de red compleja con distribución controladacontrolada


En la red compleja de la figura determine la ubicación de p j glos reguladores y la cantidad de regulación para Q en pcm y R en unidades de 10-10 pulg. · min2/pie6.Q 80 000 R 1 3 R 1 0Q1 = 80,000 R1 = 1.3 R4 = 1.0Q2 = 70,000 R2 = 1.8 R5 = 1.4Q = 10 000 R = 0 7Q5 = 10,000 R3 = 0.7

Q3 y Q3 se determinan aplicando la primera ley de Q3 y Q3 p p yKirchhoff en los nudos B y CQ3 = Q1 – Q5 = 80,000 – 10,000 = 70,000 pcm Q4 = Q2 + Q5 = 70,000 + 10,000 = 80,000 pcm

Las pérdidas de cabeza para las cantidades asignadas se p p gmuestran en la Fig. 4 – 13b.Se debe satisfacer la segunda ley de Kirchhoff para dos mallas, ya quemallas, ya que

Nm = Nb – Nj + 1 = 5 – 4 + 1 = 2

Una cuidadosa inspección de la Fig. 4 – 13b revela que se pueden satisfacer las dos ecuaciones de mallas colocandopueden satisfacer las dos ecuaciones de mallas colocando reguladores en los ramales 1 y 3; así

Malla ABC: (0.832 + Hx1) + 0.014 – 0.882 = 0( x1)Hx1 = 0.036”

Malla BDC: (0.343 + Hx3) – 0.640 – 0.014 = 0H 0 311”Hx3 = 0.311”

El tratar de localizar un regulador en el ramal 2 o en el t ata de oca a u egu ado e e a a o e eramal 4 resultará en un valor negativo para la pérdida por choque. Como se están sumando las pérdidas de cabeza (caídas de presión), un valor negativo indicará un aumento(caídas de presión), un valor negativo indicará un aumento de presión, lo cual es imposible de obtener con un regulador. Por lo tanto, se eliminan los ramales 2 y 4 como posibles ubicaciones para reguladores.posibles ubicaciones para reguladores.

Pero, debe hacerse notar que se podrían localizar los reguladores en los ramales 3 y 5 para obtener las

id d d dcantidades deseadas.

Capítulo 5 Ventilación NaturalCapítulo 5 Ventilación Natural

Hay flujo de aire cuando existe una diferencia deHay flujo de aire cuando existe una diferencia de presión. El aire fluye del punto de mayor presión al de menor presión. La fuente de presión puede ser mecánica o natural.El aire a su paso por la mina se calienta, por lo que aumenta su energía calorífica y en consecuencia la energía total en ese punto. Ese aumento de energía

t d l ió d d les un aumento de la presión de acuerdo a la ecuación de Bernoulli.

Nos es familiar el efecto chimenea en el que elNos es familiar el efecto chimenea en el que el aire caliente, por ser menos denso que el aire frío, tiende a subir y el aire frío, más denso, tiende a bajar, estableciéndose una corriente de aire.En las minas profundas se presentan cambios en la densidad del aire, debido a la diferencia en elevación y por el calentamiento del aire dentro de l i d l t f i d lla mina, causado por la transferencia de calor proveniente de la roca y también, a veces, del agua subterráneasubterránea.

Factores que Intervienen en la Ventilación Natural

La presión causada por el aumento en energía calorífica depende de la elevación de la minaprespecto al nivel del mar, de la diferencia deelevación entre el brocal de la mina y las obrasmineras y de la diferencia de temperatura entre lasuperficie y las obras mineras.Entre más grandes sean estas diferencias mayor será el flujo de ventilación natural.

Variación de la Presión de la Ventilación Natural según elevación respecto alVariación de la Presión de la Ventilación Natural según elevación respecto al nivel del mar

La elevación de la mina respecto al nivel del mar es importante. Dos minas idénticas que tengan la p q gmisma profundidad de obras, pero diferente elevación respecto al nivel del mar tendrán diferente presión de ventilación natural.

Presión de la Ventilación Natural a diferentes elevaciones de la mina sobre el nivel del mar

La variación de temperaturas en la superficie entreLa variación de temperaturas en la superficie entre el verano y el invierno puede ser muy grande, 20 a 30 °C. En contraste, la variación de temperatura en el interior de las minas es pequeña a excepción de la parte cercana a superficie. Se ha observado que a cierta profundidad (aproximadamente 15 m) la t t l i f t d ltemperatura en la mina no se ve afectada por las condiciones climáticas de superficie.

Las principales fuentes de calor en una mina son:p pLa autocompresión del aire, el calor de la roca (gradiente geotérmico) y el equipo l ielectromecánico.

Las minas en terreno montañoso tienen buena ventilación natural debido a grandes diferencias enventilación natural debido a grandes diferencias en elevación.Por lo general las minas profundas y calientes o o ge e s s p o u d s y c e estienen buena ventilación natural, pero el flujo será mayor en climas fríos que en climas cálidos.

Para que una mina tenga buena ventilación naturalPara que una mina tenga buena ventilación natural debe tener una diferencia grande en elevación de las varias obras mineras comunicadas a superficie y la intensidad del calor natural de la roca debe ser alta.En términos generales la ventilación natural genera presiones menores a 0.5” de agua, aunque

i ll d á d 3” den ocasiones llega a ser de más de 3” de agua.

En la ventilación natural la dirección del flujo noEn la ventilación natural la dirección del flujo no es constante. Cuando la temperatura del aire exterior es menor pal de la mina, el aire entra a la mina. Cuando la temperatura del aire exterior es mayor p yal de la mina, el aire sale de la mina.Cuando las temperaturas del aire exterior e interior son iguales, no hay flujo de aire.

En el invierno el aire fluye en un sentido y en elEn el invierno el aire fluye en un sentido y en el verano fluye en sentido contrario.A veces el flujo es en un sentido en la noche y j ytemprano en la mañana y a mediodía y por la tarde es en sentido contrario.La ventilación natural fluctúa, es inestable y no se puede depender de ella.Por lo general, el flujo de ventilación es mayor en invierno y menor en verano.

Control de la Ventilación NaturalControl de la Ventilación Natural

En un sistema de ventilación debemos mantener el control de la ventilación natural, porque no se , p qpuede depender de ella debido a su variabilidad.En caso de un incendio la ventilación natural puede ser impredecible y peligrosa, donde las diferencias en densidad del aire en tiros, contrapozos e inclinados crea efecto de chimenea.

Dirección del Flujo de la Ventilación Natural

En circuitos sencillos se puede predecir el sentidoEn circuitos sencillos se puede predecir el sentido del flujo de la ventilación natural siguiendo estas sugerencias:1. Imagínese columnas verticales de aire de altura igual entre líneas horizontales que pasen por los puntos de elevación máxima y mínima.2. Considere que en el invierno las temperaturas en superficie sean más bajas que aquellas del interior de mina, y lo contrario en el verano.

3. La densidad del aire de una columna de temperatura ponderada más baja es mayor y por lo p p j y y pmismo tiende a hundirse, desplazando en ese proceso a la otra columna que es más ligera.

4. La dirección del flujo es de la columna más pesada hacia la más ligera.

Siguiendo las sugerencias para los casos que se presentan en la figura resultan las siguientespresentan en la figura resultan las siguientes direcciones para invierno y verano.

En algunos túneles cuyos portales están a laEn algunos túneles cuyos portales están a la misma elevación hay un flujo natural, causado por la diferencia de temperatura entre los portales; un d e e c de e pe u e e os po es; ulado puede estar calentado por el sol y el portal opuesto estar en la sombra.

Medición de la Presión NaturalMedición de la Presión Natural

En la mayoría de las minas hay una combinaciónEn la mayoría de las minas hay una combinación de ventilación natural y ventilación mecánica. Es importante conocer la magnitud de la ventilación natural para evaluar el desempeño de la ventilación mecánica, y en caso de incendio para

d i l t i t d l til iópredecir el comportamiento de la ventilación.Para medir la presión natural hay que parar él o los

til d l t t ó d t blventiladores, levantar un tapón desmontable en una frente principal y medir la presión sobre este tapóntapón.

Cálculo de la Ventilación NaturalCálculo de la Ventilación Natural

Para calcular la magnitud de la ventilación natural se han desarrollado varios métodos, unos basados ,en la comparación entre el peso de dos columnas imaginarias de aire de la misma altura, y otros donde se hace un análisis termodinámico.

Métodos basados en la comparación de dos columnas imaginarias de aire

Método A: Es sabido que a medida que aumenta laMétodo A: Es sabido que a medida que aumenta la profundidad aumenta la densidad del aire, pero el aumento en densidad no es lineal por lo que la diferencia de presión se calcula utilizando cálculo diferencial e integral.siendo p1 y p2 las presiones absolutas en las partes alta y baja de una columna y T es la t t b l t di d l t lttemperatura absoluta promedio de las partes alta y baja de la columna, tenemos:

Lp=⎟⎟

⎞⎜⎜⎛ 2ln

Con esta fórmula se calculan las razones de las RTp

=⎟⎟⎠

⎜⎜⎝ 1

ln

presiones p2/p1 y p3/p1 de las dos columnas. La diferencia de presión entre el fondo de las dos columnas es la presión natural Hcolumnas es la presión natural Hn.

H P lHn = p2 – p3 , en PascalesHn = 13.6 (p2 - p3), en pulgadas de agua

Método B: En este método se calculan las densidades promedio ponderadas de las columnas de aire:

Hn = gL (wd - wu), en Pascales

L , en pulgadas de agua( )udn wwLH −=2.5

wd y wu son las densidades ponderadas de las columnas descendente y ascendente de aire.

Método C: En este método se calcula la presión natural por la diferencia entre las temperaturas absolutas de bulbo seco:

en PascalesLTTH du ⎟⎞

⎜⎛ − , en PascaleswgL

TH du

n ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

TT ⎞⎛ , en pulgadas de aguawLTTTH du

n ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=2.5

donde T = (Tu – Td)/2 y w es densidad en el punto de referencia deseadoreferencia deseado.

Método D: Desarrollado por Hinsley para determinar la p y ppresión natural incluyendo el efecto del vapor de agua

l⎥⎤

⎢⎡

⎞⎛⎞⎛ ΔΔ d tRL

tRL

TT , en Pascales

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

⎣⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ΔΔ ud tRtR

n TT

TTpH

4

3

1

21

, en pulgadas de agua⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

−⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=ΔΔ ud tRL

tRL

TTpH 321 , en pulgadas de agua

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

−⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=n TTH

412.5

En donde p1 y T1 son la presión absoluta y laEn donde p1 y T1 son la presión absoluta y la temperatura en la parte superior de la columna de aire descendente, T2 es la temperatura en el fondo de esta columna; T3 es la temperatura en el fondo de la columna de aire ascendente y T4 es la t t l t i d t ltemperatura en la parte superior de esta columna.Las temperaturas son de bulbo seco en unidades b l t t t i t l dabsolutas o temperaturas virtuales cuando se

incorporan temperaturas de bulbo húmedo (consultar a Hinsley 1965 y Hess 1959)(consultar a Hinsley, 1965 y Hess, 1959).

Método E: Esta es una regla de dedoMétodo E: Esta es una regla de dedo

H = 44 Pascales/10 °C/100mHn 44 Pascales/10 C/100mHn = 0.33 pulgadas de agua/10 °F/100 pies

Debido a los errores de medición en temperaturas y densidades y a las fluctuaciones de la presióny densidades y a las fluctuaciones de la presión natural, cualquier método es lo suficientemente exacto. De éstos se prefiere el método B.p

Análisis TermodinámicoAnálisis Termodinámico

Hinsley comparó los sistemas de ventilación con una máquina calorífica y el ventilador, si lo hay, q y , y,con un supercargador. El sistema se dibuja en un diagrama con coordenadas p – v (presión –volumen específico). El diagrama se asemeja al ciclo de Joule y en él se mide la presión natural.

Curva Característica de la Ventilación Natural

La curva característica de la ventilación natural es una línea recta, porque un cambio en la cantidad , p qde aire no afecta a la presión de la ventilación natural.

La ventilación natural es independiente de la resistencia de la mina y del caudal de aire.

Curvas características de la ventilación natural y de la mina; determinación del caudal natural

Cantidad o Caudal de Flujo NaturalCantidad o Caudal de Flujo Natural

Conociendo la presión natural se puede calcular la cantidad de aire con la fórmula combinada de Atkinson. No tomando en cuenta la cabeza dinámica, la cabeza estática es igual a la cabeza natural, de donde:g ,

, en pascales)(

3n

LLKPAHQ =

)( eLLKPQ

+

25 3AH , en pulgadas de agua)(

2.5e

n

LLKPAHQ+

=


En el sistema de ventilación de la figura calcule la presión g pnatural por cada uno de los cinco métodos y encuentre la cantidad de aire. No considere pérdidas por choque ni la presión dinámica Suponga aire saturado y la dirección delpresión dinámica. Suponga aire saturado y la dirección del aire indicada en la figuraLongitud tiros = 750 m (2,460 pies)Kvías de aire = 100 x 10-10 lb · min2/pie4

w = 0.075 lb/pie3

Sección transversalvías de aire = 4.5 m x 3.5 m (14.8’x11.5’)

Las temperaturas de bulbo seco son:pt1 = 5 °C (41.0 °F) t2 = 13 °C (55.4 °F)t3 = 39 °C (102.2 °F) t4 = 28 °C (82.4 °F)

Encontramos que Wd = 0.0662 lb/pie3. Para td = tw = 92.3 q d p d w°F y Pb = 25.20” Hg, encontramos Wu = 0.0599 lb/pie3.1. Por el método A:

ln (p / p ) = L / RT = 2 460 / (55 35)(508 2) = 0 090733ln (p2 / p1) = L / RT = 2,460 / (55.35)(508.2) = 0.090733P2 / p1 = 1.09498 y p2 = 1.09498 p1

l ( / ) 2 460 / (55 35)(552 3)ln ( p3 / p4) = 2,460 / (55.35)(552.3); pero p4 = p1ln (p3 / p1) = 0.083488

P3 / p1 = 1.08708 y p3 = 1.08708 p1

∴P3 / p1 1.08708 y p3 1.08708 p1

Hn = 13.6 (p2 / p3 )(24.065) = 13.6(1.09498 – 1.08708) (24.065) = 2.58”

2. Por el método B:Hn = L (Wd – Wu) /5.2 = 2,460(0.0662 – 0.0599) = 2.98”3. Por el método C, considerando la densidad, Wd, del tiro de entrada de aire

"60522460066202.5083.552)(=⎥

⎤⎢⎡ −

=⎥⎤

⎢⎡ −

= xwLTTH du

4 Por el método D:

605.224600662.025.5302.52.5

=⎥⎦⎢⎣=⎥⎦⎢⎣

= xx

wLT

Hn

4. Por el método D:

=⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ΔΔ ud tRLtRL

n TT

TTpH

/

3

/

21

25 ⎥⎦⎢⎣⎟⎠

⎜⎝

⎟⎠

⎜⎝ TT 112.5

⎤⎡ ⎞⎛⎞⎛ )4822102(35532460

)41455(35532460

25624515613=

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −− )4.822.102(35.53)414.55(35.53

4.5422.562

0.5014.515

065.246.13

[ ] "587.2)0365.1()02874.1(84.327 329.2202.3 =−=

5. por el método E basado en la densidad, wd, del tiro deaire:

H 0 03” / 10 °F / 100 iHn = 0.03” / 10 °F / 100 pies

[ ] "872.2)0750.0/0662.0)(100/2460(10/)2.483.92()03.0( =−=nH

Para determinar la cantidad de aire en pcm a densidad pestándar que fluye por el sistema, utilizamos la presión natural obtenida con el método B

)466,12)(6.52)(10100()5.118.14)(98.2)(2.5(

)(2.5

10

33

−=+

=x

xLLKPAHQ

e

n

= 107, 943 pcm

),)()(()( e

Hay que tomar en cuenta el efecto de densidad del aire para obtener el flujo a la elevación de los brocales de los

tiros, o en el nivel donde se necesite. por ejemplo, en el tiro , p j p ,de salida de aire, con una densidad de aire promedio Wu = 0.0599 lb/pie3, tenemos:

Q = 107,943 (0.0750 / 0.0599) = 135,154 pcm

En el ejemplo 5 – 1 la elevación de los brocales de los tiros de entrada y salida de aire es la misma. En el siguiente ejemplo se ilustra el caso en que las elevaciones de los brocales son diferentes.

Ejemplo 5 - 2

Calcule la presión natural de la mina mostrada en la figura,

Ejemplo 5 2

p g ,por medio del método B.Las temperaturas son:

Temperatura en superficie, t1 = t2 = 5°C (41°F)T t di ti b j d d i 20°C (68°F)Temperatura promedio en tiro bajada de aire =20°C (68°F)Temperatura promedio en tiro subida de aire =35°C (95°F)

Las longitudes de los tiros y la presión p1 se indican en la figura.

Divida en dos partes la columna de aire de la derecha y p yaplique la formula.

Circuito simple de ventilación del ejemplo 5 - 2p j p

Parte superior de la columna derecha:pln (p2 / p1 ) = 1800 / [55.35(460 + 41)] = 0.067344;

p2 / p1 = 1.069663 p2 = 1.069663

Parte inferior de la columna derecha:ln (p3 / p2 ) = 700 / [55.35(460 + 68)] = 0.024850188;

p3 / p2 = 1.0251742 p2 = 0.975443p3

1 069663 p = 0 975443 p1.069663 p1 = 0.975443 p3

p3 = 1.09659 p1

La columna de la izquierda:qln (p4 / p1 ) = 2500 / [55.35(460 + 95)] = 0.084433074;

p4 / p1 = 1.08810195 p4 = 1.08810195Utilizando ahora la ecuación

Hn = 13.6 (P3 / p4 )Hn = (144 / 5.2)(1.09659 – 1.08810)(13.0) = 3.06”Para resolver este ejemplo por los métodos B, C, D y

E los valores de densidad y temperatura para la columnaE los valores de densidad y temperatura para la columna compuesta se obtienen haciendo un promedio ponderado de acuerdo a la longitud de cada parte de la columna

tcompuesta

Capítulo 6 Equipo Mecánico de Ventilación

Desde fines del siglo XVIII se desarrollaron losDesde fines del siglo XVIII se desarrollaron los primeros ventiladores mecánicos.Los dos tipos principales de ventiladores son:Los dos tipos principales de ventiladores son: centrífugos y de flujo axial, también conocidos como axiales.Los compresores son otro equipo que se usa en aplicaciones especiales, de los cuales hay tres tipos: centrífugos, axiales y de desplazamiento positivo.

Ventilador CentrífugoVentilador Centrífugo

Ventilador AxialVentilador Axial

Los ventiladores axiales pueden ser tuboaxiales o pvaneaxiales, los primeros consisten en un impulsor dentro de un tubo cilíndrico, los segundos vienen pro istos con aspas g ías para endere ar el fl joprovistos con aspas guías para enderezar el flujo de aire descargado.Los compresores se pueden considerar comoLos compresores se pueden considerar como ventiladores de bajo caudal y alta presión.Otra aplicación del aire comprimido es para alimentar inyectores, también conocidos como cornetas o inyectores de aire.

Cornetas o Inyectores de AireCornetas o Inyectores de Aire

Los ventiladores son similares a los compresores y a las p ybombas.Las bombas manejan líquidos que prácticamente no son

i iblcomprimibles.Los compresores manejan gases comprimiéndolos.Los ventiladores manejan gases sin prácticamente afectarLos ventiladores manejan gases sin prácticamente afectar su densidad en su uso normal. La excepción es en la ventilación auxiliar cuando se tiene manga o tubería de

il ió l i d d d d iventilación en longitudes grandes, donde es necesario considerar el efecto de la compresión.

Todos los ventiladores tienen un elemento motriz (motor eléctrico, diesel o de aire comprimido), un ( , p ),rotor o impulsor sobre el cual van montadas las aspas, paletas o alabes y una envoltura o carcasa.

Ventiladores CentrífugosVentiladores Centrífugos

En estos ventiladores el aire entra paralelo a laEn estos ventiladores el aire entra paralelo a la flecha del rotor, se mueve primero de forma radial y después tangencialmente a través del rotor y carcasa. En algunos ventiladores la admisión de aire es por ambos lados.La presión en los ventiladores se produce por la fuerza centrífuga debida a la rotación del aire y

l í i éti i tid l i lpor la energía cinética impartida al aire al abandonar la punta de las aspas del impulsor.

La cantidad de energía cinética depende de la velocidad tangencial de las aspas (velocidad de la g p (punta del aspa), mientras que la energía estática (centrífuga) depende del aumento en la velocidad tangencial del aire.El trabajo que los ventiladores entregan es proporcional a la velocidad tangencial.

Factores de Diseño en los Ventiladores Centrífugos

Curvatura de las aspas. Los ventiladores pcentrífugos se clasifican de acuerdo a la curvatura de las aspas: radiales, curvadas hacia delante y c r adas hacia atráscurvadas hacia atrás.

Tipos de curvatura de aspa y relaciones vectoriales entre las velocidades

En la figura, V es la velocidad absoluta del aire, Vt es la velocidad tangencial del aspa, Va es la t g p , avelocidad tangencial del aire, Vr es la velocidad radial del aire, U es la velocidad del aire respecto al aspa y θ es el ángulo del aspa en grados.La curvatura de aspa es el factor de diseño más importante.

Aspas radiales – Presión total, Ht:

, en pascales2tt VH ρ=

, en pulgadas de aguag

wVH tt 2.5

2

=

La cabeza que producen los ventiladores centrífugos no se divide en partes iguales de presión estática y presión dinámica. En la carcasa tipo voluta se puede convertir una buena parte de la presión dinámica en presión estática.

Teóricamente, si no hay pérdidas de flujo, la presión Ht permanece constante sin importar la p t p pcantidad manejada de aire.En la práctica Ht disminuye rápidamente a p t y pmedida que aumenta Q.La cabeza real siempre es menor a la teórica.

Aspas curvadas hacia delante:Aspas curvadas hacia delante:Ht= ρVt(Vt + Vr cotθ), en pascales

H = wV (V + V cotθ)/5 2g en pulgadas de aguaHt wVt(Vt + Vrcotθ)/5.2g , en pulgadas de agua

Aspas curvadas hacia atrás:Aspas curvadas hacia atrás:Ht = ρVt(Vt – Vrcotθ), en pascales

Ht = wVt(Vt – Vrcotθ)/5.2g , en pulgadas de agua

La presión total teórica es mayor para las aspasLa presión total teórica es mayor para las aspas hacia delante. Si se quiere aprovechar esta presión se debe convertir un mayor porcentaje de presión dinámica en estática en la carcasa.En el caso de las aspas hacia atrás, para obtener la misma presión hay que operar a una velocidad mayor; en este caso una mayor proporción de la

ió táti l t t f ápresión es estática y por lo tanto en una forma más aprovechable.

Componentes de un Ventilador Centrífugo

Centrífugos – Número de aspas. Hasta un límiteCentrífugos Número de aspas. Hasta un límite un mayor número de aspas producirá más presión y cantidad de aire.El número usual de aspas para centrífugos es:Aspas radiales 10 – 20pAspas curvadas hacia delante 32 – 64Aspas curvadas hacia atrássp s cu v d s c s

Perfil aerodinámico 8 – 12Perfil plano 12 - 16Perfil plano 12 16

Centrífugos – Forma o Perfil de aspa. El ancho f g f pde aspa en su base y en la punta afectan las áreas de los canales de aire. Una forma aerodinámica mejora el fl jo de aire al red cir las pérdidas pormejora el flujo de aire al reducir las pérdidas por choque aumentando la eficiencia mecánica.Ángulo de la punta de aspa. El espaciamiento y elÁngulo de la punta de aspa. El espaciamiento y el ángulo de descarga de las aspas influencian la cantidad de resbalamiento del aire y la presión. El á l ó ti 25° E t á lángulo óptimo es 25°. Este ángulo rara vez se usa en el diseño del abanico. Se logran buenas eficiencias con ángulos hasta de 45°.e c e c as co á gu os asta de 5 .

Centrífugos – Longitud Radial de aspa. El largoCentrífugos Longitud Radial de aspa. El largo de aspa está determinado por factores aerodinámicos; varía de 5 a 35 % del diámetro del impulsor y es mayor en un ventilador de aspas curvadas hacia delante y menor en un ventilador d d h i t áde aspas curvadas hacia atrás.Longitud Axial de aspa. La longitud axial de un

til d l fij l h dventilador lo fija el ancho de aspa, que a su vez está fijado por consideraciones aerodinámicas para producir la cantidad máxima de flujoproducir la cantidad máxima de flujo.

Idealmente el ancho es una cuarta parte delIdealmente el ancho es una cuarta parte del diámetro de entrada del impulsor; en la práctica se determina por medio de pruebas.La cantidad de aire que produce un ventilador varía casi directamente con su ancho.La longitud de aspa es mayor en los ventiladores de aspa curvada hacia delante, intermedia para los de aspa radial y menor para los de aspa curvada hacia atrás.

Centrífugos – Entrada de aire. Para cadaCentrífugos Entrada de aire. Para cada combinación de diámetro de maza, velocidad de rotación y volumen de flujo hay un diámetro óptimo de entrada de aire, en la cual la velocidad relativa del aire admitido es mínima, lo que reduce l é did d t dlas pérdidas de entrada.En los ventiladores de aspas planas la entrada es

ñ d bid l ú t ñ d lpequeña debido a que el número y tamaño de las aspas junto con el tamaño de entrada afectan al desempeñodesempeño.

La pieza de entrada de aire debe ser acampanada p ppara reducir al máximo las pérdidas por choque.Para aumentar el aire producido de un ventilador

d d i d blse recurre a una entrada de aire doble. Para un volumen dado de aire el aire producido aumenta porque la velocidad se reduce a la mitad y lasporque la velocidad se reduce a la mitad y las pérdidas por choque a la entrada se reducen a una cuarta parte.La entrada doble de aire es recomendable, pero no siempre es práctica.

Centrífugos – Diámetro del Impulsor. DeterminaCentrífugos Diámetro del Impulsor. Determina la capacidad del ventilador. La cantidad de aire es directamente proporcional al cuadrado del diámetro. Sin embargo, si se mantiene constante la velocidad de la punta del aspa esto no afecta a la

iópresión.Ancho del Ventilador. Hay dos tipos: sencillos y d bl U d bl ti d i l t ddobles. Un doble tiene dos impulsores montados sobre el mismo eje, lo que equivale a tener dos ventiladores en paraleloventiladores en paralelo.

Centrífugos – Carcasa o Voluta. La carcasa tieneCentrífugos Carcasa o Voluta. La carcasa tiene dos funciones: debe juntar el aire de la periferia del rotor para descargarlo en la dirección deseada y debe convertir la energía cinética del aire, es decir su cabeza dinámica en cabeza estática. La

d l t icurva de la carcasa se construye con varios arcos circulares mas que con una elipse.Al t Pl G í P d i é didAletas o Placas Guía. Para reducir pérdidas se emplean aletas o placas guía, fijas o móviles, en la admisión de aireadmisión de aire.

Centrífugos – Exposición y Claro del Impulsor.Centrífugos Exposición y Claro del Impulsor. La posición relativa del impulsor respecto a la carcasa determinan el claro y la exposición.Por lo general sus magnitudes se expresan como porcentajes del diámetro del impulsor, variando de 0 a 15 % para el claro y hasta 50 % para la exposición.La magnitud del claro es crítica para la eficiencia y para la generación de ruido.

Ventiladores de Flujo Axial o AxialesVentiladores de Flujo Axial o Axiales

La dirección del flujo en estos ventiladores es jparalela al eje de rotación.La construcción se parece mucho a la hélice de un

iavión.Idealmente la velocidad no debe tener un componente radial y sí debe haber un aumento encomponente radial y sí debe haber un aumento en su componente tangencial.El aire entra axialmente al ventilador y lo e e e e ve do y oabandona con un componente rotacional agregado a la velocidad axial.

Parte de la energía de rotación se puede convertir g pen energía de flujo lineal y presión estática en la carcasa por medio de aletas guía, antes o después del rotordel rotor.Las aletas guía hacen girar el aire en sentido contrario al del impulsor haciendo que el airecontrario al del impulsor, haciendo que el aire abandone el ventilador con poca rotación.Las pérdidas por choque con las aletas son altas.Otra manera de eliminar el flujo rotacional es con impulsores girando en sentido contrario.

La presión total impartida por un ventilador axial al aire se determina con la siguiente ecuación:

en pascales)( VVVH = ρ , en pascales

, en pulgadas de agua

)( 21 VVVH tt −= ρ

( )VVwVH tt

21 −=

En donde V es la velocidad tangencial de aspa y (V V )

gHt 2.5

En donde Vt es la velocidad tangencial de aspa y (V1 - V2) es el cambio en el componente rotacional de la velocidad absoluta. Este cambio varía sobre el radio.

Corte de un ventilador axial

Paro Aerodinámico en Ventiladores Axiales

Dibujando en una gráfica el comportamiento de la j g prelación presión – caudal de un ventilador, la curva resultante exhibe una depresión.

l b j d d i dEn el punto más bajo de esa depresión se produce el llamado “Paro Aerodinámico” (Cavitación, en inglés “Stall”)inglés Stall ).En esa situación la operación del ventilador es muy inestable, hay pulsación, vibración, aumento en el ruido y en algunos casos el ventilador resulta dañado.

Curva característica de un ventilador axial, la zona de Paro Aerodinámico en línea punteada

Un ventilador puede experimentar paro p p paerodinámico si está excedido para el trabajo requerido, está operando mal o si la resistencia de la mina a menta m chola mina aumenta mucho.Sobre la curva característica, más allá de la depresión tenemos la zona de operación normaldepresión tenemos la zona de operación normal del ventilador.Los ventiladores centrífugos con aspa curvada hacia delante tienen una depresión menos pronunciada que la de los ventiladores axiales.

Variables de Diseño de los Ventiladores Axiales

Forma de las aspas. Para obtener eficiencias másForma de las aspas. Para obtener eficiencias más altas se utilizan aspas de forma aerodinámica.Las aspas de forma aerodinámica tienen una forma psimilar a la del ala de un aeroplano.

Perfil aerodinámico de aspa de ventilador axial comparado con el perfil de un ala de avión.

El lado frontal del aspa es una curva convexa queEl lado frontal del aspa es una curva convexa que al girar el aspa ocasiona una fuerza ascendente que actúa sobre su espalda, de la misma manera que el ala de un aeroplano genera una fuerza ascendente sobre su superficie superior al moverse a través d l idel aire.El aspa del ventilador está inmóvil a diferencia del l d ió L f d t lala de un avión. La fuerza ascendente en el

ventilador se refleja sobre el aire empujando el aire por la carcasaaire por la carcasa.

De la misma manera que el ala de un aeroplanoDe la misma manera que el ala de un aeroplano genera un área de baja presión sobre si misma, las aspas de un ventilador generan un área de baja presión en el ventilador que hacen que el aire fluya hacia y a través del ventilador.Las alas empujan al aeroplano hacia arriba porque se crea un vacío (zona de baja presión) en la

fi i i d l l L dif i dsuperficie superior del ala. La diferencia de presiones: por arriba del ala un vacío y por abajo la presión barométrica hacen que el avión se elevela presión barométrica hacen que el avión se eleve.

Ángulo o Paso de las Aspas. Los ventiladoresÁngulo o Paso de las Aspas. Los ventiladores modernos vienen provistos con aspas de paso variable, para ajustar el ángulo de ataque del aspa para obtener la máxima eficiencia al caudal de aire deseado.Esta es la variable de diseño más importante, al dotarlo de una gran flexibilidad para ajustarse a l i i t d l til ió i tlos requerimientos de la ventilación, e incrementa el rango de caudal y presión de operación.

El paso o ángulo del aspa determina la cantidad de p g pempuje aplicado al aire; a medida que aumenta el empuje también aumenta la potencia necesaria para mo er las aspaspara mover las aspas.El caudal de aire es directamente proporcional al cambio de ángulo o paso La presión varía encambio de ángulo o paso. La presión varía en menor proporción.El paro aerodinámico es causado por un paso excesivo de las aspas, para una cantidad dada de aire.

Ancho de Aspas. Por razones estructurales lasAncho de Aspas. Por razones estructurales las aspas son más anchas en su base, lo que las hace más resistentes.Largo de Aspa. Está determinado por el diámetro de la maza y por el diámetro del impulsor (es decir el tamaño del ventilador).La cantidad de aire que entrega un ventilador varía al cuadrado del diámetro del impulsor, en tanto que la presión es constante.

Número de Aspas. Una expresión que utiliza los radios de la maza y de la punta de aspa permite obtener el número óptimo de aspas.

Número óptimo de aspas T

H

RRR

=6

p p

donde RH es el radio de la maza y RT es el radio de la p nta del aspa

T

H

RR

−1

punta del aspa. El número de aspas de los ventiladores comerciales varía de 2 a 24. En los ventiladores grandes de mina el número varía de 6 a 18. La presión varía de acuerdo al número de aspas. Aspas más allá del número óptimo afectan adversamente las características de flujo y ruido.

Número de Etapas. Se puede aumentar la presión p p pproducida por un ventilador añadiendo uno o más impulsores en serie.Razón de los diámetros de maza e impulsor. Esta razón afecta sobre todo a la presión. En ventiladores de muchas aspas y alta presión laventiladores de muchas aspas y alta presión la razón es de 80 %.Claro o luz entre impulsor y carcasa. El claro debe se mínimo (0.001”) para limitar las fugas al máximo práctico en esa zona.

Forma de la entrada y descarga de aire. La y gadmisión y descarga de aire debe estar diseñada para minimizar la pérdida por choque. La entrada, como en los entiladores centríf gos debe tenercomo en los ventiladores centrífugos debe tener forma acampanada.En algunos ventiladores a la maza se le coloca unaEn algunos ventiladores a la maza se le coloca una cubierta de forma aerodinámica. En la descarga se colocan difusores o cornetas para recuperar presión estática, convirtiendo presión dinámica a presión estática.

Especificaciones y Características de los Ventiladores

Las especificaciones más importantes de unLas especificaciones más importantes de un ventilador son presión y cantidad de aire entregado. Otras especificaciones importantes son: potencia y rpm de la unidad motriz y las eficiencias.Al igual que para la mina se relaciona presión y caudal de aire en una curva que la caracteriza, así

d til d ti t í ticada ventilador tiene sus curvas características con las cuales podemos anticipar su desempeño y nos ayudan a seleccionar el mejor ventiladorayudan a seleccionar el mejor ventilador.

Características de desempeño. Las mediciones pmás importantes del desempeño de un ventilador son la presión y el caudal de aire que entrega.

i d d l d lLa presión usada puede ser la presión estática del ventilador o la presión total del ventilador. Se debe definir cual presión se está usandodebe definir cual presión se está usando.La presión estática es la más usada, pero, sobre todo en los ventiladores grandes es importante conocer la presión dinámica y en consecuencia la presión total.

Medición de Presiones con Tubo Pitot y Manómetro

Potencia de aire, P . La potencia de aire es laPotencia de aire, Pa. La potencia de aire es la potencia entregada por el ventilador al aire, se mide en kW (hp), y se puede calcular por la fórmula para un flujo y presión dados.La potencia mecánica entregada por la unidad motriz en la flecha del ventilador es la potencia al freno, Pm. La potencia al freno se debe medir a la

id l d l l ió d l ivez que se mide el caudal y la presión del aire.

La eficiencia mecánica, η del ventilador es la razón de la potencia de aire a la potencia al freno. Se expresa como porcentaje y se le conoce más comúnmente comoporcentaje y se le conoce más comúnmente como eficiencia η:

100xPP

m

a=η

Curvas Características de VentiladoresCurvas Características de Ventiladores

El desempeño de los ventiladores se puede p pexpresar en tablas o gráficamente en forma de curvas características.

i l i i bl dLas curvas características relacionan variables de operación: presión, caudal, potencia y eficiencia.Las curvas se construyen dibujando las variablesLas curvas se construyen dibujando las variables contra el caudal, la cantidad se muestra en el eje horizontal y las variables (presión estática, presión total, potencia al freno, eficiencia estática y/o eficiencia total) en el eje vertical.

Las curvas están dibujadas para un diámetro dado de ventilador y para una velocidad constante.y pPor lo general las curvas están dibujadas a la densidad estándar del aire. El usuario debe reducir los valores obtenidos de la curva a densidad estándar a la densidad del lugar de aplicación.


Para un ventilador axial con estas condiciones:Para un ventilador axial con estas condiciones:

H = 1 000 Pa (4 02”) D = 2 44 m (8’)Hs 1,000 Pa (4.02 ) D 2.44 m (8 )Q = 94.38 m3/s (200,000 pcm) n = 1,750 rpmP = 156 67 kW (210 hp) w = 1 2 kg/m3Pm= 156.67 kW (210 hp) w = 1.2 kg/m3

Calcule Ht del ventilador y ηsC cu e t del ventilador y ηs

Comparación entre tipos de ventiladores

La curva característica de presión estática de los ventiladores centrífugos con aspas curvadas hacia g patrás, dentro del rango operativo, se aproxima a ser una línea en donde a un cambio de presión corresponde muy poca variación en la cantidad, por lo que estos ventiladores se conocen también

d tid d t tcomo de cantidad constante.

De manera similar en los ventiladores centrífugosDe manera similar en los ventiladores centrífugos con aspas curvadas hacia delante, a un cambio de cantidad corresponde muy poca variación en la presión y son conocidos como de “presión constante”.En términos generales los ventiladores centrífugos son más silenciosos y de fácil mantenimiento, pero l til d i l í álos ventiladores axiales con aspas guías son más baratos, compactos y con un rango de operación mayormayor.

Tabla comparativa de desempeñoTabla comparativa de desempeño

Leyes de los VentiladoresLeyes de los Ventiladores

Un cambio en la cantidad de aire entregado por un g pventilador repercute en su presión, en la potencia y en el nivel de potencia del sonido.

i bl l id d d iHay otras variables como velocidad de rotación, n, el tamaño, D, y densidad del aire, w, que afectan considerablemente el desempeño del ventiladorconsiderablemente el desempeño del ventilador.Las leyes de los ventiladores relacionan las variables de desempeño de cualquier serie homóloga (geométricamente similar) de ventiladores.

1ª Ley Cambio de Velocidad1 Ley Cambio de Velocidad

A medida que crece una mina aumenta el qrequerimiento de cantidad de aire y de presión. Para enfrentar esta necesidad se puede cambiar las características de operación del entiladorcaracterísticas de operación del ventilador.En los ventiladores centrífugos lo más sencillo es aumentar la velocidad en los ventiladores axialesaumentar la velocidad, en los ventiladores axiales también; aunque se prefiere variar el ángulo de las aspas.Por lo general no se aumenta la velocidad, porque un aumento en la velocidad significa un aumento en la potencia al cuboen la potencia al cubo.


Se quiere aumentar la velocidad de un ventilador de 1,750 rpm a 2,500 rpm. El ventilador entrega , p , p g60,000 pcm (28.3 m3/s) con una presión estática de 1.9” de agua (473 Pa), con una potencia mecánica de 30 hp (22.4 kW) a una eficiencia del 60 %. Encuentre las nuevas características del

til dventilador.

2ª Ley Cambio de Tamaño2 Ley Cambio de Tamaño

Cuando se quiere conocer el desempeño de ventiladores de diferentes tamaños similares con esta ley se relaciona el comportamiento a la razón entre sus diámetroscomportamiento a la razón entre sus diámetros.En esta ley se suponen velocidades constantes de punta de aspa. Para esto la velocidad de rotación, n, debe variar en forma inversamente proporcional al tamaño, D. Hay que calcular la velocidad de rotación del nuevo ventilador.

2

112 D

Dnn =


Suponiendo que el ventilador del ejemplo 6-2 tiene un diámetro de 48”, calcule las nuevas ,características para un ventilador de 60” y encuentre n2 si la velocidad de punta de aspa se mantiene constante.

3ª Ley Cambio de Densidad3 Ley Cambio de Densidad

Esta ley es de uso común en la ventilación de minas y explica porque cambia el desempeño de y p p q pun ventilador cuando lo cambian de ubicación a una diferente elevación en la mina. Inclusive frecuentemente explica las variaciones en el desempeño durante el día.


Encuentre las nuevas características de un ventilador que estaba trabajando a una elevación de 2,591 m (8,500’) y se cambia al nivel del mar Las características de operacióncambia al nivel del mar. Las características de operación del ventilador en su ubicación inicial son:

Q1 = 60,000 pcm (28.3 m3/s) η1 = 60 %= 1.9” (473 Pa)

1sH hpPm 30

1=

w1 = 0.0546 lb/pie3

Leyes de los VentiladoresLeyes de los Ventiladores

Pruebas de los VentiladoresPruebas de los Ventiladores

Para determinar las características de desempeñoPara determinar las características de desempeño se somete el ventilador a pruebas de laboratorio.Para que los resultados sean comparables los q pprocedimientos de prueba, aceptados por fabricantes e investigadores, deben estar estandarizados.El procedimiento especifica instrumentos, puntos de medición y procedimientos de medición y cálculo.

Aplicación de los Ventiladores a los Sistemas de Ventilación

Sistema de Ventilación y Punto de Operación. Un y psistema de ventilación consiste de una red de obras mineras o vías de aire entrelazadas entre sí, conectada a no o más entiladoresconectada a uno o más ventiladores.Si instalamos un ventilador en un sistema, la presión y caudal que produce actuará contra lapresión y caudal que produce actuará contra la resistencia al flujo que presenta la red de vías de aire y se acomodará a una situación de equilibrio,

id d ióconocida como punto de operación, que se localiza en el punto de intersección de las curvas características de la mina y del ventilador.ca acte st cas de a a y de ve t ado .

Si no cambian las condiciones de operación elSi no cambian las condiciones de operación el punto de operación permanecerá igual, pero si varía la ventilación natural, la resistencia de la mina, la velocidad del ventilador o la densidad del aire entonces cambian las curvas características y l t d ió lel punto de operación se mueve a la nueva

intersección de las curvas.L í d l til d dLa mayoría de los ventiladores pueden operar con seguridad dentro de una parte de su curva característica Esa zona es el rango operativocaracterística. Esa zona es el rango operativo.

Cambios en Velocidad, Tamaño y Densidad en Curvas CaracterísticasAl crecer vertical o lateralmente una minaAl crecer vertical o lateralmente una mina aumenta la resistencia al flujo. Si el ventilador principal es axial, para sostener o aumentar el flujo se puede cambiar la posición de las aspas; si no hay esa posibilidad se puede aumentar la

l id d l t ñvelocidad o el tamaño.Si el cambio necesario involucra dos o las tres

i bl i ltá t h d dvariables simultáneamente hay dos maneras de proceder.

En la primera se calcula una nueva curvaEn la primera se calcula una nueva curva característica del ventilador para el nuevo tamaño y la nueva densidad del aire. Del punto de operación en la intersección de las curvas de la mina y del ventilador se obtienen los datos para

l l bi d l id dcalcular un cambio de velocidad.En la segunda manera se trasponen o trasladan las

di i l t d d l di icondiciones en el punto deseado a las condiciones del ventilador, se dibuja una curva característica de la mina y se calcula el cambio de velocidadde la mina y se calcula el cambio de velocidad.



Un ventilador vaneaxial de aspas movibles en laUn ventilador vaneaxial de aspas movibles en la posición de 22° extrae 102,000 pcm (48.13 m3/s) con una presión estática de 4.1” (1.03 kPa) a una velocidad constante de 880 rpm. En la figura se muestran las curvas características de la mina y d l til ddel ventilador.

Encuentre a que velocidad debe operar el ventilador para extraer 115,000 pcm (56.6 m3/s).

Ejemplo 6 – 6 (1er Método)Ejemplo 6 6 (1er Método)

Ejemplo 6 – 6 1er MétodoEjemplo 6 6 1er Método

Si tenemos un ventilador de 48” de diámetro operando a una velocidad de 1,170 rpm con una p , pdensidad de aire de 0.075 lb/pie3 (1.2 kg/m3), encuentre a que velocidad debe operar un ventilador similar de 60” para entregar 30.7 m3/s (65,000 pcm) a 821 Pa (3.3”) con una densidad d i d 0 060 lb/ i 3de aire de 0.060 lb/pie3.

Ejemplo 6 – 6 2º MétodoEjemplo 6 6, 2 Método

Evasés o DifusoresEvasés o Difusores

El Teorema de Bernoulli establece que la presiónEl Teorema de Bernoulli establece que la presión total es la suma de las presiones estática y dinámica y permanece constante en un sistema.Si aumenta la presión estática, disminuye la presión dinámica y viceversa.Este hecho se aprovecha en la descarga a superficie de los ventiladores, conectándoles un tramo cónico en la descarga para convertir presión dinámica a presión estática.

El efecto del tramo cónico es que disminuye la q yvelocidad del aire en la descarga, disminuyendo por lo tanto la presión dinámica y aumentando la presión estáticapresión estática.La presión dinámica en la descarga a superficie de un ventilador se considera una pérdida de ahí laun ventilador se considera una pérdida, de ahí la conveniencia de convertir la presión dinámica a presión estática, porque ésta es la que se consume

l é did d ió i i d len vencer las pérdidas de presión originadas por el flujo de aire, ya sea pérdidas por fricción o por choque. c oque.

Eficiencias de recuperación por conversión de presiones

Instalación en superficie de un ventilador axial

Sistemas con Ventiladores en Serie o en Paralelo

Cuando dos o más ventiladores están dispuestosCuando dos o más ventiladores están dispuestos de modo que cada uno de ellos maneja el flujo total del circuito, y cada uno de ellos contribuye con parte de la presión, están en serie.Cuando dos o más ventiladores contribuyen con una parte del flujo total del circuito y cada uno de ellos genera la presión total para vencer las

é did d ió i d l fl j d lpérdidas de presión ocasionadas por el flujo de la cantidad total de aire, los ventiladores están en paraleloparalelo.

En algunos sistemas los ventiladores están dispuestos en combinación mas que en serie o en p qparalelo, cada uno aportando la presión necesaria para vencer la pérdida de presión en su zona de influencia, porque pueden estar muy separados entre si.Estos circuitos se resuelven mejor con el auxilio de análisis computarizado de redes.

Ventiladores en SerieVentiladores en Serie

Para determinar el desempeño de ventiladores enPara determinar el desempeño de ventiladores en serie, en paralelo o combinados, se requieren métodos gráficos porque la relación presión y cantidad de un ventilador es empírica.La condición esencial cuando varios ventiladores trabajan en serie, es que cada ventilador maneja el volumen total de aire, y cada uno contribuye

t d l ió i lcon una parte de la presión necesaria para la cantidad particular de flujo.

Curva característica de ventiladores en serie

Ventiladores idénticos operando en serie

Curva de ventiladores diferentes en serie

Ventiladores en ParaleloVentiladores en Paralelo

Al instalar ventiladores en paralelo en el mismoAl instalar ventiladores en paralelo en el mismo lugar, cada ventilador desarrollará la presión total necesaria para vencer la resistencia de la mina o sistema, y cada ventilador manejará una parte de la cantidad de aire fluyendo por el isistema.

Para encontrar la cantidad y presión en paralelo de til d l tid d d dventiladores, se suma la cantidad de cada

ventilador a la de los otros a la misma presión.

Curva característica de ventiladores idénticos en paralelo

Curva característica de ventiladores diferentes en paralelo

Combinación de VentiladoresCombinación de Ventiladores

Algunas minas, por su configuración o por su crecimiento, utilizan dos o más ventiladores ,principales, creando dos o más circuitos de ventilación que comparten vías comunes de aire, por ejemplo una mina con vetas paralelas, distantes entre si y comunicadas por un crucero, o

t l l di t t t iuna veta muy larga con clavos distantes entre si.

En minas con varios ventiladores cada ventilador tiene una zona de influencia.Los ventiladores pueden estar en serie, en paralelo

bi i d bo en una combinación de ambos.Para encontrar el punto combinado de operación se pueden utilizar las curvas características ense pueden utilizar las curvas características en serie, en paralelo o combinadas cuidando que el punto resultante de operación sobre la curva combinada satisfaga a los ventiladores individuales.



En el diagrama esquemático de la mina el accesoEn el diagrama esquemático de la mina el acceso es por el socavón CB. El aire es extraído a través de contrapozos con sendos ventiladores Joy M72-43-880, con las aspas en la posición de 2°. El extractor A está extrayendo 106,000 pcm con una

ió táti d 3 8”presión estática de 3.8”.La caída de presión medida de C a B es de 2.3” y d B A d 1 5”de B a A es de 1.5”.


Con la localización de un nuevo clavo se va a integrar la zona BD a la mina e instalar en D un gextractor idéntico al A.Se calculó que la caída de presión en la zona BD q pes 1.7” para inducir un flujo de 100,000 pcm.Determine el punto de operación de cada extractor

Solución gráfica de ventiladores combinados en serie y en paralelo

En los ventiladores primarios las cantidades y velocidades de aire pueden ser considerables, por p , plo que en la operación de ventiladores en combinación es necesario tomar en cuenta la presión dinámica en la descarga del sistema para determinar el punto de operación del sistema.

Solución gráfica de ventiladores en serie con base en la presión total

Para dos ventiladores en serie, que llamaremos APara dos ventiladores en serie, que llamaremos A y B, primero se suman en serie sus presiones totales y a la presión total combinada se le resta la presión dinámica del ventilador que está descargando a superficie, para obtener la curva de

ió táti P tid d Q tpresión estática. Para una cantidad Q, tenemos:Ht en serie = Ht del ventilador A + Ht del ventilador B

Hs en serie = Ht en serie – Hv del ventilador A

Solución gráfica de ventiladores combinados en paralelo

Para dibujar la curva característica combinada de los ventiladores A y B en paralelo, se dibuja y p , jprimero la curva estática combinada sumando las cantidades para una presión estática dada:

Qcombinada = Qventilador A + Qventilador B

Efecto de la Ventilación Natural sobre Sistemas con Ventiladores

La ventilación natural es influida por la elevaciónLa ventilación natural es influida por la elevación de la mina respecto al nivel del mar, la diferencia de elevación entre la bocamina y las obras mineras la diferencia de temperatura de la superficie y la de las obras mineras y la diferencia de densidad d l i d fi i l d l b idel aire de superficie y el de las obras mineras.Al no depender de la cantidad de aire la curva

t í ti d l til ió t l lícaracterística de la ventilación natural es una línea horizontal.

La intersección de la curva característica de laLa intersección de la curva característica de la ventilación natural con la curva característica de la mina señala el punto de operación de la mina cuando nada mas opera la ventilación natural.Por supuesto que para saber que efecto tiene la ventilación natural sobre el sistema de ventilación, primero hay que determinar la presión de la

til ió t l l d l ét dventilación natural por alguno de los métodos ya vistos.

Ventilador operando con ventilación natural a favor

Ventilador operando con ventilación natural en contra

Selección de VentiladoresSelección de Ventiladores

Para ventilar una mina necesitamos determinar laPara ventilar una mina necesitamos determinar la cantidad de aire y la presión necesaria para superar la pérdida de presión en el sistema.Para satisfacer esos requerimientos podemos escoger varios ventiladores cuyas curvas características contengan ese punto de operación en su zona de mayor eficiencia, o bien, otros

til d l l biá d l l l id dventiladores los cuales cambiándoles la velocidad o la posición de aspas cubran ese requerimiento.

Para escoger un ventilador se hace una selección preliminar basada en tablas de desempeño o de p pcapacidades, gráficas de selección rápida y, por supuesto, en las curvas de los ventiladores.En las tablas, gráficas y curvas la especificación del ventilador es en el punto de mayor eficiencia y con base a la densidad del aire al nivel del mar.

Gráfica de Selección RápidaGráfica de Selección Rápida

Selección de VentiladoresSelección de Ventiladores

Sin embargo, además del ventilador hay que considerar las instalaciones auxiliares del ventilador y el crecimiento futuro de la mina por al menos 15 años.La vida promedio de un ventilador oscila entre 15 y 25 años.

Los factores a considerar en la selección son:Cantidad de Aire.Presión para vencer la resistencia al flujo.p jRango de requerimiento de cantidad y presión debido al crecimiento de la mina.Elevación de la instalación sobre el nivel del mar.Densidad del Aire.Temperaturas del Aire.Humedad.

Velocidad del Ventilador.TamañoTamaño.Potencia.EficienciaEficiencia.Nivel de sonido.U d é difUso de evasé o difusor.Costo.

Varios factores están interrelacionados: la altura sobre el nivel del mar del ventilador y de las obras mineras, la temperatura y la humedad afectan a la densidaddensidad.El nivel de sonido está influenciado por el tipo y velocidad del ventiladorvelocidad del ventilador.El tipo de transmisión y la eficiencia tienen cierta relación entre si.El uso de difusores en la descarga de un ventilador afecta la potencia, y con ello el costo.

La transmisión directa interna o externa no necesariamente es la más eficiente, porque el , p qventilador debe operar muy cerca de las velocidades sincrónicas del motor y éstas puede ser que no sean las que permitan la operación más eficiente.Las velocidades sincrónicas del motor son: 1,800, 1200, 900, 720, 600, 514 y 450 rpm.

Cálculo del Ventilador más

Una vez considerados todos los factores, habiendo

EconómicoUna vez considerados todos los factores, habiendo escogido dos o más posibles ventiladores, se escoge el ventilador cuyo costo total sea el más económico durante su vida útil.Al seleccionar con un criterio económico se puede ver que no necesariamente el ventilador más eficiente es el más económico, y que el costo de

ió á i ifi ti l t doperación es más significativo que el costo de adquisición, por lo que no necesariamente el ventilador más barato es el más económicoventilador más barato es el más económico.

Un método para hacer la comparación económica es llevar el costo esperado de energía, costo de p g ,operación, durante la vida útil del ventilador al valor presente de una anualidad tal que cubra el desembolso anual.Para determinar el costo total debe sumarse el costo de operación al costo de capital y al costo esperado de mantenimiento.

Capítulo 7 Ventilación AuxiliarCapítulo 7 Ventilación Auxiliar

El objetivo de la ventilación auxiliar es ventilar jobras o lugares de alta resistencia o difíciles de hacerles llegar aire con el sistema primario o principalprincipal.Ventilar esas obras extendiendo el sistema primario de ventilación puede ser muy oneroso alprimario de ventilación puede ser muy oneroso al aumentar grandemente la presión estática requerida.La ventilación auxiliar en las minas de carbón es necesaria para avanzar las galerías, más allá del último crucero abiertoúltimo crucero abierto.

De 1936 a fines de los 50’s , en las minas de ,carbón de los E.U.A. se prohibió el uso de ventiladores auxiliares permisibles, debido al mal

so q e se hacia de ellos a la mala bicación q euso que se hacia de ellos y a la mala ubicación que permitía recirculación.A fines de los 50’s se introdujeron equipos deA fines de los 50 s se introdujeron equipos de avance rápido, lo que trajo un aumento en la emisión de metano y un requerimiento mayor de i d til ió l itió laire de ventilación, por lo que se permitió el uso

de ventiladores permisibles estrechamente supervisados.supe v sados.

Equipo usado en Ventilación Auxiliar

Se prefieren los ventiladores axiales sobre los

Equipo usado en Ventilación Auxiliar

Se prefieren los ventiladores axiales sobre los centrífugos por ser más fáciles de instalar en serie con tubería flexible o rígida.La mayoría de los ventiladores usados son eléctricos con capacidades de 2,000 pcm hasta 20,000 y 30,000 pcm y presiones estáticas desde 2 hasta 15” c.a.En cuanto a la tubería se usa rígida o flexible en diámetros que van desde 8” hasta 48”.

La tubería rígida comúnmente es de fibra de vidrio gde resina o de lámina galvanizada.La tubería flexible o manga ahulada es de vinilo

b i i dcon recubrimiento de neopreno. A veces esta tubería está reforzada por una armazón de alambre acerado en forma de resorte que le da rigidez paraacerado en forma de resorte, que le da rigidez para evitar que la manga se colapse cuando se usa en sistemas de extracción.Las cortinas se usan casi exclusivamente en minas de carbón.

Métodos de ventilación auxiliarMétodos de ventilación auxiliar

Esencialmente los dos métodos de ventilación auxiliar son inyección o extracción de aire.yPara escoger el método más apropiado hay que considerar varios factores.

Factores y consideraciones en la ventilación auxiliar

En 1943 se investigó sobre la distancia que se ventila efectivamente con ventilador y tubería, y ,inyectando o extrayendo aire.Se concluyó que para una tubería inyectando aire, y q p y ,a una distancia de 5 diámetros de la descarga se ha perdido un 5 % de la velocidad del aire y a 35 diámetros de distancia se perdió un 95 % de la velocidad de descarga.

Para una tubería de ventilación extrayendo aire, a una distancia de 1.5 m de la entrada a la tubería la velocidad del aire es un 50 % de la velocidad a la entrada a la tubería; a 7.62 m la velocidad es apenas un 10 % de la velocidad en la entrada de la tubería.

Tabla. Disminución de la velocidad del aire según lo l j d d l d b í d 1’ d Øalejado del extremo de una tubería de 1’ de Ø

Inyector ExtractorDistancia Velocidad, % Distancia Velocidad, %

en diámetros de V en tubo en diámetros de V en tubo5 95 0.25 60

10 60 0.50 2725 15 0.75 1435 5 1 00 735 5 1.00 7

En líneas de tubería de ventilación las conexionesEn líneas de tubería de ventilación las conexiones entre tubo y tubo o manga y manga son fuente de fugas.Se estima que en promedio se fugan 200 pcm en cada unión.La cantidad de aire que se fuga es directamente proporcional a la presión estática dentro del tubo.Las fugas pueden llegar a ser del 15 al 70 % de la cantidad del flujo inicial.

Para una longitud dada de tubería, se estima que siPara una longitud dada de tubería, se estima que si se duplica su longitud sus fugas aumentarán en un 250 % aproximadamente.En un sistema de inyección con ventiladores en serie, teóricamente es lo mismo juntar todos los ventiladores al inicio de la tubería que espaciarlos a lo largo de la longitud pero, debido a las fugas

l i d l t b i den las uniones de los tubos, se recomienda distribuir los ventiladores a distancias uniformes a lo largo de la tuberíalo largo de la tubería.

Es importante que la instalación de tubería oEs importante que la instalación de tubería o manga de ventilación sea lo más recta posible. Si hay curvas entonces hay que usar codos adecuados Para evitar contracciones o expansiones abruptas hay que usar adaptadores adecuados y a la medida.El extremo de la tubería de ventilación debe estar lo más cerca posible del tope; en minas no de

bó l t b í d b t á d 10 d lcarbón la tubería no debe estar a más de 10 m del tope en frentes (en carbón a no más de 3 m) y a no más de 2 5 m en contrapozosmás de 2.5 m en contrapozos.

El factor de fricción teórico de la tubería puede diferir del factor real de tubería instalada, debido a ,que tan bien esté la instalación.El factor de fricción del tubo rígido es 10 x 10-10 lb g· min2/pie4 ; generalmente el factor de fricción de la manga ahulada varía de 15 a 20 x 10-10.

En la figura siguiente se muestra una gráfica para determinar pérdidas por fricción para longitudes d i d d il ide 100 pies de manga de ventilación.En la siguiente tabla se muestra las pérdidas de fricción en tubería rígida lisa para el flujo defricción en tubería rígida lisa para el flujo de varias cantidades de aire a través de ductos de varios diámetros y tramos de 100 pies, para entrada de aire a escuadra, acampanada y en la descarga de la tubería y para codos a 90°.

Figura Pérdidas por fricción para largos de manga d 100 ide 100 pies

Tabla Pérdida de presión en tubería de ventilación rígida, lisa

En las obras de desarrollo donde se utiliza scoopEn las obras de desarrollo donde se utiliza scoop tram para rezagar se pueden utilizar como guía los criterios aproximados mostrados en la siguiente tabla, donde de acuerdo con la capacidad en yd3 de scoop se sugieren criterios de volumen de aire, diá t d t b í d til ió íd ddiámetros de tubería de ventilación, caída de presión correspondiente y el requerimiento de energía de los ventiladores La tabla es paraenergía de los ventiladores. La tabla es para tramos de 100’, K = 15 x 10-10 y densidad de aire de 0.075 lb/pie3.p

Tabla Criterios aproximados de Q, Ø y hp de il d d llventilador en desarrollos con scoop tram

Arreglos de ventilación auxiliarArreglos de ventilación auxiliar

En las minas de carbón los sistemas básicos de ventilación auxiliar: inyectar o extraer aire se ypueden acomodar de varias formas utilizando ventiladores con tubería rígida o flexible o cortina de yute o de material plástico.En las siguientes figuras se muestran arreglos con cortinas, con ventiladores y tubería en minas de carbón y en mantos no de carbón.

Sistema de ventilación auxiliar según la emisión de gas

Sistema de ventilación auxiliar usado por i l l dMinerales Monclova, S.A. de C.V.

Efecto de compresiónEfecto de compresión

En la ventilación auxiliar de obras de desarrollo deEn la ventilación auxiliar de obras de desarrollo de gran longitud la caída de presión puede ser muy alta y no se puede ignorar el efecto de compresión.En estos casos no es aplicable la fórmula de Atkinson; hay que aplicar la fórmula que si considera el efecto de compresión.En esta fórmula Kc = 4,400 kg2/s2 · pul4 (0.0006 lb2 · pul · min2/pie7) para tubería rígida metálica y Kc = 5180 (0.0007) para tubería flexible.

EjemploEjemplo

Para ventilar una frente ciega de 4 m x 3.5 m de 1700 m de longitud, rezagada con un scoop tram, g , g p ,se usa tubería rígida metálica de 30” de Ø para manejar 16,000 pcm de aire en el tope. La presión atmosférica es 14.7 lb/pul2. Calcule la caída de presión y la cantidad de aire que debe manejar el

til d d i t d t i iventilador cuando inyecta y cuando extrae aire, sin considerar fugas.

Se usa la ecuación 2LQK

d d 14 lb/ l2

522

21 D

LQKpp c=−

donde p2 = 14.7 lb/pul2

Kc = 0.0006 lb2 · pul · min2/pie7

Q = 16 000 pcmQ = 16,000 pcmL = 5,577 pies (1,700 m)D = 30 pulgadasD 30 pulgadas

( )( ) ( )2

Inyectando: ( ) ( )( ) ( )( )

25.3530

577,5000,160006.07.14 5

222

1 ==−p

p1 = 15.85 lb/pul2 abs. = 1.15 lb/pul2 man. = 31.85” c.a.

en el ventilador Q = 16,000 pcm (7.55 m3/s)Extrayendo:

(14 7)2 35 252p(14.7)2 - = 35.25p2 = 13.45 lb/pul2 abs. = - 1.25 lb/pul2 man. = 34.62” c.a.

2p

en el ventilador:Q = 16,000 = 17,487 pcm (8.25 m3/s)⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

45.137.14

Para calcular la caída de presión en la frente consideramos: K = 70 x 10-10 lb · min2/pie4 P = 47 2’ A =

⎠⎝

consideramos: K = 70 x 10 10 lb · min2/pie4, P = 47.2 , A = 150.65 pies2 y Le = 0

( ) 2QLLKPH e+( )32.5 A

QH el =

( )( )( )0001657751070 210−( )( )( )( )

.."00056.065.1502.5

000,16577,510703

210

acxH l ==

Esta caída de presión se puede ignorar. Como inyector el ventilador debe manejar 16,000 pcm a una presión de 31 85” c apcm a una presión de 31.85 c.a.Como extractor el ventilador debe manejar 17,487 pcm a una presión de 34.62” c.a.pcm a una presión de 34.62 c.a.En los dos casos se necesitan dos o tres abanicos en serie.

Para un mismo volumen de aire en el tope un ventilador extrayendo aire necesita mover una ymayor cantidad de aire a una mayor presión.Este factor es de tomarse en cuenta al comparar psistemas de ventilación auxiliar, sobre todo en obras de gran longitud.

Ejemplo de cálculo de ventilador auxiliar

Este ejemplo está tomado de una publicación de la Joy j p p yManufacturing Company, por William D. Meakin. 1979.Se necesita ventilar dos galerías en avance en una mina de

bó t l i S icarbón, como se muestra en el croquis. Se va a usar minero continuo y carro shuttle en un tope a la vez, requiriéndose 6,000 pcm alimentados a través de tubería rígida. En el otro tope debe haber al menos 3,000 pcm para ventilar. En el croquis se indican las longitudes de tubería necesitadas. Se supone que las fugas son de 200 pcm por unión LosSe supone que las fugas son de 200 pcm por unión. Los tramos de tubería son de 10 pies. Determine la cantidad y presión del extractor.

Solución: En el croquis indique las cantidades de aire requeridas en los topes y, considerando las q p y,fugas, calcule las cantidades requeridas en puntos estratégicos. Después calcule las caídas de presiones con la ayuda de la gráfica, considerando la cantidad promedio entre los dos puntos.

Gráfica para determinar caída de presión en d b í d 100 itramos de tubería de 100 pies

Croquis – Problema de ventilación auxiliar

Tramo Pérdida de presión “ c.a. “ c.a. acum.

1-1A Entrada = 1.5Pv = - 1.10 - 1.10 5.177.16000

5.1

22

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

áreapcm

v

1A-2 Tubo 80’x1.57”/100’ (6800 pcm ) -1.25 -2.35

5.14006

5.14006

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

⎝⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

⎝

2-2A Codo = 0.65Pv = - 0.75 - 3.10 65.04006

77.17600 2

⎟⎟⎟⎟⎞

⎜⎜⎜⎜⎛

2A-3 Tubo 80’x2.25”/100’ (8600 pcm) - 1.80 - 4.90

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

9600 2

⎟⎞

⎜⎛

3-3A Codo = 0.65Pv = - 1.19 - 6.0965.04006

77.1

⎟⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜⎜

⎝

3A-4 Tubo 90’x2.50”/100’ (10,500 pcm) - 2.25 - 8.34

⎠⎝

40016 2⎞⎛

4-4A Unión = 1.00Pv = - 5.65 -13.9900.14006

77.1400,16

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

4A-5 Tubo 50’x6.00”/100’ (17,000 pcm) - 3.00 - 16.99

⎟⎠

⎜⎝

Presión del ventilador + 19.29 + 2.30Pérdida en el difusor (estimada) - 2.30 0.00

Cantidad y presión de ventilador requeridos: 17,600 pcm a 19.29”c.a.

Área de tubo de 18” de diámetro = 1.77 pies2

P = Presión dinámica en “ c aPv Presión dinámica en c.a.

Capítulo 8 Aspectos económicos en ventilación

Generalmente las obras importantes de la infraestructura del sistema de ventilación deben justificarse técnica y económicamente.Hay tres métodos básicos para hacer un análisis y peconómico: costo anual uniforme equivalente, valor presente y tasa de retorno. En ventilación de minas por lo general se usan los dos primeros métodos.

Con cualquier método de análisis hay que conocer el costo total de la alternativa analizada.El costo total es la suma de los costos fijos y los costos variables.El costo fijo es constante y no varía con diferentes niveles de producción o de mano de obra.Los costos variables cambian con el nivel de producción y el tamaño de la fuerza de trabajo.

El costo de capital de la construcción de tiros oEl costo de capital de la construcción de tiros o contrapozos de ventilación, por lo general es el más importante; la adquisición e instalación de ventiladores principales sería el siguiente costo en importancia de capital.El costo de contrapozos o tiros incluye todo el gasto en materiales, mano de obra, servicios y

t i di t li l El t dcostos indirectos para realizarlos. El costo de operación es el costo de energía y el gasto en mantenimientomantenimiento.

Factores que afectan el costo de energía

De los costos variables el costo de energía es el de gmayor impacto.Cantidad de Aire. Analizando las fórmulas para

l l l i i lcalcular la presión necesaria para vencer la resistencia al flujo y la potencia necesaria para hacerlo vemos que:hacerlo, vemos que:La potencia es proporcional a la cantidad, Pa αHQ, y la caída de presión es proporcional al cuadrado de la cantidad, H α Q2, por lo que la potencia es proporcional al cubo de la cantidad, P α Q3Pa α Q .

La proporcionalidad de Pa al cubo de Q subraya la importancia de Q en el consumo de energía.P l i d i l á i QPor lo que es necesario entonces reducir al máximo Q.Sin embargo, hay que tener en mente que la norma oficial fija la cantidad mínima de aire por persona, las velocidadesfija la cantidad mínima de aire por persona, las velocidades máximas y mínimas del aire en obras mineras y la cantidad de aire por caballo de fuerza de equipo diesel; por lo que la posibilidad de reducir la cantidad de aire tiene un límiteposibilidad de reducir la cantidad de aire tiene un límite fijado por la norma.

Analizando la fórmula combinada de Atkinson vemos que los otros factores que podemos afectar son: K, P, L, Le y A.Tamaño y Forma. Sin tener que hacer una comprobación se intuye que la forma y el tamaño de las obras mineras afectan el consumo de energía en un sistema.A li d l fó l bi d K Q LAnalizando la fórmula combinada para K, Q y Ldados, tenemos que:

3APHl = A

de donde también:5

1Hl =

Se pueden analizar otras formas como el cuadrado y el rectángulo con resultados similares.

5DHl

rectángulo con resultados similares.

La forma se relaciona con el tamaño por medio del radio hidráulico RH Como RH = A/P tenemos que:hidráulico RH. Como RH A/P, tenemos que:

Hl RA

PH 1∝∝

para una velocidad constante de flujo.H

Esta proporcionalidad nos indica que para reducir p p q pla pérdida de presión debemos reducir el perímetro, adoptando la forma con el menor perímetro para n área dadaperímetro para un área dada.La forma con el perímetro mínimo es el círculo.En la siguiente figura se muestra la eficienciaEn la siguiente figura se muestra la eficiencia relativa de varias formas con un área constante, calculando la pérdida de presión para cada forma y en algunas formas variando la relación entre sus dimensiones principales.

Pérdida de presión relativa en vías de aire de i f i ávarias formas que tienen un área constante

Se puede reducir el consumo de energía con una forma apropiada, sin embargo hay que considerar p p , g y qotras necesidades.Se puede lograr una mayor reducción en la pérdida p g y pde presión aumentando el tamaño de la obra. Si duplicamos el diámetro de una obra minera circular, la pérdida de presión será 1/32 de la pérdida de presión original.

Factor de fricción. El aumento o disminución de la pérdida de presión es directamente proporcional al aumento o disminución del factor de fricción,

l di i i l d ípor lo que para disminuir el consumo de energía debemos reducir el factor de fricción.A li d l ió d Atki d dAnalizando la ecuación de Atkinson, acomodando términos, vemos que la cantidad es afectada por el factor de fricción en la siguiente proporciónfactor de fricción en la siguiente proporción

KQ 1∝

Longitud. La caída de presión es directamente g pproporcional a la longitud de las obras.Pérdidas por choque. La caída de presión es di i l l i d d ldirectamente proporcional a la magnitud de la pérdida por choque.Presión dinámica En el sistema de ventilación laPresión dinámica. En el sistema de ventilación la presión dinámica es convertible a estática o viceversa, pero en la descarga es una pérdida, por lo que se recomienda instalar difusores en la descarga de los extractores.

Diseño económico de vías de aireDiseño económico de vías de aire

Para determinar el tamaño más económico de una obra hay que conocer Q. El tamaño más y q Qeconómico estará determinado por el costo total más bajo.De varías maneras se ha hecho el análisis. En 1935 McElroy, calculó los costos totales de varios tipos de obras para compararlos y poder escoger la opción más económica.

En 1950, R. Mancha, desarrolló expresionesEn 1950, R. Mancha, desarrolló expresiones matemáticas de varías formas de obras, obtuvo la primera derivada y después despejó la dimensión buscada que determinaba el tamaño óptimo con un costo total mínimo.Weeks en 1926 usó una manera gráfica. En este método se trazan las curvas de los costos fijos y

i bl E l t d d l d t dvariables. En el punto donde la suma de estos dos costos es la menor, ahí se localiza el tamaño más económicoeconómico.

Vías de aire circulares. El círculo es la forma geométrica gque mejor se puede analizar en términos de una sola dimensión, el diámetro. En 1961, H. Hartman determinó el costo de operación considerandocosto de operación considerando

( )5

2

25.1D

QLLKH el

+=

En este caso no es necesario considerar la presión dinámica, porque estamos analizando una sola obra no t d l i t l l t i d b ttodo el sistema; por lo que la potencia que se debe entregar para que haya flujo es

lai

QHPPηη 6346

==oo ηη 6346

η = eficiencia total del ventiladorηo eficiencia total del ventiladorEntonces el costo anual de operación Co= Pico

c = costo anual/hp · hrco costo anual/hp hrEl costo de capital Cc = volumen de roca extraído, Y por el costo unitario de excavación c por elY, por el costo unitario de excavación, ce, por el factor de recuperación del capital, cc.

Cc = ccceYCc c e

El costo total C es la suma del costo de operación Co y del costo de capital Cc.o y p c

C = Co + Cco c

Pero( )

o

oeo

o

loio D

cQLLKxcQHcPCηη 5

341097.1

6346+

=== −

y Cc = ccceπ/4D2L = 0.7854ccceD2L

oo ηη

sumando Co y Cc, derivando C respecto a D e igualando a cero, tenemos la ecuación de costo mínimo, despuésa cero, tenemos la ecuación de costo mínimo, después despejando D tenemos,

( ) ( )7

3410256 QLLKcxD eo +

= −( )7 1025.6Lcc

xDecoη

=


Calcule el diámetro óptimo de un contrapozo deCalcule el diámetro óptimo de un contrapozo de sección circular, dados los siguientes datos:L = 1,050’ (320 m); Le = 0, ( ); e

K = 30 x 10-10 lb · min2/pie4 (5.56 x 10-3 kg/m3)Q = 150 000 pcm (70 8 m3/s)Q 150,000 pcm (70.8 m /s)Tasa de interés sobre capital = 16 %Impuestos seguro mantenimiento = 3 %Impuestos, seguro, mantenimiento 3 %Costo de energía = 0.05 dls/kW·hr

Costo de excavación = 247.0 dls/yd3 (324 dls/m3)y ( )= 9.15 dls/pie3

ηo = 65 %ηo

Solución: Para calcular el costo de capital suponer que hay que financiar el costo de la excavación. Al cargo anual por financiamiento añadir el cargo por impuestos seguro y mantenimientoimpuestos, seguro y mantenimiento.El factor de recuperación de capital a una tasa del 16 % para un período de 20 años es: 0.16867p p

de donde cc = 0.16867 + 0.03 = 0.19867c

El costo anual de operación es:co = (0.05) (0.746) (24) (365) = 326.75 dls/hp·año

( )( )( )( )( )( )( ) piesxxD 8.7

19867.015.965.0000,150103075.3261025.67

3104 ==

−−

En estudios hechos sobre el tamaño óptimo de tiros se determinó que el costo de excavación no es una función

( )( )( )

determinó que el costo de excavación no es una función lineal del volumen. El costo por unidad de volumen disminuye al aumentar el diámetro del tiro.

Costos de excavación y revestimiento para tiros de sección circular


Cuando el costo de una obra no es proporcional alCuando el costo de una obra no es proporcional al volumen excavado lo mejor es una solución gráfica.Determine el diámetro óptimo de un tiro circular revestido con concreto, usando los datos:L = 1,000’; Le = 0’; K = 40 x 10-10 lb·min2/pie4

Q = 500,000 pcm; ηo = 65 %; Vida útil = 30 años o

Tasa interés = 12 %;Costo energía= 0.04 dls/kW·h Impuestos, seguro, mantenimiento = 3 %

De la figura tomamos el costo de excavación para g puna profundidad de tiro de 1,000’.Solución. El factor de recuperación de capital para

id d i d luna vida de 30 años a un interés del 12 % es 0.12414. Más impuestos, seguro y mantenimiento el valor de c es 0 15414 Para determinar costosel valor de cc es 0.15414. Para determinar costos fijos y de operación se escogen varios tamaños de tiros y se calculan los costos de cada tamaño, y se t l C Ctrazan las curvas Cc y Co. Los valores determinados de Cc son:

Diámetro Y C CDiámetro Y, Ce Cc

Pies pies3 dls/pie3 dls/año14 153,938 11.666 276,800, ,16 201,062 9.48 293,80018 254,469 7.89 309,40020 314,159 6.78 328,20022 380,133 6.07 355,90024 452,389 5.70 397,700

El costo de energía anual, co, esc = (0 04)(0 746)(24)(365) = 261 40 dls/hp·añoco (0.04)(0.746)(24)(365) 261.40 dls/hp añoSe calcula el costo de operación Co = Pico y se dibuja su curvadibuja su curva

Diámetro H P CDiámetro, Hl, Pi, Co,

Pies pul c. a. hp dls/año 14 2.32 280.88 73,400,16 1.19 144.07 37,70018 0.66 79.95 20,90020 0.39 47.21 12,30022 0.24 29.31 7,70024 0.16 18.97 5,000

Determinación gráfica del tamaño óptimo de un tiro (ejemplo 8-2)

Analizando la figura vemos que la curva de costoAnalizando la figura vemos que la curva de costo total es casi plana en la zona donde se ubica el punto más bajo, esto significa que podemos seleccionar otro diámetro que nos convenga más, que podría ser 16 o 18 pies, sin afectar el costo

hen mucho.En este caso probablemente convenga el de 18

i i d l i i t d ipies, previendo que el requerimiento de aire aumente a futuro.

Vías de aire de forma no circular. En las minas es más común la forma rectangular que la circular.Suponiendo un rectángulo de ancho b y altura xbp g yy Le = 0 tenemos, ( )

53

2

2.512

bxLQxKHl

+=

( )o

i bxLQxKPη53

3

500,161+

=( )

o

ooio bx

cLQxKcPCη53

3

500,161+

==

El volumen de material excavado es Y = x b2 L

Suponiendo que el costo de excavación es proporcional al volumen excavado el costo anual fijo es Cc = ceccxb2LEl costo total anual es la suma del costo de capital y el costo de operación. Obteniendo la primera d i d t b i l dderivada respecto a b , igualando a cero y despejando b tenemos

( )7 4

3

66001

oce

o

ccxcQxKbη

+=

Vías de aire múltiples. En las minas de carbón laVías de aire múltiples. En las minas de carbón la explotación requiere de accesos llamados generales, 3 o 4 o más galerías paralelas, generalmente idénticas en forma y tamaño. La forma y tamaño de las galerías están determinados por el espesor del manto, tamaño de los equipos que transitan por la mina, la mecánica d l l id d á i í i dde rocas y las velocidades máximas o mínimas de aire que se deben mantener en las galerías.

En el análisis económico de las galerías los costos de gcapital, de operación y totales se establecen buscando el costo total mínimo.C l t ñ f d l l í tá fij d lComo el tamaño y forma de las galerías está fijado por los factores mencionados antes, entonces lo que se busca es determinar el número óptimo de galerías.Como el desarrollo es en carbón, el costo de excavación es la diferencia entre el costo de excavar la galería y el costo de producir carbón en las áreas de producciónde producir carbón en las áreas de producción.La diferencia entre el costo de producciones se usa como el costo de capital de las galerías.p g

La diferencia en costo en el inicio de la vida de laLa diferencia en costo en el inicio de la vida de la galería se puede tratar como un gasto que se incurre una sola vez, pero los costos de operación se incurren toda la vida de la galería. En este caso es más correcto el análisis económico basado en

l t d t d l t i i i l lvalor presente descontando el costo inicial y el costo anual de operación a valor presente.El t t t l i b d l d i ióEl costo total sigue gobernando la decisión, pero no sobre una base de costo anual sino de valor presentepresente.

Para el caso de las galerías se pueden ignorar los cargos por impuestos, seguro y mantenimiento por g p p , g y pser iguales o casi iguales a los mismos cargos que se hacen a las obras de producción.El análisis para determinar el número óptimo de galerías se ilustra mejor con un ejemplo.


Determine el número óptimo de galerías generales p g gen una mina de carbón, los datos sonK = 80x10-10 lb·min2 p/galerías entrada de aireK = 100x10-10 lb·min2 p/galerías retorno de aireTasa de interés 12 % Vida = 20 añosDiferencia de costo = 2 dls/ton (ton de 2,000 lb)Densidad del carbón = 80 lb/pie3 (1,280 kg/m3)Sección de galería = 16 x 5 pies (4.9 x 1.5 m)Costo de energía = 0.045 dls/kW·hr; ηo = 65 %

Distancia entre cruceros = 90 pies (27.4m)Distancia entre galerías = 80 pies (24.4m)L 5 000 i (1 524 ) L 0 iL = 5,000 pies (1,524m) Le = 0 piesQ = 200,000 pcm (94m3/s)

EL costo de la primera galería en términos de la diferencia en costo es el producto del tonelaje de p jcarbón en una galería por la diferencia en costo por tonelada:

(2 dls/ton) (16’x 5’x 5,000’) (80lb/pie3) (1 ton/2,000lb3) =32,000 dólares

EL costo de cada galería sucesiva es la diferenciaEL costo de cada galería sucesiva es la diferencia en costo que resulta de minar una galería, mas todos los cruceros que une ésta galería a las otras galerías.

(2 dls/ton)(16’x 5’x 5,000’)(80 lb/pie3)(1 ton/2,000 lb) + (2dls/ton)(16’x5’x64’)(1 cro/90 pies)(5,000’)(80lb/pie3)(1 ton/ 2,000 lb) = 54, 756 dólares( , ) ,

Con estos valores se puede determinar el valor presente del costo fijo de un acceso general consistente de una a siete galerías.

Número de Diferencia en Valor de diferenciaNúmero de Diferencia en Valor de diferenciaGalerías costo, dls en costo, dls

1 32,000 32,000, ,2 86,800 86,8003 141,500 141,5004 196,300 196,3005 251,000 251,0006 305 800 305 8006 305,800 305,8007 360,500 360,500

Como la diferencia en costo se incurre al inicio de la vida de las galerías el valor presente de la diferencia en costo es igual a la diferencia total en costo.

La pérdida de cabeza se puede calcular con la ecuación para galerías paralelaspa a ga e as pa a e as

2)( QLLKPH e+322.5)(

ANQH

a

el =

donde Na es el número de galerías, A= 16’x 5’g ,= 80pies2, y P = 42 pies.EL costo de energía de las galerías de entrada de aire es:Co = (0.045)(0.746)(24)(365) = 294.07 dls/hp · añoDespués calculamos Pi con la formula 8-6 y con Pi y co

l l Ccalculamos Co

Para determinar el valor presente de los costos de operaciónPara determinar el valor presente de los costos de operación durante la vida de las galerias hay que encontrar el factor del valor presente para una serie de pagos uniformes d t l id d l l í P id d 20 ñdurante la vida de las galerías. Para una vida de 20 años y

una tasa de interés del 12% el factor de valor presente es p7.4695. Este factor al multiplicarlo por el costo anual de operación nos da su valor presente:

# de Hl P i Co, Valor presente de losGalerías Pulgadas hp dls costos de op., dls

1 25 24 1 324 95 389 000 2 910 1001 25.24 1,324.95 389,000 2,910,1002 6.31 331.24 97,400 727,5003 2.80 147.22 43,300 323,300, ,4 1.58 82.81 24,400 181,9005 10.1 53.00 15,600 116,400 6 0.70 36.80 10,800 80,8007 0.52 27.04 8,000 59,400

Costos totales de las galerías del Ejemplo 8-3

Capítulo 9 Uso de equipo diesel en minas subterráneas

El empleo de equipo con motores diesel en minasEl empleo de equipo con motores diesel en minas subterráneas se considera seguro desde el punto de vista de salud laboral y de seguridad siempre y cuando se usen motores bien diseñados, bien construidos, debidamente probados, aprobados y

tifi dcertificados.El mantenimiento preventivo debe estar bien

l d j t d t d bplaneado y ejecutado y, por supuesto, se debe tener un sistema de ventilación bien planeado y eficienteeficiente.

El motor diesel, que es un motor de compresión, , q p ,fue inventado en 1892 en Alemania por el Dr. Rudolf Diesel.

l i i i i i i i l dEl principio compresión – ignición es el método inherentemente más eficiente y seguro para convertir la energía del combustible en trabajoconvertir la energía del combustible en trabajo mecánico útil.Por su capacidad para trabajar con mezclas muy pobres de combustible-aire es eficiente al trabajar a cargas parciales.

El principio de operación es como sigue:p p p gSe introduce aire al cilindro y se comprime a alta presión, para cuando el pistón se acerca al fin de

dsu carrera su temperatura es de 538 °C, que es arriba del punto de ignición del diesel.Se inyecta a alta presión una niebla fina de diesel aSe inyecta a alta presión una niebla fina de diesel a la cámara de combustión y se produce una auto ignición del diesel justo antes de que el pistón llegue al final de su carrera. La energía de la combustión se libera y empuja al pistón en sentido contrariocontrario.

Los motores diesel operan en ciclos de dos yLos motores diesel operan en ciclos de dos y cuatro tiempos.El ciclo de cuatro tiempos: admisión, compresión, p , p ,combustión y escape es más eficiente en términos de energía y emisión de productos tóxicos.El motor de cuatro tiempos predomina en el equipo usado en minas subterráneas.En términos generales los motores diesel aprobados constituyen el 90 % de la población.

El motor diesel aprobado aspira un volumenEl motor diesel aprobado aspira un volumen constante de aire por r.p.m. y produce potencia en proporción a la cantidad de combustible inyectado y a la velocidad del motor.En un motor diesel siempre debe haber un exceso de oxígeno para la combustión de todo el combustible inyectado. Por lo tanto variará la

t ió d l i i d tó iconcentración de las emisiones de gas tóxico dentro de rangos amplios, dependiendo de la carga del motor y de las r p mdel motor y de las r.p.m.

A los motores diesel usados en el interior de laA los motores diesel usados en el interior de la mina se les practica una disminución de su régimen (“derated”). Es decir una reducción al volumen máximo de combustible que se puede inyectar al cilindro, para asegurar que todo el

b tibl t d ícombustible es expuesto a un exceso de oxígeno para facilitar una combustión completa.E b i l d ió d é i d lEs obvio que la reducción de régimen reduce la potencia máxima del motor.

La introducción de aire al cilindro a una densidadLa introducción de aire al cilindro a una densidad mayor a aquella a la cual sería normalmente introducido a los pistones, permite quemar más combustible lo cual permite al motor producir más potencia. Un método para lograr esto se conoce

dcomo supercargado. Un supercargador accionado por el motor es un

d i l l ió d l icompresor de aire que eleva la presión del aire admitido; con lo cual se aumenta hasta en un 50 % el rendimiento en caballos de fuerzael rendimiento en caballos de fuerza.

Otro método de aumentar la masa de aire entregada al motor y la potencia hasta en un 100 % es turbocargando con post – enfriamiento.

l b d bi d i dEl turbocargador es una pequeña turbina de aire de gas accionada por los gases del escape, conectada por una flecha a un compresor rotatorio ubicadopor una flecha a un compresor rotatorio ubicado en el sistema de admisión del aire.El post – enfriador es un intercambiador de calor, entre el turbocargador y los orificios de admisión del aire al cilindro, que reduce la temperatura del aire admitido al motoraire admitido al motor.

En los motores diesel que utilizan sistemas de qsupercargado o turbocargado se aumenta la concentración de óxidos de nitrógeno en los gases del escapedel escape.Se combina más nitrógeno con oxígeno debido a que el motor opera a una temperatura y presiónque el motor opera a una temperatura y presión interna más alta.En el motor diesel se utilizan dos sistemas básicos de inyección de combustible al motor: directa e indirecta.

El sistema de inyección indirecta incorpora unaEl sistema de inyección indirecta incorpora una cámara de precombustión.La inyección indirecta se usa principalmente en y p pminas subterráneas porque las emisiones de los motores tienen menos productos contaminantes.En el sistema de inyección directa el aceite diesel es inyectado a alta presión a una depresión en la parte superior del pistón que contribuye a que el diesel se distribuya uniformemente.

Inyección directaInyección directa

El motor de inyección indirecta tiene una cámara yespecial, separada de la cámara principal, donde se hace una combustión primaria con el 50 % apro imadamente de la totalidad del aire deaproximadamente de la totalidad del aire de combustión.Por la falta de oxígeno en esta combustiónPor la falta de oxígeno en esta combustión primaria se reduce la formación de óxido nitroso. La combustión primaria crea un aumento de

ió l á i i j lpresión en la cámara primaria que arroja los gases parcialmente quemados hacia la depresión en la parte superior del pistón.pa te supe o de p stó .

Allí se produce entonces la combustión secundaria con un exceso de aire a baja temperatura y con una

b l i lfuerte turbulencia, por lo que aquí tampoco están dadas las condiciones para una creación de óxido nitrosonitroso.La combustión consecutiva en dos etapas crea poco hollín, menos materias olorosas y una proporción baja de hidrocarburos parcialmente quemados.

Combustión en dos etapasCombustión en dos etapas

Combustión primariaCombustión primaria

Combustión secundariaCombustión secundaria

La mayoría de los motores diesel instalados en yequipo móvil para uso subterráneo son de cuatro tiempos, enfriados por aire, de aspiración natural y de in ección indirectade inyección indirecta.Por un tiempo la mayoría de los equipos estaban equipados con motores Deutz enfriados por aireequipados con motores Deutz enfriados por aire, últimamente se han instalado motores Caterpillar y Detroit Diesel enfriados por agua.La última generación de motores utiliza inyección electrónica, para mejorar la combustión y reducir la emisión de contaminantesla emisión de contaminantes.

Combustión y sus productos

Relación Aire a CombustibleLa masa de combustible diesel, más el aire de la atmósfera que entra a los cilindros de combustión d di l d i d id i lde un motor diesel de régimen reducido, es igual a la masa de los productos de combustión que salen por el escapepor el escape.En condiciones de operación la relación masa de aire: combustible que entra al cilindro puede variar de 20 a 100 libras (9.1 a 45.4 Kg) de aire por cada libra de combustible.

La razón estequiométrica de aire : combustibleLa razón estequiométrica de aire : combustible (estequiometría: relación cuantitativa entre elementos y compuestos en las reacciones químicas) para diesel normal es de 14.7 : 1.La razón promedio aire : combustible en un motor en condiciones variables, típicas de operación, está en el rango de 22 : 1 a 25 : 1; en peso la razón es 156 177 lib d i tá d ló156 a 177 libras de aire estándar por galón americano de diesel consumido.

El aceite diesel está constituido principalmente de p pcarbono e hidrógeno con una pequeña cantidad de azufre.

i i l l dLa composición elemental no varía grandemente entre los combustibles diesel de alta pureza.Una composición típica de masa es:Una composición típica de masa es:

% de masaCarbono 85 – 86Carbono 85 – 86Hidrógeno 13 – 14Azufre 0 05 – 0 4Azufre 0.05 0.4

El aceite combustible diesel se representa como pC12H24.En la combustión del aceite diesel, el carbono, el hid l l b iblhidrógeno y el azufre en el combustible se combinan con el oxígeno del aire para producir CO2 SO2 y vapor de aguaCO2, SO2 y vapor de agua.Al quemarse el combustible más del 99 % del carbón se convierte en CO2. A pesar de esto, son muy importantes las pequeñas cantidades de CO, hidrocarburos gaseosos y partículas de carbón desde el punto de vista de salud laboraldesde el punto de vista de salud laboral.

Consumo de combustible. Para certificar yConsumo de combustible. Para certificar y aprobar motores diesel para minas subterráneas se les reduce el consumo de combustible, para que el combustible esté expuesto a un exceso de oxígeno. La razón de combustible : aire máxima permisible está determinada por un contenido máximo de CO de 0.25 % en volumen, en todo el rango de prueba d l id d t i Si í á l óde velocidad y potencia. Si es así esa será la razón combustible : aire máxima permisible.

El consumo específico máximo de combustible (peso de combustible consumido/caballo al freno

d id h ) d b d lproducido por hora) de motores aprobados por la MSHA para uso en minas subterráneas, no excede de 0 5 lb de diesel/bhp · hr El regimen de losde 0.5 lb de diesel/bhp hr. El regimen de los motores aprobados se reduce considerando la elevación sobre el nivel del mar y la temperatura d l idel aire.

En condiciones normales de operación de mina el pconsumo real de diesel de la mayor parte del equipo promedia entre 0.2 a 0.25 lbs/hr/bhp.

l d i d b iblEl factor de consumo específico de combustible permite comparar la utilización eficiente de diesel de motores de diferentes tamaños y diseñosde motores de diferentes tamaños y diseños.Los factores de reducción de régimen de todos los tipos de equipo diesel son directamente proporcionales a la densidad promedio del aire, la cual está relacionada con la elevación sobre el nivel del marnivel del mar.

Reducción de régimen por elevación sugerida por MSHA

Emisiones de gases y productos contaminantesEmisiones de gases y productos contaminantes en el escape.Los gases y productos contaminantes producidos y g y p p ydescargados por el escape del motor, se agrupan:A.- Productos de una combustión completap

1) Dióxido de carbono, CO2

2) Vapor de agua) V po de gu3) Dióxido de azufre, SO2

B.- Productos de una combustión incompleta1) Monóxido de carbono CO1) Monóxido de carbono, CO2) Hidrocarburos (incluyendo aldehídos)3) Carbón (hollín tizne)3) Carbón (hollín, tizne)

C.- Óxidos de nitrógeno (NOx)1) Ó id it NO1) Óxido nitroso, NO2) Dióxido de nitrógeno, NO2

Concentraciones en las emisiones propias de unConcentraciones en las emisiones propias de un diesel cuyo análisis es de 85 a 86 % de carbón, 13 a 14 % de hidrógeno y 0.05 a 0.7 % de azufre, sonNitrógeno 75.6 % en volumenDióxido de carbono 8.9 % en volumenAgua 8.7 % en volumenOxígeno 6.8 % en volumenO ge o . % e vo u eDióxido de azufre 195 p.p.m.

Otra manera de ver la combustión es:Otra manera de ver la combustión es:Una libra de diesel hará combustión con el oxígeno contenido en unas 15 libras de aire.gSe producirán unos 225 pies3 de productos de la combustión, consistiendo aproximadamente en un , p73 % de nitrógeno, 13 % de dióxido de carbono y oxígeno, 13 % de agua y menos del 1 % de contaminantes tóxicos (CO, NO, NO2, HC, SO2 y humo de carbón).

La formación de óxidos de N aumenta con laLa formación de óxidos de N aumenta con la temperatura y con un exceso de oxígeno. En la combustión en el motor se produce óxido nitroso, que se oxida a dióxido de nitrógeno en el tubo de escape y en el ambiente de la mina en condiciones d d í t t l Elde exceso de oxígeno y temperaturas normales. El término óxidos de nitrógeno NOx incluye NO + NONO2.El CO es producto de una combustión incompleta.

Aún cuando los motores operan en un exceso deAún cuando los motores operan en un exceso de aire, el CO se produce en puntos en el cilindro donde hay una escasez de oxígeno o debido a una distribución inadecuada de combustible o por el efecto de paredes frías del cilindro.Los gases del escape contienen hidrocarburos sin quemar, parcialmente quemados y t f i d d i ió í itermofraccionados de composición química variada. Las concentraciones máximas de hidrocarburos ocurren sobre todo a cargas bajashidrocarburos ocurren sobre todo a cargas bajas.

Cuando el motor opera a una carga alta se produceCuando el motor opera a una carga alta se produce carbón (hollín) por termofraccionamiento a alta temperatura y bajo condiciones de escasez local de aire. La formación de hollín ocurren en el arranque del motor. Crece por defectos en el i t d i ió á d b tiósistema de inyección o cámara de combustión, es

indicativo de mantenimiento pobre, desajuste o sobrecarga del equipo El hollín en forma de humosobrecarga del equipo. El hollín en forma de humo es altamente visible cuando la concentración es de aproximadamente 150 a 175 mg/m3.p g

Los gases de importancia primordial son el CO yLos gases de importancia primordial son el CO y los NOx.De los óxidos de nitrógeno en el escape del 95 –g p99 % es NO, el resto es NO2. La concentración inicial del NO es baja, por lo que la conversión de NO a NO2 en la atmósfera de la mina es baja.En rebajes grandes donde el tiempo de tránsito del aire puede ser prolongado, la conversión de NO a NO2 puede ser apreciable.

Los requerimientos de aire de ventilación para operaciones que usan equipo diesel por lo general p q q p p gestán basados en la dilución de los NOx.Cuando los NOx son el factor determinante, x ,obviamente se prefiere equipo con motores diesel equipados con cámara de precombustión.

Concentraciones de gases de escape en aire g pambiente.Los niveles promedio de emisión son bajos

l i d bid l l d id drelativamente debido al alto factor de seguridad considerado para la certificación y a que el factor de carga de operación del equipo diesel esde carga de operación del equipo diesel es relativamente bajo.Se ha demostrado en estudios que el factor de carga efectivo para un turno de 8 horas varía del 20 al 40 %.

A continuación se muestra gráficas de barras de concentraciones reales de CO, NO y NO2 de un , y 2motor de 100 hp certificado, cuando la descarga del escape se diluye con 10,000 pcm.Se muestran las barras de los contaminantes con el motor operando a plena carga y al 20 %. Además se muestra la barra del Valor Umbral Límite para cada contaminante.

Concentración típica de gases contaminantes de motor diesel de 100 hp, diluida con 10,000 pcm demotor diesel de 100 hp, diluida con 10,000 pcm de

aire

Combustible diesel.El factor más importante para una operación eficiente de los motores es el diesel.Hay cinco propiedades del diesel extremadamente significativas para asegurar una operación correcta y cumplir o rebasar la vida esperada del motor.cu p o ebasa a v da espe ada de oto .Estas propiedades son: limpieza, volatilidad, índice de cetano, gravedad y viscosidad.La limpieza es la propiedad más importante, el agua y la basura no se quemarán en un motor diesel.

El combustible que contiene agua, basura abrasiva o un exceso de azufre puede ocasionar un daño pgrave al motor.Los claros entre las partes móviles de una bomba pde inyección de combustible a menudo son de menos de 0.0001”. Una cantidad pequeña de basura puede dañar permanentemente estas piezas.

Los cuidados no se deben limitar al tanque de qalmacenamiento.Asegúrese de diariamente drenar el agua de los tanques del

hí l S d t l l t lvehículo. Se puede mantener el agua en el tanque al mínimo llenando el tanque al fin del día en vez de al principio.Volatilidad. Es la habilidad para cambiar de un estado líquido a vapor.L l ilid d d b ibl id lLa volatilidad de un combustible se mide por la temperatura a la que se destila el 90 % del combustible.

Índice de Cetano. El índice de cetano o categoríaÍndice de Cetano. El índice de cetano o categoría indica la calidad de ignición de un combustible y es una medida de que tan pronto el diesel se empieza a quemar después de ser inyectado a la cámara de combustión. Entre más corto sea ese

í d á lt l ú d tperíodo, más alto es el número de cetano.La calidad de ignición es extremadamente i t t l i i ió d l di l d dimportante porque la ignición del diesel depende por completo del calor de compresión.

Una buena calidad de ignición promueve unUna buena calidad de ignición promueve un arranque más fácil, reduce el retardo del encendido y minimiza el humo y el golpeteo. Un índice de cetano muy bajo produce humo y menos potencia.Peso Específico (Gravedad). Es un indicio del valor calorífico de un combustible.Viscosidad. Es la resistencia al flujo. Un cambio en la viscosidad del diesel afectará su movimiento.

El contenido de azufre es importante porque un contenido alto promueve la corrosión de pcomponentes críticos del motor.Otro factor importante es el punto de inflamación, p p ,su disminución puede afectar el desempeño del motor.

Acondicionadores de los gases del escape

El escape de los motores diesel se acondiciona y/oEl escape de los motores diesel se acondiciona y/o diluye por medio de lavadores de agua, difusores y acondicionadores catalíticos.El equipo diesel aprobado y certificado para uso subterráneo por la MSHA debe estar equipado con un sistema de enfriamiento del gas del escape capaz de bajar la temperatura del escape a 71 °C

l i di ió ti E t len cualquier condición operativa. Esto se logra con lavadores húmedos de gases y diluyendo los gases del escapegases del escape.

Se debe reducir la temperatura de los gases debajoSe debe reducir la temperatura de los gases debajo de 71 °C por seguridad, la del personal, y para reducir el riesgo de incendio y para reducir los efectos de la estratificación de aire en la mina.Cualquier gas caliente de escape tenderá a subir y a estratificarse en el cielo, dando lugar a una concentración de gases en ese lugar, para reducir

ibilid d i dif l i tesa posibilidad se incorpora un difusor al sistema de escape.

Los lavadores húmedos de aire además de reducirLos lavadores húmedos de aire además de reducir la temperatura de los gases atrapan algunos de los hidrocarburos no quemados, de los hidrocarburos oxidados parcialmente, óxidos de azufre y NO2. También atrapan partículas sólidas y aldehídos.Los lavadores húmedos tienen un efecto poco perceptible sobre el CO y el NO, porque estos no

l bl l t t áson muy solubles en agua y, por lo tanto no serán absorbidos y removidos.

Los acondicionadores o convertidores catalíticosLos acondicionadores o convertidores catalíticos pueden oxidar del 10 al 90 % del CO a CO2 si la temperatura del gas es ≥ 232 °C. La reacción está en su rango de máxima eficiencia cuando la temperatura de los gases se aproxima a los 343 °C. L tid t líti di i lLos convertidores catalíticos disminuyen las emisiones de hidrocarburos y aldehídos, pero tienen poco efecto sobre los óxidos de nitrógeno otienen poco efecto sobre los óxidos de nitrógeno o las partículas sólidas.

Tabla Eficiencia de los acondicionadores d l dde los gases de escape

Lavadores Húmedos o de Agua.gTrabajan pasando los gases por un baño de agua antes de descargarlos. Son los más eficientes para

i l i i l l lidenfriar las emisiones y colectar partículas sólidas. Reducen las emisiones de hidrocarburos.Tienen muy poco efecto sobre el CO y los NOTienen muy poco efecto sobre el CO y los NOx.Si no se mantiene el nivel de agua y ésta se evapora los contaminantes disueltos antes pueden ev po os co es d sue os es puedeser emitidos con el vapor de agua y en forma de gases.

Convertidores catalíticos.Convertidores catalíticos.Los convertidores más usados son los de platino que utilizan cargas de “pelets” y elementos q g p ymonolíticos que son agentes catalíticos que aceleran la reacción química a temperaturas bajas de los gases de escape.En el mantenimiento de algunos convertidores se reemplazan los pelets o los elementos monolíticos, para regenerarlos.

El convertidor catalítico es más eficiente que elEl convertidor catalítico es más eficiente que el lavador húmedo, más fácil de instalar y necesita menos mantenimiento.El convertidor eleva la temperatura de salida del gas debido a las reacciones exotérmicas que ocurren.No se debe trabajar el motor en vacío durante períodos extensos de tiempo, la temperatura del gas disminuye y los convertidores se ensuciarán.

Si hay presente SO2 en cantidades significativas y las temperaturas del escape son altas, en algunos p p , gconvertidores el dióxido se oxida a SO3, resultando un humo denso.Cuando el diesel contiene del 0.55 al 0.70 % de azufre en masa, la niebla producida prácticamente reduce por completo la visibilidad de las obras.

Diluidor de humos. Es muy parecido a un inyector de aire. La velocidad del flujo del escape y j pdel motor al pasar por una abertura anular, induce una corriente de aire del ambiente y, juntos, el aire del escape y el aire del ambiente son descargados lejos del operador.

Aprobación, certificación y requerimiento de aire de equipo diesel

La STPS realiza inspecciones para vigilar elLa STPS realiza inspecciones para vigilar el cumplimiento de las Normas Oficiales Mexicanas y reglamentos en materia de seguridad e higiene. Sin embargo no aprueba ni certifica motores diesel usados en minas subterráneas. El volumen de aire de ventilación recomendado en la NOM 028 es de 75 pcm, que es generalmente

á b j l d d MSHAmás bajo que el recomendado por MSHA que considera aire para diluir gases y aire para diluir partículas sólidaspartículas sólidas.

La MSHA es una dependencia del DepartamentoLa MSHA es una dependencia del Departamento de Trabajo de los E.U. que está facultada para probar, aprobar, y certificar el equipo diesel móvil para uso en minas subterráneas.Aprobación y certificación MSHA.La MSHA aprueba y certifica motores diesel para uso en minas subterráneas bajo tres cédulas de prueba, que establecen los requerimientos y recomendaciones para:

Cédula 22 Minas de carbón con gas.Cédula 22 Minas de carbón con gas.Cédula 24 Minas y túneles sin gas, que no sean de carbón.Cédula 31 Minas y túneles con gas, que no sean de carbón.En minas y túneles con gas los motores deben ser aprobados y certificados en las cédulas 22 y 31.Todo equipo diesel debe utilizar lavadores o convertidores catalíticos de los gases de escape.

Los volúmenes de aire de ventilación de la mina deben bastar para mantener los niveles de los pgases tóxicos debajo de los valores umbrales límite (VUL).Para fijar el requerimiento de ventilación de los motores MSHA los prueba operando a diferentes caballos de fuerza y a diferentes r.p.m., midiendo las cantidades de CO2, CO, NO y NO2 generadas.

La cantidad de estas emisiones se relacionan conLa cantidad de estas emisiones se relacionan con la razón combustible : aire, el diseño de la cámara de combustión, la temperatura y presión de combustión, el diseño del sistema de inyección del combustible, el sistema de enfriamiento de los

d l l d l i t d l tgases del escape, el desplazamiento del motor, sus r.p.m. y otros factores.L b b d i ió tá lib d li itLa bomba de inyección está calibrada para limitar el CO en el escape para que no exceda de 2,500 p p m bajo las peores condiciones de pruebap.p.m. bajo las peores condiciones de prueba.

El aire requerido para diluir cada uno de los contaminantes q pdel escape a la mitad de su VUL se calcula con la siguiente fórmula:

Cm1

5.0−=

VULCm

Q escapeaire α

Qaire= Volumen de aire de dilución, pcmmescape= Caudal de la masa del escape, lb/minα = Densidad de aire estándar 0 075 lb/pie3α = Densidad de aire estándar, 0.075 lb/pie3

C = Concentración del contaminante en el escape, ppm

El énfasis de las pruebas de MSHA es a ciertos pniveles de CO y NO en el escape. Para la mayoría de los motores el NO es el contaminante crítico en condiciones de plena carga elocidad nominalcondiciones de plena carga y velocidad nominal.El factor numérico de 0.5 x VUL en el denominador de la ecuación duplica el volumen dedenominador de la ecuación duplica el volumen de aire requerido para diluir un contaminante. En realidad el margen de seguridad es mayor al 100 %. El aire se calcula para niveles máximos del contaminante lo cual ocurre al máximo caballaje.

Requerimiento de MSHA para emisiones del Equipo Diesel

Otro factor importante que establece el aire necesario para diluir las emisiones del escape, es p p ,la velocidad del aire en las obras mineras. Se necesita una velocidad mínima de 50 a 100 pies/min para eliminar la estratificación que resulta de una acumulación de emisiones en la t ó f d l iatmósfera de la mina.

En los E.U. desde 1999 los motores diesel tienen que ser aprobados y certificados en cuanto a partículas sólidas. Hay que diluir las partículas sólidas de ac erdo a n Índice de Partíc las (IP)sólidas de acuerdo a un Índice de Partículas (IP).El IP desarrollado para un motor diesel específico se expresa como el volumen de aire requerido parase expresa como el volumen de aire requerido para diluir las partículas sólidas a 1 mg/m3.MSHA estima que hasta un 50 % de las partículas sólidas suspendidas en el aire de una mina de carbón se debe a partículas de escapes de motores.

A pesar de la experiencia mundial acumulada en el uso de motores diesel en minas subterráneas, aun

l l d d b lfalta por contestar algunas dudas sobre el efecto sobre la salud una exposición de largo plazo a concentraciones bajas de mezcla de gases vaporesconcentraciones bajas de mezcla de gases, vapores y partículas del escape, o a combinaciones de las emisiones del escape y polvo de carbón o de otras

tí l ólidpartículas sólidas.

En varios países se han hecho investigaciones para desarrollar un criterio que tome en cuenta los qefectos combinados de la mezcla de contaminantes diesel que hay en la atmósfera subterránea.En diferentes países las concentraciones máximas de contaminantes y los requerimientos de ventilación varían como se muestra en la siguiente tabla.

Concentraciones máximas de contaminantes y i i d il ió i írequerimientos de ventilación en varios países

Capítulo 10 Sistemas de ventilación y su diseño

Un sistema de ventilación debe distribuir el aireUn sistema de ventilación debe distribuir el aire fresco a los lugares de trabajo y extraer el aire contaminado con gases, polvo y calor a superficie.En el diseño de un sistema de ventilación primero se debe determinar el requerimiento total de aire, que incluye aire para diluir a niveles seguros metano, emisiones de motores diesel o de otros

t i t d á t l id dcontaminantes; además para mantener velocidades mínimas o máximas de aire exigidas por las normasnormas.

Además se debe calcular aire para mantener condiciones ambientales adecuadas en los lugares d b j b i l i ide trabajo y en subestaciones eléctricas, estaciones de bombeo, de trituración, talleres, etc.; y para sustentar la vida del personalsustentar la vida del personal.Después hay que distribuir el aire con ayuda de puertas, tapones, reguladores, puentes, etc.; y calcular la presión que hay que impartir al aire para que éste llegue a los lugares donde se necesita

Diferencias entre minas metálicas y minas de carbón

Este procedimiento general es aplicable a minas deEste procedimiento general es aplicable a minas de carbón, metálicas y no metálicas. Las diferencias entre ellas se deben a los sistemas de minado, a los contaminantes presentes y a las normas y reglamentos oficiales aplicables.En términos generales los depósitos de carbón se presentan en mantos de espesor relativamente

if ibl t h i t luniforme, sensiblemente horizontales o con una inclinación moderada y también son relativamente poco profundospoco profundos.

Los mantos de carbón por lo general se prestan aLos mantos de carbón por lo general se prestan a una ventilación sistemática.Los depósitos de minerales metálicos son cercanos pa la vertical o verticales y generalmente más profundos su espesor y forma son variables (vetas, chimeneas, reemplazamientos, boleos, etc.) que no permiten una ventilación sistemática. Algunos d ó it f d t d tildepósitos en forma de mantos se pueden ventilar con sistemas propios de las minas de carbón.

Contaminantes. En las minas de carbón el más importante es el metano y es el criterio de diseño más importante en las minas de carbón, de tal manera q e al satisfacer el req erimiento de airemanera que al satisfacer el requerimiento de aire para diluir el metano se satisfacen otros requerimientos, porque puede haber otros gases.q , p q p gEn las metálicas los contaminantes pueden ser los gases del escape de motores diesel, gases que

l l i d t d l d i iósalen al minar, productos de la descomposición orgánica e inorgánica, gases de la disparada o de la radioactividad.a ad oact v dad.

La gran mayoría de estos contaminantes tienen laLa gran mayoría de estos contaminantes tienen la ventaja de no generar atmósferas explosivas como es el caso del metano.Normas Aplicables a Minas Metálicas.La Norma Oficial Mexicana NOM-010-STPS-1999 establece los niveles máximos permisibles de sustancias contaminantes de acuerdo al tipo de exposición. Las definiciones de niveles de concentración permisibles son:

Nivel Máximo Permisible. Se refiere a la máximaNivel Máximo Permisible. Se refiere a la máxima concentración de un elemento o compuesto químico, que no debe superarse en la exposición de los trabajadores considerando 3 categorías:Concentración Promedio Ponderada en el Tiempo(CPT). Para 8 horas de exposición diarias a la cual la mayoría de los trabajadores expuestos no

t f t d l l dpresentan efectos adversos a la salud.

Concentración para Exposición a Corto TiempoConcentración para Exposición a Corto Tiempo(CCT). Concentración en que el tiempo no debe exceder de 15 min. hasta 4 veces/jornada y con períodos de no exposición de al menos 1 hora en dos exposiciones sucesivas. En todo caso la CPT

l i ió t t l i l i ipara la exposición total que incluya exposiciones cortas no debe exceder la prevista para 8 horas de exposición diariaexposición diaria.Concentración Pico (P). Es la concentración que no se debe sobrepasar en ningún momentono se debe sobrepasar en ningún momento.

Concentraciones permisibles de gases para minas diferentes a las de carbón

CPT CCTCPT CCTppm mg/m3 ppm mg/m3

Monóxido de Carbono, CO 50 55 400 400Dióxido de Carbono, CO2 5,000 9,000 15,000 27,000Óxido Nitroso, NO 25 30 35 45Dióxido de Nitrógeno, NO2 3 6 5 10Dióxido de Azufre, SO2 2 5 5 10S lf d Hid ó H S 10 14 14 21Sulfuro de Hidrógeno, H2S 10 14 14 21Aldehídos 10Oxígeno 19 5 – 21 %Oxígeno 19.5 – 21 %

El requerimiento de aire fijado en la NOM-023-El requerimiento de aire fijado en la NOM 023STPS-2003 para diluir los gases del escape de motores diesel es de 1.5 m3/min (75 pcm), además se debe mantener una velocidad mínima de aire de 15.24 m/min (50 pies/min) para garantizar la di i ió d l t i tdisipación de los contaminantes.El punto de inflamación del diesel no debe ser de

d 66 °C l di l d b t ámenos de 66 °C y el diesel no debe contener más del 1.5 % en peso.

Normas aplicables a las minas de carbónpEn las minas de carbón el principal contaminante es el gas metano, que en ciertas concentraciones

l iforma una atmósfera explosiva.La concentración máxima de metano fijada en la NOM 032 STPS 2008 es de > 1 5 % en laNOM-032-STPS-2008 es de > 1.5 % en la atmósfera de trabajo en la mina y de > 1.5 % en el aire de retorno.La concentración máxima de polvo de carbón es 2 mg/m3 según la NOM-010-STPS-1999.

Las concentraciones máximas permisibles deLas concentraciones máximas permisibles de gases contaminantes, excluyendo el metano, y el requerimiento de oxígeno son los mismos que para las minas metálicas.Los ventiladores principales se deben instalar en el exterior de la mina y se debe instalar un segundo ventilador accionado por una fuente de energía i d di t d l li t l til dindependiente de la que alimenta al ventilador principal.

Uso Repetido del AireEn las minas de carbón no se puede usar el mismo aire para ventilar dos o más obras, lo que si se puede hacer en las metálicas, mientras el aire tenga suficiente oxígeno y los contaminantes no rebasen los límites.os co ta a tes o ebase os tes.Ventiladores auxiliares (“booster”)Estos ventiladores se usan en metálicas y no se permiten en las de carbón. En ambos tipos de mina se pueden usar ventiladores auxiliares si cumplen con la normatividad.

Otros elementos del sistema de ventilación de minas metálicas

Dirección del flujoDirección del flujoDebe haber al menos dos accesos a la mina en aire fresco, uno de ellos la salida de emergencia; lo , g ;anterior obliga a que haya además una o varias salidas de aire viciado. Por otra parte, la gran mayoría de las veces el aire viciado sale húmedo, por lo que los tiros de manteo y/o servicios no d b lid d i i i ddeben usarse como salidas de aire viciado para evitar la corrosión de cables, aditamentos y equipo de izado y su contacto con el personalde izado y su contacto con el personal.

Ubicación del ventiladorUna vez que se establecen las direcciones de las principales entradas y salidas de aire, hay que definir laprincipales entradas y salidas de aire, hay que definir la ubicación del (o los) ventilador principal, en el exterior o en el interior de la mina.Cada ubicación tiene sus ventajas y desventajasCada ubicación tiene sus ventajas y desventajas.Ventajas de ubicación en superficie:

En una emergencia hay control seguro y simpleAcceso fácil para mantenimiento o reparaciones

Instalación y conexión eléctrica sencilla y barataInstalación y conexión eléctrica sencilla y barata.Menor exposición a daño por incendio o explosiónMenos recirculación y fugasy g

Una desventaja es un ventilador instalado cerca de un poblado, o en una posición que los vientos dominantes hagan llegar el ruido a poblados.Las ventajas de ventiladores en el interior son:

Por estar cerca de lugares de trabajo remotos la ventilación es más fuerte y positiva.

El sistema de ventilación se puede modificarEl sistema de ventilación se puede modificar con facilidad, añadiendo ventiladores a lugares o áreas retiradas.

Maneja más aire que un extractor (pero menos que un inyector).La ventaja de una ubicación respecto a otra es en general la desventaja de la otra. En ventiladores en el interior de la mina su mayor desventaja es el ruido y la recirculación y fugas de aire.

Inyección o ExtracciónyDecidida la ubicación del (de los) ventilador (es) principales hay que decidir si va a funcionar como inyector o como extractorinyector o como extractor.Como todo, hay ventajas y desventajas.Ventajas de un ventilador como extractor:j

Ahorro en costo de energía con uso de difusorGarantiza que baje aire fresco, seco por tiros y

rampasSi la mina es caliente el extractor no añade

calor

En una mina con emisiones de metano (o (radón) si falla un extractor se retarda temporalmente la emisión de gases.

l d i l jEn el caso de inyectores las ventajas son:El ventilador maneja únicamente aire limpio,

no corrosivo con un contenido normal deno corrosivo, con un contenido normal de humedad

Los lugares están bajo presión positiva lo que, os ug es es b jo p es ó pos v o que,en minas de carbón o radioactivas, limita la emisión de gases.

Ventilación con varios ventiladores.En algunos sistemas a veces es conveniente auxiliar al ventilador principal con un booster;

d h i i l i lesto puede hacer más eficiente el sistema al tener una fuente de presión cercana a los lugares de trabajo y más barato pues el consumo de energíatrabajo, y más barato pues el consumo de energía será menor que el de un inyector o extractor de alta presión.Los ventiladores secundarios permiten una mejor distribución de aire a áreas lejanas

El principal inconveniente de los ventiladores p psecundarios es la dificultad de controlar las fugas o la recirculación de aire.Fugas o Filtraciones.Los lugares donde es más probable que haya fugas o filtraciones de aire son en las instalaciones deo filtraciones de aire son en las instalaciones de ventiladores, en terreno caído, en tapones o puertas entre vías de aire adyacentes y en tapones y puertas en las vías principales de aire; y son mayores cerca de fuentes de presión.

Fig. Efecto de las fugas en un circuito simple de ventilación

Las fugas se consideran como una obra de altaLas fugas se consideran como una obra de alta resistencia en paralelo a las vías principales.

Las fugas son difíciles de controlar, casi que son g , qinevitables.Se ha encontrado que en algunas minas llegan a

l d l l l d i i l dser el 80 % del volumen total de aire circulando.Tener un 15 % de fugas en minas metálicas y un 25 % en minas de carbón denota una operación25 % en minas de carbón denota una operación controlada.El valor promedio de fugas es arriba de 25 % en v o p o ed o de ug s es b de % eminas metálicas y arriba del 50 % en minas de carbón.

Diseño de sistemas de ventilaciónDiseño de sistemas de ventilación

Para diseñar un sistema de ventilación hay que:Determinar el requerimiento total de aire yDeterminar el requerimiento total de aire y particular de los lugares de trabajo.Establecer ubicación de ventiladores su funciónEstablecer ubicación de ventiladores, su función, entradas, salidas y ruta del aire.Calcular la presión necesaria que hay que C cu p es ó eces que y queimpartirle al aire para que éste llegue en cantidad adecuada a los lugares planeados.

Hecho el esbozo general del sistema hay que hacer g y qla planeación conceptual y la planeación a detalle.Debido a la variabilidad de las minas los detalles

d b j l di i i l dse deben ajustar a las condiciones particulares de cada mina. En la planeación conceptual hay que considerar:En la planeación conceptual hay que considerar:1.- Usar obras de acarreo o manteo como entradas de aire.de e.2.- Hacer que el aire circule por todas las obras disponibles y por todas las comunicaciones a sup.

3.- Dirigir el aire fresco al nivel activo más3. Dirigir el aire fresco al nivel activo más profundo de la mina, permitiendo que ascienda a través de los lugares de trabajo. También otros proponen la ventilación descendente, porque dicen reduce el problema de polvo en los lugares de t b j d l i l itrabajo cuando el aire se mueve en la misma dirección que el mineral quebrado, y que añade menos calor al aire en las minas calientes cuandomenos calor al aire en las minas calientes cuando éste entra a los rebajes de un nivel superior.4 - Limitar al mínimo la distancia recorrida/aire4. Limitar al mínimo la distancia recorrida/aire.

5.- Mantener aproximadamente iguales las resistencias de las vías de aire por donde entra y p ysale el aire.6.- Reducir al máximo los controles de ventilación en las principales vías de aire.7.- Evitar fugas y recirculación de aire.8.- Dirigir el aire de las zonas activas hacia zonas de hundidos o caídos.

9.- Dividir el flujo de aire tantas veces como se9. Dividir el flujo de aire tantas veces como se necesite y lo más cerca al ventilador como sea posible (en minas calientes limite lo más posible la división de flujos para mantener una velocidad que refresque los lugares).10.- Considerar extractores en superficie, al menos para algunos ventiladores principales.11.- Evitar mezclar la ventilación de minas adyacentes. Usarlas como salidas de emergencia.

12.- Usar como entradas de aire tiros ubicados al centro de la mina y como salida tiros ubicados en la periferia.

i l i l di i13.- Evitar que el aire fluya en direcciones opuestas en vías de aire adyacentes (tiros, inclinados en minas de carbón)inclinados en minas de carbón).14.- En sistemas de extracción, utilizar un nivel en desuso para ahí colectar el aire viciado de las áreas activas inferiores. De ese nivel se extraerá el aire viciado del circuito o sistema.

La planeación a detalle se ve afectada por:La planeación a detalle se ve afectada por:1.- Grado de concentración de lugares de trabajo.2 - Posición de los lugares de trabajo activos2.- Posición de los lugares de trabajo activos.3.- Condición del terreno y métodos de soporte requeridosrequeridos.4.- Ubicación de fuentes de calor, frío, gas o polvo5 - Ubicación de áreas selladas abandonadas o5.- Ubicación de áreas selladas, abandonadas o áreas de incendio.6 - Condición de lugares de trabajo abandonados6. Condición de lugares de trabajo abandonados.

7.- Requerimiento de enfriamiento de zonas7. Requerimiento de enfriamiento de zonas calientes en minas profundas.

Procedimiento de DiseñoComo se mencionó primero se debe determinar el requerimiento total de aire y particular de lugares.q y p gRequerimiento de Aire Gases Tóxicos. Los gases pueden provenir del G ses ó cos. os g ses puede p ove deescape de motores diesel, de los estratos, y de las voladuras.

Los gases más comunes en las minas metálicasLos gases más comunes en las minas metálicas son: CO, CO2, NO, NO2, SO2 y H2S. En las minas de carbón el contaminante más común es el metano. En las minas radioactivas es el radón. Hay que calcular el aire necesario para diluir los gases tó i t t id í i d ítóxicos, mantener contenidos mínimos de oxígeno y diluir los contenidos de polvo en suspensión a un máximo permisible Por último hay queun máximo permisible. Por último hay que proporcionar aire para el sostenimiento de la vida y el confort del personal.y p

Velocidad del Aire. Un factor que va de la mano qcon la cantidad de aire es la velocidad. Aparte de la velocidad mínima de 15.24 m/min. que hay que mantener ha recomendaciones prod cto de lamantener, hay recomendaciones producto de la experiencia de muchos años en muchas minas:Velocidad de aire en obras de desarrolloVelocidad de aire en obras de desarrollo.Se debe mantener una velocidad de 1.0 a 3.0 m/s en frentes, cruceros rampas, etc.Una velocidad arriba de 3.0 m/s es incomoda y empieza a levantar polvo.

Si la sección de una obra es muy reducida para una cierta cantidad de aire la velocidad es muy grande, por lo cual h t á t d d ihay que tener más entradas de aire.Velocidad de aire en rebajes.Se recomienda una velocidad de 2 0 m/s que se puedeSe recomienda una velocidad de 2.0 m/s, que se puede reducir a 0.5 m/s si el rebaje es frío, o aumentar a 3.0 m/s si el rebaje está caliente. En rebajes de gran área

l i d l i i d ltransversal se recomienda tapar las zonas inactivas, de lo contrario es mucho el aire necesario para mantener una cierta velocidad

Tabla Velocidad de aire recomendada según el tipo de vía de aire

Velocidad de aire para evitar estratificaciónVelocidad de aire para evitar estratificación.Se necesita una velocidad promedio mínima de 0.25 a 0.5 m/s para minimizar en los lugares de p gtrabajo la estratificación de los gases del escape de motores diesel y de las emisiones de metano.Pérdida de aire en tránsito.Se debe incluir una cantidad estimada de aire fresco que se fuga hacia las vías de extracción de aire viciado.

Pérdidas reportadas de aire en tránsitoPérdidas reportadas de aire en tránsito

Reglas de dedo y factores de ventilación.g y fCon estas reglas y factores se determina una cifra aproximada del requerimiento de aire. La cifra se d b l d d idebe usar con cautela porque puede conducir a subestimar o sobreestimar el requerimiento real.200 1 000 pcm Por persona en la mina200 – 1,000 pcm Por persona en la mina100 – 200 pcm Por bhp diesel50 – 200 pcm Por ton de mineral y tepetate50 – 200 pcm Por ton de mineral y tepetateUn cambio completo de aire entre turnos en las secciones en operación de la minap

En minas bien ventiladas se usan los siguientesEn minas bien ventiladas se usan los siguientes volúmenes de aire/ton de mineral y tepetate y por persona:

Para minas sudafricanas Lambrechts y BarazaPara minas sudafricanas Lambrechts y Baraza desarrollaron una relación empírica entre la temperatura de la roca virgen y el volumen de aire de ventilación/1000 ton de roca quebrada/mes.

Planeación de las rutas de airePlaneación de las rutas de aire

En lo posible que tiros, rampas y socavones deEn lo posible que tiros, rampas y socavones de acceso a la mina sean entradas de aire.Limitar los recorridos de aire a las ruta más corta.Establecer si la ventilación va a ser ascendente o descendente, si las entradas de aire van a estar ,localizadas al centro del sistema y las salidas en los extremos o, si las entradas de aire van a estar en un extremo de la mina y las salidas por el extremo opuesto.

Sistemas de ventilación para minas no de carbón

Ventilación de rebajes de Tumbe sobre CargaVentilación de rebajes de Tumbe sobre Carga

Ventilación de rebajes por corte y relleno

Ventilación de rebajes por Corte y Relleno

Ventilación de rebajes por subniveles con barrenación larga

Ventilación de rebaje por Hundimiento de Subniveles

Ventilación de Subniveles por Hundimiento

Ventilación de Subniveles por Hundimiento

Sistemas de ventilación para minas de carbón

Los controles de ventilación usados en las minas de carbón son iguales a los de minas metálicas, salvo diferencias en la frecuencia de uso o de materiales para s constr cción Se p eden citarmateriales para su construcción. Se pueden citar las siguientes diferencias:Tapones En las metálicas se construyen de bloqueTapones. En las metálicas se construyen de bloque de concreto, piedra o madera. En las de carbón de bloques de concreto y, a veces, metálicos.Cortinas. De yute o de material plástico o ahulado más comunes en las de carbón y rara vez en las metálicasmetálicas.

Puentes. Se usan casi exclusivamente en las de carbón; en casos especiales en las metálicas.En las minas de carbón los materiales con que se

l l d il i d bconstruyan los controles de ventilación deben ser incombustibles.Otras diferencias entre las metálicas y las deOtras diferencias entre las metálicas y las de carbón se derivan de la presencia del metano y del polvo de carbón y algunas de las relevantes son:En las minas de carbón los ventiladores principales se deben instalar en superficie.

Se debe tener un 2º. ventilador accionado por unaSe debe tener un 2 . ventilador accionado por una fuente de energía independiente. Los circuitos eléctricos de los ventiladores deben estar separados de otros circuitos, deben estar conectados a un manómetro y tener un dispositivo

t áti d l i dautomático de alarma que avise de un paro.Se pueden ventiladores auxiliares si el motor es a

b d l i l b l t b íprueba de explosiones, la base y la tubería sean incombustibles y con dispositivo para cortar la corriente al registrar un % de metano de 1 5corriente al registrar un % de metano de 1.5.

Las áreas muertas o explotadas se deben sellar con tapones a prueba de explosiones e incendios.Las obras mineras deben estar libres de riesgo por el polvo de carbón, utilizando agua a presión, polvo inerte u otras medidas para reducir lapolvo inerte u otras medidas para reducir la dispersión de polvo de carbón desde su origen.Los principales métodos de explotación de las os p c p es é odos de e p o c ó de sminas de carbón son Cuartos y Pilares y Frente Larga.

Dependiendo de la geología y de la mina se puedeDependiendo de la geología y de la mina se puede usar dos configuraciones básicas de ventilación: en “U” (a) y “de paso” (b).

Sistemas de ventilación para Cuartos y Pilares

Una característica de este método es la gran gcantidad de galerías abiertas. Por esas obras se puede distribuir el aire de manera unidireccional o bidi i l En el fl jo nidireccional el aire enbidireccional. En el flujo unidireccional el aire en las obras adyacentes fluye en la misma dirección y es o totalmente fresco o totalmente contaminado; ;en tanto que en el bidireccional, el aire en las galerías adyacentes fluye en direcciones opuestas, por un lado aire fresco y por el otro contaminadopor un lado aire fresco y por el otro contaminado. El flujo bidireccional se conoce también como flujo en cola de pescado.

Minado por Cuartos y PilaresMinado por Cuartos y Pilares

Ventilación de Cuartos y Pilares (a) bidireccional (b) unidireccional

En el sistema de Cuartos y Pilares es difícil controlar la dirección del flujo de aire porque, j p q ,generalmente, todas las galerías permanecen abiertas, por la dificultad de instalar y mantener cortinas para aislar áreas. Una posible solución es dividir el rebaje en módulos, dejando pendiente la

i ió h t l t fi l d l t iócomunicación hasta la etapa final de explotación.

Ventilación de módulos en Cuartos y Pilares

Sistemas de ventilación para Frentes Largas

El sistema de explotación por Frente Larga es deEl sistema de explotación por Frente Larga es de alta producción y velocidad, su sentido puede ser en avance o en retroceso.La preparación de los paneles de minado se hace con una, dos o más galerías cuando va a haber bloques contiguos. En México la preparación se hace con dos galerías y tres galerías si hay bloque

ti L l í t f t d lcontiguo. La galería externa forma parte del circuito de retorno y es conocida como periférico.

Minado por Frente LargaMinado por Frente Larga

Clasificación de sistemas de ventilación de Frente Larga

(a) Galería simple en avance, (b) galería simple en(a) Galería simple en avance, (b) galería simple en retroceso, (c) galería simple en retroceso con purga o periférico, (d) galería doble con purga.

Clasificación de sistemas de ventilación de Frente Larga

(e) Sistema Y, (f) sistema doble Z, (g) sistema W.(e) Sistema Y, (f) sistema doble Z, (g) sistema W.

Sistema de ventilación de Frente Larga en Minerales Monclova, S.A. de C.V.

Ventilación Frente Larga Minerales Monclova, S.A. de C.V.

Capítulo 11 Uso de computadoras en la ventilación

Los programas de computadora son una valiosa p g pherramienta y, en minas complejas, indispensables para resolver circuitos de ventilación y como auxiliares en el diseño de ventilación para minas existentes y en proyectosdiseño de ventilación para minas existentes y en proyectos de minas.Para diseñar el sistema de ventilación de una mina existente hay que tener un levantamiento completo de flujos, presiones y controles, y con ello de factores de fricción Al programa se alimentan algunas cantidades fijasfricción. Al programa se alimentan algunas cantidades fijas al programa; los resultados deben coincidir dentro de un 5 % con lo real.

Base teórica de los programas de ventilación

La solución algebraica de las mallas y redes de un circuito se basa en la aplicación de las leyes de p yKirchhoff.La técnica para calcular numéricamente las pcondiciones fijadas por las leyes de Kirchhoff fue establecida por Hardy Cross en 1936.El procedimiento de Hardy Cross de una manera resumida es:

1.- Estime la cantidad de aire que fluye por cada vía de aire de la red y las presiones desarrolladas y ppor los ventiladores. En todos los nodos los flujos de aire deben cumplir con la primera ley de Kirchhoff.2.- Establezca las mallas cerradas en la red. El número mínimo de mallas es = número de ramales – número de nodos + 1.

3.- Calcule un factor de corrección para cada malla con la ecuación

ii

mm QR

FQΣ−

=Δ2

en donde Fm es la caída de presión en la malla, ΔQm es el factor de corrección para aplicar a los ramales y Ri y Qip p y i y Qison las resistencias y cantidades respectivamente, de los ramales de la malla.4 C ij l fl j d l l4.- Corrija el flujo de los ramales.5.- Repita el procedimiento hasta que todos los valores de ΔQm estén debajo de un nivel especificado.Qm j p

La solución algebraica de circuitos por iteracionesLa solución algebraica de circuitos por iteraciones es complicada y su cálculo toma tiempo. A un calculista experimentado le toma un día de trabajo calcular una red de 20 mallas. Una mina extensa fácilmente puede requerir de una o más semanas d t b j d á l l di ióde trabajo, nada más para calcular una condición particular de la mina. Si se quiere determinar que impacto va a tener un cambio en las condicionesimpacto va a tener un cambio en las condiciones, ya se está hablando de una o más semanas más.

Programas de Computadora para la solución g p pde Redes de Ventilación.En varios países se han desarrollado programas de

d l l i d d dcomputadora para la solución de redes de ventilación de minas. Una lista incompleta incluye a países como Australia Sudáfrica Estadosa países como Australia, Sudáfrica, Estados Unidos, Francia, Japón y Finlandia.En México el programa más usado es el VNET-PC, pero recientemente el VENTSIM se está popularizando.

Aplicación de la computadora en la solución deAplicación de la computadora en la solución de problemas de dispersión de contaminantes en el flujo de aire.Además de ayudar en la solución de problemas de redes de ventilación, la computadora soluciona problemas de flujo y transferencia de contaminantes y permite tomar acciones

ti d l t ió dcorrectivas, cuando la concentración de gases exceda ciertos límites.

Para planear una ventilación buena y efectiva hayPara planear una ventilación buena y efectiva hay que saber dónde y cómo se generan y dispersan en el flujo de ventilación las emisiones de los motores diesel, los gases y humo de las voladuras polvo y calor.Los avances en las computadoras digitales y en las matemáticas aplicadas ahora permiten describir la

i ió dil ió di ió d lemisión, dilución y dispersión de los contaminantes en la atmósfera de la mina.

En ventilación los modelos de transferencia deEn ventilación los modelos de transferencia de masa se basan en estudios de dispersión turbulenta en túneles de viento y en la atmósfera terrestre baja.La formulación de modelos se basa en reconocer que estos fenómenos de transferencia de masa se pueden conceptuar como un problema de flujo que

d l li d l bipuede resolverse aplicando, con algunos cambios, la teoría de flujo turbulento y difusión de Taylor.

Por lo anterior nos podemos dar cuenta que la solución de problemas de dispersión de p pcontaminantes en el flujo de aire llega a niveles teóricos elevados y, que para su solución es indispensable el uso de computadoras digitales.

Monitoreo y Control del sistema de ventilación

El monitoreo remoto de parámetros tales comoEl monitoreo remoto de parámetros tales como velocidad del aire, humedad, temperatura, concentración de metano y otros gases, etc. permite detectar, evaluar y tomar acciones correctivas tales como abrir o cerrar puertas, parar

ti til d to activar ventiladores, etc. El monitoreo permite también reducir el consumo lé t i d til d í d deléctrico de ventiladores en períodos de poca

actividad minera variando el ángulo de las aspas o la velocidad del ventiladorla velocidad del ventilador.

Para monitorear la calidad del aire hay que ubicar y qestaciones estratégicas de monitoreo para medir continuamente los parámetros deseados que p eden ser: elocidad del aire presión h medadpueden ser: velocidad del aire, presión, humedad, temperatura, presencia de humo, concentración de metano, monóxido de carbono, dióxido de carbono , ,y óxidos de nitrógeno.En ventiladores, sobre todo en los principales:

l ió h d d t t d l ivolumen, presión, humedad y temperatura del aire, temperatura de rodamientos, vibración, amperaje y voltaje del motor.vo taje de oto .

En la zona carbonífera de Coahuila se utiliza el sistema Conspec para vigilar las concentraciones d i i l id dde, principalmente metano y monóxido de carbono.En la mina de cobre El Salvador en Chile se usa elEn la mina de cobre El Salvador en Chile se usa el sistema MultiVent para monitorear y controlar el sistema de ventilación. En Finlandia y Suecia hay instalaciones de monitoreo para controlar los sistemas de ventilación.

Capítulo 12 Gases de minaCapítulo 12 Gases de mina

Contaminante es aquella sustancia indeseable que q qnormalmente no está presente en el aire.Los contaminantes pueden ser gases o vapores o

l lid l id l lpartículas sólidas o líquidas. Entre las partículas contaminantes sólidas tenemos polvos, humos y organismos (bacterias polen etc ) Entre lasorganismos (bacterias, polen, etc.). Entre las partículas contaminantes líquidas tenemos nieblas y brumas.Los contaminantes más comunes en las minas son gases y polvo.

Los gases contaminantes son: monóxido de carbono, bióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, , , g ,bióxido de azufre, sulfuro de hidrógeno, hidrógeno metano y radón.Los gases provienen de: escape de motores diesel, voladuras, emisión de los estratos, incendios, oxidación de minerales y descomposición de materia orgánica.

Nivel máximo permisible (Valor umbral límite VUL)

Todos los contaminantes tienen asignado un valor glímite de concentración máxima, estas concentraciones no deben representar un riesgo de sal d a los trabajadores e p estos contin amentesalud a los trabajadores expuestos continuamente bajo condiciones especificadas.Los niveles máximos en la mina de concentraciónLos niveles máximos en la mina de concentración de contaminantes están fijados por la Norma NOM–010–STPS-1999.Hay tres valores o categorías de los niveles máximos de concentración o valores umbral límite

Concentración Promedio Ponderada en elConcentración Promedio Ponderada en el Tiempo (CPT). Concentración ponderada en el tiempo para una exposición de 8 horas diarias, sin que la mayoría de los trabajadores expuestos presenten efectos adversos de salud.Concentración para Exposición a Corto Tiempo. En la cual no debe excederse de 15 minutos hasta 4 j d í d d4 veces por jornada y con períodos de no exposición de al menos 1 hora entre dos exposiciones sucesivasexposiciones sucesivas.

Concentración Pico (P). Es la concentración que ( ) qno se debe sobrepasar en ningún momento durante la exposición en el trabajo.

i i di blOxígeno Gas no contaminante, indispensable para la vida. Una persona respira de 5 – 100 litros por minuto de aire En reposo consume unos 0 3 l/minminuto de aire. En reposo consume unos 0.3 l/min de oxígeno; en trabajo fuerte unos 3 l/min. En condiciones normales el aire que exhala contiene 16 5 % d O 4 5 d CO16.5 % de O2 y 4.5 de CO2.El Cociente Respiratorio es la razón entre el CO2exhalado y el oxígeno consumidoexhalado y el oxígeno consumido.

Efectos Fisiológicos por Deficiencia de Oxígeno

El agotamiento del oxígeno del aire se produce porEl agotamiento del oxígeno del aire se produce por oxidación a alta temperatura como sucede en los motores de combustión interna, por oxidación a bajas temperaturas de madera y minerales y en flamas descubiertas.

Gases de minaGases de mina

Monóxido de Carbono, CO.Monóxido de Carbono, CO. Es un gas más ligero que el aire (peso específico = 0.967, aire = 1.0), incoloro, inodoro, insípido e , ), , , pinflamable. Resulta de combustión incompleta de material carbonoso en incendios, explosiones y voladuras, por oxidación a baja temperatura y por la combustión de diesel o gasolina en motores de

b tió i tcombustión interna.El límite permisible máximo es 50 ppm.

En un motor diesel bien ajustado y carburado el j ynivel de CO es normalmente menor a 1,000 ppm; en un motor de gasolina el nivel puede ser hasta 100 eces ma or100 veces mayor.En motores turbocargados operando en carga alta la generación de CO es menor que en motores sinla generación de CO es menor que en motores sin turbocargado.La sangre tiene una afinidad 300 veces mayor por el CO que por el oxígeno. El CO al combinarse con la hemoglobina forma carboxyhemoglobina.

Efectos fisiológicos del CO en función de la concentración y tiempo

El valor umbral límite para una exposición de 8El valor umbral límite para una exposición de 8 horas a una concentración promedio ponderada en el tiempo es 50 ppm. La concentración para una exposición a corto tiempo es de 400 ppm.

Bióxido de Carbono, CO2.Bióxido de Carbono, CO2.Es incoloro, inodoro, en concentraciones altas tiene un ligero sabor ácido, no es combustible, es g , ,más pesado que el aire (= 1.529, aire = 1.0).Proviene de incendios, explosiones, del escape de , p , pmotores diesel, voladuras, oxidación de minerales y carbón y como producto de la respiración humana.El CO2 es tóxico en concentraciones altas

A una concentración de 0.5 % la persona respira p pmás profunda y rápidamente, al 3 % la ventilación pulmonar aumenta al doble, al 5 % el ritmo respiratorio a menta en n 300 % al 10 % sólo serespiratorio aumenta en un 300 %, al 10 % sólo se puede tolerar respirar esa atmósfera unos minutos.El límite permisible de una CPT es 4 000 ppm LaEl límite permisible de una CPT es 4,000 ppm. La concentración para una exposición de corto tiempo es 15,000 ppm.Para evitar que el CO2 de la respiración se eleve más del límite permisible hay que proporcionar 21 3 pcm de aire fresco21.3 pcm de aire fresco.

Óxidos de Nitrógeno, NO, NO2, N2O, (NOx).g 2 2 ( x)Los óxidos de nitrógeno varían de incoloro a café rojizo, son tóxicos e irritantes y su peso específico

1 5895es 1.5895.El óxido nitroso, NO, en presencia de aire y humedad se oxida a NO2 por eso es más comúnhumedad se oxida a NO2, por eso es más común que el NO.Los óxidos de nitrógeno NOx son los más tóxicos g xde los gases del escape, son de 7 a 10 veces más tóxicos que el CO y entre ellos el NO2 es 5 veces más tóxico que el NOmás tóxico que el NO.

Los NOx en presencia de humedad (vgr. en la respiración) forman ácidos nitroso y nítrico.El NO se combina con la hemoglobina ± 300 000 vecesEl NO2 se combina con la hemoglobina ± 300,000 veces más rápido que el oxígeno formando metahemoglobina.Aun en pequeñas concentraciones el NO2 llega a los l é l d l l El á id ít i t lalvéolos de los pulmones. El ácido nítrico ataca los vasos

sanguíneos de pared delgada y los hace permeables al plasma de la sangre, el plasma se filtra hacia los alvéolos. Si l i ió l í i hSi la exposición es severa la víctima se ahoga en sus fluidos corporales.

Una concentración de 100 ppm puede llegar a ser fatal. Una exposición a 700 ppm puede producir la p pp p pmuerte en 30 minutos. La CPT máxima aceptada es de 2 ppm para una exposición de 8 horas.Al someter el aire a altas temperaturas y presiones como sucede en los motores de combustión interna, se forman óxidos de nitrógeno

Bióxido de Azufre, SO2. , 2Es incoloro, tóxico, no inflamable, peso = 2.2636, aire = 1.0. Se forma por oxidación de azufre o de

d d lcompuestos de azufre. Se puede formar en la voladura de ciertos minerales de azufre, en incendios donde haya compuestos de azufre y enincendios donde haya compuestos de azufre y en el escape de motores de combustión interna.No es particularmente peligroso porque se hace intolerable a la respiración antes de que alcance concentraciones tóxicas.

Efectos fisiológicos del Bióxido de Azufre

La CPT máxima para una exposición de 8 horas esLa CPT máxima para una exposición de 8 horas es 5 ppm. Existe la recomendación de reducirla a 2 ppm.

La producción de óxidos de S está relacionada directamente al contenido de azufre en el diesel.En México el contenido máximo permisible de azufre en el diesel es de 0.05 %.Hay reportes de que por cada 0.1 % de azufre en el diesel resultan 43 ppm de bióxido de azufre en los gases del escape.

Ácido sulfhídrico H2SÁcido sulfhídrico, H2S

Conocido también como anhídrido sulfuroso, esConocido también como anhídrido sulfuroso, es un gas incoloro, tóxico, explosivo en el rango de 4 a 44 %, ligeramente más pesado que el aire, = 1.19 aire = 1.0, en concentraciones bajas tiene olor a huevos podridos, en concentraciones altas el olor

tya no es aparente.Con todo y olor, con una o dos inhalaciones se

li l i lf t i ll dparalizan los nervios olfatorios, llevando a pensar que ya no hay gas presente.

Efectos fisiológicos del sulfuro de hidrógeno

La CPT máxima permitida es de 10 ppm para unaLa CPT máxima permitida es de 10 ppm para una exposición de 8 horas y un CCT de 15 ppm. La concentración letal más baja reportada es 600 ppm

El ácido sulfhídrico es un gas de estratos que seEl ácido sulfhídrico es un gas de estratos que se presenta sobre todo cerca de depósitos de petróleo, gas natural y de minas de sal y en algunas minas de azufre y yeso. Se forma por la descomposición de compuestos de azufre, por acción bacterial anaeróbica en la pudrición de materia vegetal bajo el agua.Es bastante soluble en agua y puede haber en áreas de agua estancada en minas activas o abandonadas

Hidrógeno, H.Hidrógeno, H.Es incoloro, inodoro, insípido, no es tóxico, es extremadamente explosivo y es el más ligero de p y gtodos los gases de las minas, = 0.0695, aire = 1.0.Se genera en estaciones de cargado de baterías y g g ypor la acción de algunos ácidos sobre metales.El rango explosivo es de ± 4 a 74 %. El hidrógeno puede explotar cuando el contenido de oxígeno es tan bajo como un 5 %.

Curva de explosividad del HidrógenoCurva de explosividad del Hidrógeno

Humo e HidrocarburosEl humo producido por los motores diesel es en gran parte hollín o tizne de carbón que es el

l d d b i i l lresultado de una combustión incompleta. El motor diesel promedio de alta velocidad, emite ± 13.2 kg de humo/1 000 litros de diesel consumidosde humo/1,000 litros de diesel consumidos.Las partículas que componen el humo contienen óxidos de vanadio, níquel, hierro, sodio, etc., y por supuesto carbón en forma de hollín (± un 60 %).

La mayor parte del humo es el producto de unaLa mayor parte del humo es el producto de una combustión incompleta del diesel debido a inyectores tapados y/o combustible muy viscoso.En México el diesel tiene una viscosidad de 1.9 a 4.0 centistokes. Algunos fabricantes de motores recomiendan una viscosidad de 4.0 centistokes. Si la viscosidad es menor a 4.3 centistokes aumenta l f d b tibl l b b d i ióla fuga de combustible en la bomba de inyección, sobre todo si el sistema de inyección está gastado.

El origen principal del humo es porque se está g p p p qinyectando combustible demás o porque no se está inyectando suficiente aire, o por una combinación.

b d d d iLos motores con turbocargador pueden producir más humo si se cambia la velocidad rápida y frecuentementefrecuentemente.Al atacar la pila de rezaga para cargar el operador reduce la velocidad y la aumenta para acarrear. Se puede reducir el humo si el operador acelera lentamente, lo cual es fácil decirlo.

Para evitar la producción de humo durante elPara evitar la producción de humo durante el intervalo entre la aceleración del motor y la aceleración del turbocargador, se puede reducir la alimentación de combustible con un dispositivo sensible a la presión del aire del escape, o con un t b d d l ió á id dturbocargador de aceleración rápida que responda en un tiempo más corto a los cambios de velocidad del motorvelocidad del motor.Las partículas básicas de carbón se aglomeran en racimos con apariencia de palomitas de maízracimos con apariencia de palomitas de maíz.

Los racimos de carbón son muy porosos con huecos donde pueden quedar atrapados gases p q p gcomo el SO2 y NOx.Los convertidores catalíticos no reducen las emisiones de partículas sólidas, al contrario las aumentan en el rango de tamaño respirable.El límite máximo permisible en EU de partículas sólidas de carbón en la atmósfera es de 2 mg/m3.

Se teme que las partículas sólidas de carbón delSe teme que las partículas sólidas de carbón del humo acarreen compuestos tóxicos o carcinogénicos. Un 60 % del humo es hollín de carbón y se ha encontrado que un 33 % del hollín contiene sustancias absorbidas potencialmente

li E t ll h hid bpeligrosas. Entre ellas hay hidrocarburos aromáticos policíclicos, que son carcinogénicos, y parafinas ácidos parafínicos y nitroparafinasparafinas, ácidos parafínicos y nitroparafinas.Las partículas de carbón promueven la formación de neblina al ser núcleos de condensaciónde neblina, al ser núcleos de condensación.

Aldehídos.Son los causantes del característico olor del escapeSon los causantes del característico olor del escape de los motores diesel.En los Estados Unidos el límite máximo permitidoEn los Estados Unidos el límite máximo permitido es de 2 ppm.Los aldehídos se pueden controlar con un lavador os de dos se puede co o co u v dode gases húmedo, cambiando el agua una vez por turno.

Metano, CH4.Se presenta en minas de carbón y minas relacionadas con el carbón. Se localiza también en minas de trona, potasa, caliza, lutitas aceitosas y sal. En algunas minas de cobre, tungsteno, hierro, yeso, mármol, oro y plata se ha tu gste o, e o, yeso, á o , o o y p ata se adetectado metano.El metano es incoloro, inodoro, insípido, no es tóxico, es l i fl bl á li l i (altamente inflamable y es más ligero que el aire (peso

específico = 0.555).

En la formación de mantos de carbón además de metano se produce CO2, hidrocarburos de alto rango y otros gases inertes.

d i l id d dFactores que determinan la cantidad de metano en un manto son: presión, temperatura, permeabilidad del manto de carbón y mantos adyacentes ydel manto de carbón y mantos adyacentes y cantidad de fracturas.Se produce x descomposición de materia orgánica, x descomposición de madera bajo agua en algunas minas de Fe donde hay esquistos bituminosos.

La emisión de metano es variable, en minas de la ,zona de Sabinas, Coah. La razón de emisión varía de 630 a 1280 litros/s (1,335 a 2,712 pcm).

l l i d l dEl rango explosivo del metano es de 5 a 15 % con un requerimiento mínimo de oxígeno de 12 %.Una mina es considerada gaseosa cuando laUna mina es considerada gaseosa cuando la concentración es de apenas 0.25 %.El metano no es tóxico pero actúa como asfixiante e o o es ó co pe o c ú co o s eal desplazar el oxígeno del aire, cuando su concentración en la atmósfera alcanza un 25 %.

Curva de explosividad del metanoCurva de explosividad del metano

Entre 1889 a 1988 ha habido 1,552 muertes por explosiones de metano en las subcuencas de

bi l illi h ilSabinas y Saltillito en Coahuila.Debido a la peligrosidad del metano la Norma Oficial Mexicana NOM 032 STPS 2008 estableceOficial Mexicana NOM-032-STPS-2008 establece que cuando se alcance una concentración de metano de 1.0 % en la atmósfera de la mina, se debe suspender las operaciones hasta reducir la concentración de metano debajo de este límite.

Detección y Monitoreo de GasesDetección y Monitoreo de Gases

Métodos de DetecciónHay cuatro tipos de instrumentos para medir lasHay cuatro tipos de instrumentos para medir las concentraciones de gases: manuales, monitores puntuales, monitores de área y dosímetros p , ypersonales.Los instrumentos utilizan varios métodos: oxidación catalítica, electroquímicos, ópticos, conductores eléctricos y absorbentes químicos.

Los detectores de oxidación catalítica midenLos detectores de oxidación catalítica miden variaciones en la resistencia de circuitos eléctricos usando el puente de Wheatstone, o miden el calor generado en el proceso de oxidación. Se usan sobre todo para detectar metano y CO.En los sensores electroquímicos el gas que se está midiendo reacciona con un electrodo en un l t lit L ió i telectrolito. La reacción genera una corriente

eléctrica proporcional a su concentración. Se usa para oxígeno CO H2S y óxidos de nitrógenopara oxígeno, CO, H2S y óxidos de nitrógeno.

Hay dos tipos de detectores ópticos. Un tipo usa el y p p phecho de que cada gas absorbe luz en una longitud de onda diferente; puede medir la concentración de n gas pasando l infrarroja estos son losde un gas pasando luz infrarroja, estos son los detectores infrarrojos. El otro tipo son los interferómetros, éstos aprovechan el hecho de que f , p qlos gases tienen diferentes índices de refracción. La diferencia en la velocidad de un rayo de luz que atraviese aire puro y la de otro que atraviese elque atraviese aire puro y la de otro que atraviese el gas por medir, es proporcional a la concentración del gas.

En los instrumentos que detectan gases por medioEn los instrumentos que detectan gases por medio de la conductividad eléctrica se utilizan tipos especiales de semiconductores que en presencia de ciertos gases cambian su resistencia.Otro tipo de detectores son los absorbentes químicos que contienen un producto que reacciona en presencia de un gas específico. La

t ió d l i l l l dconcentración del gas es proporcional al largo de una mancha o a la intensidad del color de la manchamancha.

Detectores manualesPara ser manual debe ser pequeño y livianoPara ser manual debe ser pequeño y liviano.Algunos de estos instrumentos son permisibles para uso en atmósferas con contenido de metanopara uso en atmósferas con contenido de metano.Los detectores de concentraciones de metano no se deben usar en atmósferas que contengan otros debe us e ós e s que co e g o osgases más explosivos que el metano, por ejemplo el hidrógeno.

Lámparas de Seguridadp gSe usa para detectar metano y en atmósferas que no contengan metano se usa para detectar falta de

l l d l l d d loxígeno; la flama de la lámpara no arde cuando el contenido es menos de 16 % pero, en atmósferas con contenido de metano la flama puede seguircon contenido de metano la flama puede seguir ardiendo hasta un contenido de oxígeno menor a 13 %.Las lámparas no deben abrirse dentro de la mina, si hay que encenderlas debe ser en aire limpio.

Lámpara de seguridadLámpara de seguridad

Detectores de Metano (o Metanómetros)( )Los metanómetros manuales utilizan dos métodos para medir la concentración de metano.Los que usan oxidación catalítica se basan en el principio del puente de Wheatstone, en el que en un segmento del puente se quema el metano seun segmento del puente se quema el metano, se calienta el segmento y se modifica su resistencia que es proporcional a la concentración del metano. También son sensibles a etano, propano, H, CO, otros gases inflamables y deficiencia de oxígeno.

El otro tipo de detectores de CH4 usan el métodoEl otro tipo de detectores de CH4 usan el método óptico del interferómetro. Se hacen pasar rayos de luz a través de aire puro y a través de la atmósfera que se está probando, se combinan estos dos rayos de luz y producen bordes o franjas de interferencia L i ió d l b d i di l t ióLa posición de los bordes indica la concentración de metano.E t ti d d t t ibl t bié tEste tipo de detectores es sensible también a etano, propano, H, CO2, vapor de agua y deficiencia de oxígenooxígeno.

Detectores de CO y de otros gases tóxicosy gEstos detectores son del tipo de absorbentes químicos en los que se usan tubos indicadores

l i i i d icolorimétricos que contienen productos químicos que reaccionan con el gas que se está probando.El instrumento tiene una bomba mecánica paraEl instrumento tiene una bomba mecánica para aspirar aire de la atmósfera y hacer pasar un flujo regulado al tubo que contiene el producto químico que reaccionará con el gas. El largo de la mancha o la intensidad del color indican la concentración.

Detectores de oxígenoDetectores de oxígenoUno de los instrumentos más conocidos para detectar oxígeno es la lámpara de seguridad, que g p g , qnada mas indica una deficiencia de oxígeno.Para encontrar la concentración de oxígeno hay g yinstrumentos que utilizan líquidos absorbentes, tubos indicadores con productos químicos que se manchan, analizadores paramagnéticos e instrumentos electroquímicos.

Métodos para detectar gasesMétodos para detectar gases

MonitoreoEs la detección en tipo y concentración de uno o varios parámetros de una manera regular o

icontinua.En las minas de carbón se instalan metanómetros en mineros continuos y en equipos de frente largaen mineros continuos y en equipos de frente larga para vigilar y controlar continuamente que la concentración de metano no sobrepase de 1 %.Además se monitorea temperatura, velocidad y humedad del aire en áreas estratégicas.

Se pueden usar instrumentos sobre autocargadoresSe pueden usar instrumentos sobre autocargadores y camiones diesel para monitorear CO y CO2, O y NOx en el área cercana al operador.En algunas minas en lugares estratégicos se monitorea velocidad, presión, temperatura, humedad, concentraciones de gases contaminantes que pueden indicar incendios o problemas de

t i ió t l l fl j dcontaminación, para controlar los flujos de ventilación, abriendo o cerrando puertas o variando el ángulo de ataque de las aspasvariando el ángulo de ataque de las aspas.

Control de GasesControl de Gases

Al detectar la presencia de un gas, su origen yAl detectar la presencia de un gas, su origen y razón de emisión hay que controlarlo para reducir su concentración a límites permisibles. La manera de controlarlo depende de su origen: estratos, escape de motores, voladuras, etc. y depende de si l lib ió d ti i t it t dla liberación de gas es continua o intermitente, de si proviene de una fuente fija o móvil.El ét d i l dil ió hEl método universal es por dilución, pero hay otras medidas dependiendo del gas o de la situación específicasituación específica.

Control de gases de estratosgEl gas de estratos más común, sobre todo en minas de carbón, es el metano.Hay varias maneras de controlar los gases de estratos. Una es considerar el gas al diseñar el sistema de minado y ventilación Se debe planearsistema de minado y ventilación. Se debe planear aire para diluir el gas y el aire contaminado debe ser dirigido a su extracción lo más rápido posible por medio de galerías periféricas. La secuencia de minado debe permitir sellar áreas minadas.

Otro método es desgasificar con barrenos de superficie o desde las galerías, antes de minar.p g ,Por último se puede controlar el gas por medio de ventilación auxiliar inyectando o extrayendo aire, y y ,o una combinación de los dos. También se pueden usar difusores o cornetas en combinación con aspersores de agua.

Control de gases de voladurasControl de gases de voladurasSe debe reducir la generación de gases escogiendo el explosivo y las técnicas de voladura apropiadas. p y p pEsto incluye el factor de carga y tacos correctos.Los gases de la disparada se pueden desalojar con g p p jventilación auxiliar. Hay que rociar con agua el área de la disparada; el SO2, el H2S y el NO2 son solubles en agua. Las disparadas se deben hacer al final del turno o en horas establecidas.

Control de gases y humo en el escape de g y pmotoresEn la mayoría de los países está prohibido el uso d d li i bde motores de gasolina en minas subterráneas.El sistema de ventilación debe planear aire para diluir las emisiones de los escapesdiluir las emisiones de los escapes.Los motores diesel deben estar equipados con convertidores catalíticos, lavadores húmedos o co ve do es c cos, v do es ú edos ocontar con dilución de humos.Los motores deben estar bien ajustados.

Métodos de control de gasesMétodos de control de gases

PrevenciónProcedimiento, dosificación y explosivo adecuadoAjuste, mantenimiento de motores dieselAditivos al combustible para suprimir humoEvitar flamas o fuegos al descubiertoRemociónDrenado previo al minadoDrenado por periféricos durante el minadoDrenado por periféricos durante el minadoExtracción puntual del gas o aire contaminadoInyección de agua al mantoInyección de agua al manto

AbsorciónReacción química en acondicionador catalíticoRegar con agua área de voladuraAislamientoSellado o taponamiento de áreas abandonadasHacer voladuras a fin de turno o en un horarioDiluciónDilución local con ventilación auxiliarDilución local con ventilación auxiliarDilución con sistema general de ventilaciónDilución con difusores y aspersores de aguaDilución con difusores y aspersores de agua

Control de gases por diluciónControl de gases por diluciónLa dilución de gases con el sistema de ventilación es

i l l h d t i l tid d d iuniversal, por lo que hay que determinar la cantidad de aire necesario en m3/s para diluir los gases debajo de su límite permisible.La cantidad necesaria se encuentra con:

QQ g

d d Q l fl j d 3/ t ió l

isibleLímitePermQ g=

donde Qg es el flujo de gas en m3/s, en esta ecuación el tiempo para lograr la dilución es largo.cuando el tiempo de dilución τ es importante yp p y

conocemos la cantidad de aire de ventilación, el flujo de gas Qg y las concentraciones iniciales Xogy finales X del gas y el volumen Y del lugar de trabajo en m3.

Y( )( ) ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡ −=

QXQQXQ

Q

Y

oglnτ

( ) ⎥⎦⎢⎣ −QXQg

Propiedades de los gases de minap g

Capítulo 13 PolvosCapítulo 13 Polvos

Los polvos suspendidos en el aire originan padecimientos pulmonares y se parecen a los gases p p y p gpor la forma en que se presentan, comportan y son controlados.Los aerosoles son dispersiones de partículas microscópicas, sólidas o líquidas en un medio gaseoso, generalmente aire. La neblina, bruma y polvo son ejemplos de estas dispersiones.

Una diferencia entre polvos y gases contaminantes p y ges el período de tiempo transcurrido entre la exposición a ellos y la aparición de los efectos. En el caso de los pol os ese inter alo p ede ser deel caso de los polvos ese intervalo puede ser de años.Las partículas sólidas o líquidas suspendidas en elLas partículas sólidas o líquidas suspendidas en el aire se comportan de una manera muy similar.El tamaño de las partículas que pueden causar daño patológico es en su gran mayoría menor a 10 micras, prácticamente no pesan ni tienen inercia.

Las partículas menores a 10μ permanecen en p μ psuspensión por tiempo indefinido, no se puede esperar que se asienten. Los polvos menores a 5μse clasifican como l i bl Las partíc lasse clasifican como polvo respirable. Las partículas mayores a 10μ no permanecen mucho tiempo en suspensión a menos que sea alta la velocidad del p qaire.En la mina el tamaño promedio de los polvos está

t 0 5 3 P t l l dentre 0.5 a 3μm. Para controlar polvos de menos de 10μ hay que controlar la corriente de aire.

Clasificación de los polvosClasificación de los polvos

Polvos fibrogénicos (nocivos a la respiración)g ( p )a) Sílice (cuarzo calcedonia)b) Silicatos (asbestos, talco, mica, silimanita)) ( , , , )c) Humos metálicos (casi todos)d) Mineral de Beriloe) Mineral de Estañof) Minerales de Hierro (algunos)g) Carburo de Silicioh) Carbón (antracita, bituminoso)

Polvos carcinogénicosPolvos carcinogénicosa) Hijas del Radónb) Asbestob) Asbestoc) ArsénicoPolvos tóxicos (venenoso a órganos y tejidos)Polvos tóxicos (venenoso a órganos y tejidos)a) Minerales de berilo, arsénico, plomo, uranio, radio torio cromo vanadio mercurio cadmioradio, torio, cromo, vanadio, mercurio, cadmio, antimonio, selenio, manganeso, tungsteno, níquel, plata (en especial óxidos y carbonatos).p ( p y )

Polvos radioactivosa) Minerales de uranio, radio, torioPolvos explosivos (combustibles en suspensión)p ( p )a) Polvos metálicos (Mg, Al, Zn, Sb, Fe)b) Carbón (bituminoso, lignito)c) Sulfurosd Polvos orgánicosPolvos molestos (poco efecto adverso en humano)a) Yeso, caolín, piedra caliza

Polvos inertes (ningún daño en los pulmones)a) No haya) No haySe ha venido identificando nuevos polvos nocivos. Se considera que no hay polvos inertes pues laSe considera que no hay polvos inertes, pues la exposición a cualquier polvo presente en cantidad excesiva durante un tiempo suficiente puede causar daño patológico, por lo cual se debe clasificar como un polvo fibrogénico o pulmonar.

Efectos fisiológicos de los polvos fibrogénicos

La defensa primaria del sistema respiratorio contra p pel polvo y evitar que entre a los pulmones, son los pelos en la nariz éstos atrapan buena parte de las partíc las grandes entre 5 10partículas grandes entre 5 y 10μ.En las membranas mucosas de la nariz y garganta se atrapan otra parte de las partículas grandes yse atrapan otra parte de las partículas, grandes y pequeñas.Las partículas de tamaño medio (5 a 10μ) que llegan a la tráquea y bronquios son impulsados por cilia hacia la garganta para ser tragados.

Gracias a las defensas primarias del sistema prespiratorio, a los alvéolos no llegan (o casi no llegan) partículas más grandes que 10μm.

did d l d l lA medida que se reduce el tamaño de la partícula, un mayor porcentaje de éstas se deposita en los alvéolos; ± un 25 % de partículas de 0 2 μm y unalvéolos; ± un 25 % de partículas de 0.2 μm y un 55 % de partículas de 0.02 μm.No se ha determinado el tamaño límite inferior de partículas que causan enfermedades pulmonares, pero entre más fino es más peligroso.

La línea secundaria de defensa contra partículasLa línea secundaria de defensa contra partículas pequeñas (menos de 5 μm) consiste en eliminación por medio de fagocitos. Los fagocitos son células gelatinosas que envuelven a las partículas de polvo que llegan hasta los pulmones y las conducen a los

li fáti E t dvasos linfáticos. Estos vasos descargan esas partículas en los nodos linfáticos, que son cámaras de sedimentación de los desechos corporalesde sedimentación de los desechos corporales.Puede haber daño patológico si las defensas del sistema respiratorio son insuficientes debido a:sistema respiratorio son insuficientes debido a:

Concentración excesiva de polvo en el aireConcentración excesiva de polvo en el airePolvo químicamente activo yTiempo excesivo de exposiciónTiempo excesivo de exposiciónSi el daño es leve se presenta una pigmentación en los nódulos linfáticos que crea susceptibilidad alos nódulos linfáticos que crea susceptibilidad a enfermedades.Si el daño es severo, los polvos muy activos S e d o es seve o, os po vos uy c vosquímicamente reaccionan con los fagocitos en los alvéolos ocasionando que mueran estas células.

Las células muertas se acumulan en los nodos y yvasos linfáticos, lo que impide el drenaje y causa una fibrosis de tipo nodular, es decir tejido de cicatri en esas áreas del p lmóncicatriz, en esas áreas del pulmón.La enfermedad progresa aun al cesar la exposición hasta que los nódulos alcanzan un cierto tamañohasta que los nódulos alcanzan un cierto tamaño. En las etapas avanzadas hay cortedad y dificultad en la respiración, dolores de pecho, tos con sangre

é did d S h i d l i ióy pérdida de peso. Se ha asociado la exposición y aspiración de polvo de asbesto con cáncer pulmonar.pu o a .

En casos de daño grave la aspiración de polvosEn casos de daño grave la aspiración de polvos pueden producir enfermedades respiratorias fibrosas y no fibrosas cuyo nombre colectivo es pneumoconiosis, en orden de gravedad son:a) Silicosis (causada por polvo de sílice libre)b) Silicotuberculosisc) Asbestosisd) Silicatosise) Siderosis )

f) Pneumoconiosis de los carboneros (pulmón ) (pnegro o Antracosis).Hay poca prueba de que estas enfermedades por sí

l d l lisolas puedan causar la muerte, pero se complican a otras enfermedades como enfisema, pulmonía o tuberculosistuberculosis.Lo más grave es cuando la aspiración de polvos produce cáncer (asbestos). La aspiración de polvos de las hijas de radón produce cáncer de pulmón. El arsénico es también un agente carcinogénico.

Factores que intervienen en la nocividad de los polvos

Los factores que intervienen y determinan laLos factores que intervienen y determinan la nocividad de los polvos son:

Composición y propiedadesp y p pConcentraciónTamaño de partículaTamaño de partículaTiempo de exposiciónSusceptibilidad individualSusceptibilidad individual

La composición puede ser química y mineralógica, la mineralógica es más importante.g p

La sílice libre es mucho más activa químicamente que en compuestos. En los asbestos el aspecto

i i l bilid dmecánico es más importante. La solubilidad es una propiedad muy importante.La concentración junto con la composición son 2La concentración junto con la composición son 2 de los factores más importantes. La concentración se puede expresar por número y por peso. En número se expresa en partículas por cm3 de aire. En peso las unidades son miligramos/m3

La sílice puede producir daño en concentracionesLa sílice puede producir daño en concentraciones arriba de 0.5 mg/m3 en peso. Algunos polvos tóxicos y radioactivos pueden causar daño en cantidades más pequeñas (0.2 mg/m3). Estos son los límites más bajos.La silicosis en promedio se desarrolla en 20 a 30 años, en casos raros en 1 año o menos. El daño por

di ió t 10 20 ñradiación se presenta en 10 a 20 años, pero una combinación de polvo con sílice y radiación acelera el proceso de daño al individuoacelera el proceso de daño al individuo.

Relación entre concentración promedio de polvo y tiempo de exposición en trabajadores desarrollandotiempo de exposición en trabajadores desarrollando

pneumoconiosis

Factores que intervienen en la explosividad de los polvos

La combustión muy rápida de polvos explosivos y p p pproduce explosiones. El inicio de la combustión se produce por flamas o chispas, por una explosión de gas o olad ras por comb stión espontáneade gas o voladuras y por combustión espontánea.En las minas de carbón destacan como causa de explosiones arcos eléctricos flamas al descubiertoexplosiones arcos eléctricos, flamas al descubierto y explosivos.Suspensiones de polvo de carbón pueden explotar sin que haya gas presente.Factores que intervienen en las explosiones son:

ComposiciónComposiciónTamaño de partículaConcentraciónConcentraciónGas inflamablePresencia de material no combustiblePresencia de material no combustibleEl contenido volátil de los polvos de carbón es muy importante En el carbón medio volátil lamuy importante. En el carbón medio volátil la explosividad aumenta linealmente hasta un contenido de 25 %.

Si el contenido volátil dividido entre la suma de los contenidos de volátil y carbón fijo es mayor a 0.12 entonces el polvo es explosivo.

l i d l i di i d lEl riesgo de explosión disminuye cuando el contenido de ceniza es alto. Entre más pequeñas sean las partículas aumenta más el riesgo desean las partículas aumenta más el riesgo de explosión. Polvos de carbón arriba de 850 μm rara vez intervienen en explosiones.La concentración mínima explosiva de polvo en suspensión es 60,000 mg/m3.

La presencia de metano aumenta el riesgo deLa presencia de metano aumenta el riesgo de explosión, más si su concentración es de 5 – 15%.En el minado de carbón y de otros minerales ycuyos polvos son explosivos se generan otros polvos que no son explosivos. Si la cantidad de polvo no combustible es suficiente puede evitar que se produzca una explosión. Por eso en las

i d bó i l l bminas de carbón se exige que se polveen las obras mineras con polvo inerte.

Explosividad de polvos metálicos y de carbón

Niveles máximos permisiblesNiveles máximos permisibles

Las definiciones de los niveles máximosLas definiciones de los niveles máximos permisibles y de sus tres categorías son las mismas que se aplican a gases nocivos. Las categorías son:

Concentración Promedio Ponderada en el Tiempo, p ,CPTConcentración para Exposición a Corto Tiempo, CCTConcentración Pico, P

Medición de polvosMedición de polvos

La medición de polvos consiste en la toma de unaLa medición de polvos consiste en la toma de una muestra de polvo suspendido en la atmósfera de la mina (o asentados en el piso) y la evaluación de la muestra. La evaluación es la identificación de la composición de los polvos y su concentración en

ú d tí l / id d d lpeso o en número de partículas/unidad de volumenLos métodos de medición son selectivos y no

l ti L i t t d l i ét dselectivos. Los instrumentos del primer método simula la acción de la nariz, tráquea y bronquios; los del segundo método no simulan esa acciónlos del segundo método no simulan esa acción.

Además de conocer la composición, tamaño de partícula y concentración de los polvos hay que

i d i itener en cuenta tiempo de exposición y susceptibilidad individual. En la industria minera se utilizan tres índices para el control de polvos: else utilizan tres índices para el control de polvos: el índice de polvo, el índice de exposición y el índice de dosificación.El índice de polvo es un promedio ponderado de los muestreos.

El índice de exposición representa concentraciones promedio ponderadas en el tiempo a las cuales los

b j d d h l dtrabajadores pueden estar expuestos 8 horas al día sobre períodos extensos de tiempo, sin que presenten efectos adversospresenten efectos adversos.El índice de dosificación es reciente, se basa en que el trabajador sólo puede estar expuesto a un polvo tóxico durante un tiempo especificado sin que haya efectos adversos.

Equipo de muestreo de polvosEquipo de muestreo de polvos

KonímetroEste instrumento tiene una pequeña bomba que aspira muestras de 5 cc de aire y las lanza a través de un pequeño

ifi i t l ti d id i bi torificio, contra una platina de vidrio cubierto con una sustancia adhesiva. Las partículas de polvo se cuentan bajo el microscopioMidget ImpingerSu principio de operación es idéntico al del konímetro, la

i d b i imuestra se introduce por un tubo a un recipiente con agua, alcohol u otro líquido apropiado. Las partículas se cuentan en el recipiente después de un tiempo de asentamiento.p p p

MembranasLos filtros consisten de un bastidor que sostieneLos filtros consisten de un bastidor que sostiene una membrana microporosa, una bomba o aspirador y un medidor de flujo. Después de p y j pmuestrear, la membrana se puede volver transparente (usando un medio apropiado) y se pueden contar las partículas in situ.

Precipitador TérmicoPrecipitador TérmicoUn volumen medido de muestra de aire se hace pasar a través de un conducto estrecho por donde, p p ,horizontalmente, está atravesado un alambre que se calienta eléctricamente. Al insertar una platina fría de vidrio que pase cerca del alambre caliente, se depositan las partículas de polvo sobre la

l ti f d f j L t lúplatina formando una franja. La muestra se evalúa en un microscopio y el número de partículas se expresa por unidad de volumen de aire muestreadoexpresa por unidad de volumen de aire muestreado

Tindaloscopio o TindalómetroEste aparato utiliza el “efecto Tyndall” (fenómeno p y (por el cual la luz es difundida y polarizada por partículas muy finas de polvo en suspensión, aumentando la polarización de la luz difusa alaumentando la polarización de la luz difusa al disminuir el tamaño de las partículas).Se pasa un haz primario de luz a través de una Se p s u p o de u vés de ucámara que contiene una muestra de aire con polvo en suspensión.

El haz de luz primario es dispersado por el polvo p p p pen la cámara, produciéndose un haz secundario de luz. La intensidad de este haz secundario está determinado por el área s perficial de lasdeterminado por el área superficial de las partículas de polvo. Antes de entrar a la cámara, por medio de un espejo, se desvía una parte del p p j , phaz de luz. El haz desviado pasa a través de un filtro que tiene un disco fijo y uno giratorio de material polarizante e ilumina medio campo dematerial polarizante, e ilumina medio campo de visión de un ocular; el otro medio campo está iluminado por el haz de luz secundario.

El usuario iguala la brillantez de los dos campos girando el g p gdisco rotatorio del filtro y lee el ángulo del filtro. La intensidad del haz secundario es proporcional al ángulo del filtro elevado al cuadrado. En tablas se localiza el área superficial del polvo que es proporcional al ángulo del filtro.Muestreadores Gravimétricos Hexhlet y MREMuestreadores Gravimétricos Hexhlet y MREEl muestreador Hexhlet utiliza un elutriador formado por un conjunto de placas metálicas separadas una corta distancia Con un compresor y extractor se hace pasar unadistancia. Con un compresor y extractor se hace pasar una corriente de aire por el elutriador donde se depositan las partículas grandes, las pequeñas son colectadas en un filtro

El muestreador MRE consiste de un elutriador, un ,filtro previo y un filtro de membrana con poros de 5 μm donde se colecta la muestra que después es pesada anali ada Las partíc las más grandespesada y analizada. Las partículas más grandes que 7 μm se depositan en las placas del elutriador.Monitor de polvo respirableMonitor de polvo respirableEl polvo respirable se colecta por impacto de las partículas sobre un disco delgado de plástico cubierto con grasa. La masa de polvo origina un cambio en la atenuación de radiación beta y la concentración promedio de polvo se ve en pantallaconcentración promedio de polvo se ve en pantalla

Muestreadores gravimétricos personalesg pUtilizan un ciclón miniatura para separar las partículas pequeñas de las grandes. Las partículas

d l l b j d l i l lgrandes se colectan en la parte baja del ciclón y las pequeñas se colectan en un filtro. La determinación de la masa de polvo respirable sedeterminación de la masa de polvo respirable se hace pesando el filtro y la determinación del riesgo a la salud se hace analizando el polvo por

t i d X L lá d l iespectroscopia de rayos X. La lámpara del minero opera una bomba de diafragma para muestrear el aire.a e.

Fuentes de generación de polvosFuentes de generación de polvos

Las operaciones mineras producen polvo, sobre todo exploración, desarrollo, preparación y p , , p p yexplotación. Hay operaciones donde se produce polvo o primarias y operaciones que lo dispersan o secundarias. La intensidad y duración de una operación tiene que ver con la cantidad generada. U f t l h d d d l i l t t tUn factor es la humedad del mineral o tepetate.

Control de polvoControl de polvo

La regla de control más importante y en la que g p y qtodos los autores y expertos concuerdan es:Hay que evitar que el polvo entre en suspensiónEsta regla es aplicable en minas subterráneas y en tajo abierto. Todas las medidas precauciones y esfuerzos deben estar dirigidos hacia esa metaesfuerzos deben estar dirigidos hacia esa meta. Todo el gasto que se haga para evitar que el polvo entre en suspensión es menor que el gasto que se haga después tratando de controlar el polvo en suspensión.

Las medidas encaminadas a controlar el polvo en psuspensión en minas metálicas y de carbón deben:Removerlo, recogiendo el polvo asentado o li i d l i l d llimpiando el aire con colectores de polvo.Suprimirlo, inyectando agua al manto antes de minar un panel rociando con aspersores de agua ominar un panel, rociando con aspersores de agua o espuma, tratando el polvo con productos químicos delicuescentes y polveando con polvo inerte.Diluirlo, con ventilación auxiliar o con la ventilación primaria.

Aislarlo, reglamentando el horario de voladuras, , g ,aislando la operación, instalando sistemas locales de extracción y, destinando un ramal independiente de aire para entilar esa áreaindependiente de aire para ventilar esa área.DiluciónLa medida más común para tratar un problema deLa medida más común para tratar un problema de polvo es diluyendo.En la mayoría de las minas actuales la velocidad yo de s s c u es ve oc d ddel aire debe oscilar entre 400 a 500 pies/min. Estas velocidades no levantan el polvo asentado.

La cantidad de aire requerida se puede determinar en términos del número de partículas o del peso del polvo por unidad de volumenunidad de volumen.

Para número de partículas: ( )BNMPNQ =p ( )BNMP

Q−

GPor peso de partículas:( )BNMP

GQ−

=

donde: N razón de generación de polvo en partículas/minN razón de generación de polvo en partículas/minG razón de generación de polvo en peso/unidad de tiempo (granos/min o mg/min)tiempo (granos/min o mg/min)B concentración de polvo suspendido en aire normaloNMP Nivel máximo permisible

Rociado con aguaRociado con aguaHay dos casos: cuando el polvo está asentado o cuando está en suspensión.pEl control de polvo asentado rociándolo o regando con agua es más sencillo que cuando está flotando.g qEs difícil suprimir el polvo en suspensión con aspersores. El tamaño de las gotas de agua 250 μm producido por los aspersores no es efectivo para remover el polvo.

Factores que intervienen en una eficiente supresión de polvo con aspersores son:Presión, una presión de hasta 600 lb/pulg2 produce gotas más pequeñas y mayor velocidad de las mismas.Tensión superficial del agua y que haya buen contactoTensión superficial del agua y que haya buen contacto entre polvo y agua. Para estimular el contacto hay que crear turbulencia y para reducir la tensión superficial del

h di i i dagua hay aditivos tipo detergente.

Inyección de aguay gSe usa inyectar agua, y a veces vapor de agua o espuma que son más efectivos, en los mantos de

b d i l i d lcarbón para reducir la formación de polvo. Este método reduce las concentraciones de polvo hasta en un 80 % y además ayuda a drenar el metanoen un 80 % y además ayuda a drenar el metano.Extracción puntualPara controlar el polvo producido al barrenar en co o e po vo p oduc do b e eminas subterráneas o tajos abiertos se usan campanas y extractores conectados a colectores.

RemociónEs buena idea remover el polvo asentado, para evitar que entre en suspensión, donde es más caro

di il ly difícil removerlo.Productos químicos delicuescentes y aglomerantesaglomerantesEn minas a tajo abierto y subterráneas en caminos, rampas o niveles de acarreo se usa cloruro de Ca, p s o ve es de c eo se us c o u o de C ,que es un delicuescente, y lignina sulfonada que es un aglomerante. Ambos crean una capa dura.

Polveo con polvo inertepEs polvo no combustible que se espolvorea seco o húmedo con máquina, o manualmente, a techo,

i bl i d b d i lpiso y tablas en minas de carbón para reducir la explosividad del polvo de carbón asentado. Para mayor efectividad el contenido de polvo inerte enmayor efectividad, el contenido de polvo inerte en el polvo asentado debe ser del 65 % o más.Medidas de control en la operaciónVarias de las medidas aplicables a operaciones individuales, de manera resumida son:

Voladuras: Restringiendo el horario o disparando entre turnos, ventilación auxiliar, rociado de aire –

j d l lagua con aspersores, remojando el lugar antes y después.Tolvas y puntos de transferencia Rociado de aireTolvas y puntos de transferencia. Rociado de aire – agua con aspersores, campanas y extracción local.Corte de Carbón. Rociado de agua con aspersores montados en la cortadora, colector de polvo.

Barrenación: Agua, espuma, o campana y g , p , p yextracción local, uso de brocas afiladas y buenas condiciones de operación.

i d j d l dCarga, escrepeo y minado: Remojando el frente de trabajo y la rezaga, aspersores de agua, colectores de polvode polvo.Vaciado o descarga: Aspersores de agua o aire –agua, tratamiento del mineral o carbón con productos químicos, campana y extractor local, colectores de polvo.

Acarreo: Tratamiento del mineral o carbón y de los caminos, rampas o niveles de acarreo con , pproductos químicos, aspersores de agua, limpieza periódica.Ademando, amacizando: Remojar bien el área.

Control médico de polvosControl médico de polvos

Para prevenir y tratar enfermedades relacionadas p ycon los polvos hay tres métodos.Exámenes médicosLos exámenes médicos al inicio de un empleo y periódicos después incluyendo la toma de radiografías son una valiosa herramienta para laradiografías son una valiosa herramienta para la detección temprana de enfermedades respiratorias. Se debe examinar a las personas que dejan un empleo para su protección y protección de la compañía.

Protección respiratoriapAdemás de las medidas recomendadas que se mencionaron los respiradores personales son

i i d d lefectivos para prevenir enfermedades pulmonares. La eficiencia de los respiradores para remover polvos es variable pero llega a ser hasta de 80 apolvos es variable, pero llega a ser hasta de 80 a 95 %.Terapia de aluminioEsta terapia se usa más para prevenir que para tratar la silicosis.

La terapia consiste en la aspiración de polvo deLa terapia consiste en la aspiración de polvo de aluminio y alúmina (Al2O3). El número y tiempo de las sesiones de aspiración está prescrito y se aduce que evita se desarrolle la pneumoconiosis y que si ya se contrajo disminuye sus efectos. Se

l t i ti ió fí i í icree que la terapia tiene una acción físico-química en la que el aluminio forma con las partículas de polvo de sílice un silicato inactivo o que quizápolvo de sílice un silicato inactivo o que quizá recubre a las partículas de polvo con una capa inerte de óxido de aluminio.

Capítulo 14 Incendios y ExplosionesCapítulo 14 Incendios y Explosiones

Los incendios y explosiones en minas subterráneasLos incendios y explosiones en minas subterráneas son eventos que, dependiendo de su magnitud, pueden ser catastróficos resultando en pérdida de vidas humanas y daños materiales considerables.En un incendio los humos tóxicos son el mayor peligro y son la causa más común de muerte sobre todo por envenenamiento por CO. La situación se

li d l i t d til iócomplica cuando las corrientes de ventilación esparcen los humos a través de la mina. De ahí lo útil que es conocer las rutas de ventilaciónútil que es conocer las rutas de ventilación.

Es importante conducir simulacros controlados deEs importante conducir simulacros controlados de incendio para conocer el comportamiento del sistema de ventilación bajo condiciones reales.En minas de carbón o metálicas si se acumula gas inflamable o polvo explosivo hasta alcanzar su rango explosivo, puede haber una explosión si el gas o el polvo son encendidos por una chispa o

fl d bi t D é d h buna flama descubierta. Después pueden haber explosiones secundarias al entrar en suspensión polvo de carbónpolvo de carbón.

Triángulo de fuegog gTres elementos indispensables concurren para que haya un fuego o incendio. Estos elementos forman l ll d i l del llamado “triángulo de fuego” y son:

CombustibleO íOxígenoFuente de calorSi f lt l i l t i dSi falta cualquier elemento no se enciende un fuego, o si a un fuego se le retira el oxígeno o el combustible se extingue el fuego.g g

CombustibleEn las minas encontramos diesel, aceites, grasas, madera, llantas, bandas transportadoras, i l i d bl l i daislamiento de cables eléctricos y de motores,

tuberías de plástico, mexamón, basura, etc.; además de carbón mineral o minerales sulfuradosademás de carbón mineral o minerales sulfurados.En los asientos de algunos equipos se usan plásticos que al quemarse pueden generar fosgeno.Sin embargo en un incendio la causa más común de muerte es envenenamiento con CO.

Los materiales utilizados en el hule de bandas transportadoras se prueban por propagación de fuego. Si la banda se enciende y se le remueve la f ente de ignición el f ego no debe propagarsefuente de ignición, el fuego no debe propagarse y si lo hace debe hacerlo lentamente.Hay que señalar que si se calienta el material de laHay que señalar que si se calienta el material de la banda puede producir humos peligrosos.Una velocidad relativa de 1.5 m/s entre la banda y la corriente de aire puede tener consecuencias serias.

Fuentes de calorFuentes de calorEl otro elemento indispensable para que ocurra un incendio es una fuente de calor que pueda q pencender el combustible en presencia de oxígeno. La energía eléctrica es causa de buena parte de los g pincendios.Las operaciones de corte y soldadura son otra fuente.En minas metálicas los fumadores son otra fuente.

En minas con minerales de sulfuros la combustiónEn minas con minerales de sulfuros la combustión espontánea es otra fuente de calor.En los siguientes lugares es más probable que se g g p qpresente un incendio:Gas metano de los estratosEquipo dieselTalleres de mantenimiento diesel, mecánico y e es de e e o d ese , ec co yáreas de corte y soldaduraEstaciones de cargado de dieselg

Sistemas de bandas transportadoraspSubestaciones eléctricas, equipo y cable eléctricoPolvorines de mexamónRezaga de carbón o de minerales de sulfuros apiladaLas estadísticas indican que el 35 % de todos los incendios se deben a fuentes eléctricas, el 18 % a actividades de corte y soldadura el 12 % aactividades de corte y soldadura, el 12 % a combustión espontánea y el 16 % a causas desconocidas.

Se especula que buena parte de las causasSe especula que buena parte de las causas desconocidas se deben a combustión espontánea. Si esto es cierto se cree que los incendios debidos a combustión espontánea serían alrededor de un 25 % de todos los incendios.En minas de carbón la causa principal de la ignición del metano en las frentes de trabajo son l hi d bid l f i ió d l i dlas chispas debido a la fricción de las picas de corte de los mineros continuos o de las cortadoras en las frentes largasen las frentes largas.

Combustión espontáneaEn términos generales la posibilidad de que ocurra g p qun episodio de combustión espontánea es mayor en minas de carbón, y en segundo término en minas metálicas que tengan minerales de sulfurosminas metálicas que tengan minerales de sulfuros y, de éstas, aquellas que contengan: pirrotita, pirita, marcasita, arsenopirita, esfalerita, galena y calcosita enlistadas en orden decreciente de reactividad.

La combustión espontánea de un mineral es unLa combustión espontánea de un mineral es un proceso de auto-oxidación que resulta en un aumento de temperatura, sin que medie una adición externa de calor. Cuando el mineral se auto-calienta hasta su temperatura de ignición

lt b tió tá P tresulta en una combustión espontánea. Para esto se necesita combustible, suficiente oxígeno, humedad y que la ventilación no disipe el calor producidoy que la ventilación no disipe el calor producido.Donde puede haber combustión espontánea hay combustibles con baja temperatura de ignicióncombustibles con baja temperatura de ignición,

como lo son productos de madera, diesel, mexamón y azufre elemental.La ventilación y los cambios de ventilación son factores; si hay suficiente aire de ventilación el calor generado en la auto oxidación va a sercalor generado en la auto-oxidación va a ser disipado y no se produce la combustión; por otra parte si es muy poco el aire disponible no habrá suficiente oxígeno y se interrumpirá el proceso de oxidación.

En las minas de carbón las caras libres de carbón expuestas están sujetas a la oxidación por el oxígeno del aire. El proceso de oxidación es e otérmico el calor generado p ede res ltar enexotérmico, el calor generado puede resultar en combustión espontánea.El carbón es intrínsecamente reactivo y fácil paraEl carbón es intrínsecamente reactivo y fácil para entrar en combustión. Se ha relacionado la combustión espontánea del carbón, la razón de

ió d CO l ó d b ió d l O lgeneración de CO, la razón de absorción del O, el contenido de pirita y la termodinámica del equilibrio de la absorción-desorción de humedad.equ b o de a abso c ó deso c ó de u edad.

Estas relaciones se determinan directamente al medir el calor exotérmico y el aumento de

l di b itemperatura en un calorímetro adiabático.La combustión espontánea del carbón se puede detectar por el olor para entonces es tarde y puedadetectar por el olor, para entonces es tarde y pueda ser que ya no se controle la situación. El método más usado para la detección temprana de la combustión es la razón CO/deficiencia de oxígeno conocida como la razón de Graham.

En la razón de Graham se mide la concentraciónEn la razón de Graham se mide la concentración de CO en el aire en ppm y la concentración de oxígeno y nitrógeno con una exactitud de ± 0.01%El cálculo se basa en que en el proceso de oxidación no se añade ni se quita nitrógeno del aire y que la razón calculada es casi independiente de la dilución subsecuente por aire fresco.La razón de Graham normal en una mina con producción estable generalmente varía de 0.1 a 0.5

Efectos de los incendios sobre la ventilaciónEfectos de los incendios sobre la ventilaciónEl fuego de un incendio origina un aumento en la temperatura del aire que resulta en una expansión p q pde éste. Esta expansión se da en todas direcciones. En una galería la expansión en contra de la dirección del aire resulta en una reducción del flujo de aire, al producirse un estrangulamiento o

d ió d l tid d d i i l treducción de la cantidad de aire equivalente a que hubiera habido un aumento en la resistencia de la vía de airevía de aire.

Por otra parte el calentamiento del aire disminuyePor otra parte el calentamiento del aire disminuye su densidad y hace que el aire “flote” hacia el techo de la obra y que preferentemente fluya pegado al techo. Si el efecto de flotación es prolongado hace que el humo y los gases calientes f d l i l i lformen una capa pegada al cielo, y, en un nivel o en una obra descendente se regrese en contra de la dirección del flujo de aire Esta disminución de ladirección del flujo de aire. Esta disminución de la densidad del aire tiene efectos locales y cambia las magnitudes de la energía de la ventilación natural.g g

Criterios de diseño de circuitos de ventilación l i i di l irelativos a incendios y explosiones

Minas metálicasAdemás de los requerimientos de la NOM-023-STPS-2003 y de otros derivados de la experiencia se recomienda:Los tiros de servicio y las rampas por ser rutas naturales de evacuación deben ser entradas de aire fresco.Los cables que conducen electricidad deben estar alejadosLos cables que conducen electricidad deben estar alejados de madera o deben estar bien aislados.Las tuberías de diesel deben ir por barrenos especialmente perforados para es fin.

El circuito de ventilación de los talleres diesel en el interior de la mina debe ser tal que el aire viciado sea descargado a la extracción o salida última de aire iciado de la minaúltima de aire viciado de la mina.La extracción o salida última de aire viciado de la mina debe estar aislada de manera que no hayamina debe estar aislada, de manera que no haya posibilidad de que el aire viciado se pueda filtrar hacia corrientes de aire fresco y contaminarlas.Se recomienda la ubicación de los extractores principales en superficie porque, en el interior de la mina pueden quedar inaccesiblesla mina pueden quedar inaccesibles.

Los ventiladores primarios en el interior de la mina deben estar eléctricamente independientes de potro equipo crítico y deben poderse controlar desde superficie y desde el interior de la mina.Los circuitos de las áreas o secciones de la mina deben ser independientes entre si, o al menos deben poderse aislar fácilmente.

Minas de carbónEn la NOM-032-STPS-2008 se enlistan los requerimientos de ventilación, entre ellos destacanEl motor eléctrico del abanico principal se debe ubicar fuera del circuito de ventilación.L til d d b t i t t dLos ventiladores deben contar con instrumentos de monitoreo continuo del gas metano en el área de descarga.desc g .Se deben aplicar medidas de seguridad cuando se alcance el 1.0 % de metano en los desarrollos.

Debe haber un sistema automático para el corte de penergía eléctrica al interior de la mina cuando los porcentajes de gas metano sean iguales o mayores al 1 5 % en la descarga del abanico principalal 1.5 % en la descarga del abanico principal.Se deben aplicar medidas de seguridad cuando se alcance el 1 0 % de concentración de gas metanoalcance el 1.0 % de concentración de gas metano en la terminal de frentes largas.Se deben aplicar medidas de seguridad cuando se alcance el 1.5 % de concentración de gas metano en regresos secundarios y generales.

Se debe aplicar polvo inerte en tablas, techo y piso de las obras para mantener al menos una pincombustibilidad del 85 %.

Control y combate de siniestrosControl y combate de siniestros

Las minas y los siniestros son diferentes, por lo y , pque las acciones para combatirlos y controlarlos deben tomar en cuenta sus particularidades. Alg nas recomendaciones generales son:Algunas recomendaciones generales son:La mina debe contar con un mapa actualizado con los flujos de aire direcciones magnitudeslos flujos de aire, direcciones, magnitudes, puertas, tapones, ventiladores primarios y secundarios y rutas de evacuación.Las áreas debajo de bandas transportadoras y poleas se deben mantener limpias de derrames.

Todo el personal debe portar autorescatadores y estar p p yentrenado en su uso.Las minas deben tener una red de agua contra incendios

t i t l l l i d bócon tomas a intervalos regulares en las minas de carbón y en donde haya lugares susceptibles de un incendio en minas metálicas.Debe haber un sistema que alerte al personal que debe evacuar la mina. Puede ser con gas fétido si hay red de aire comprimido si no hay red (pero hay comunicación porcomprimido, si no hay red (pero hay comunicación por leaky feeder) hay sistemas de alarma con chips en cada lámpara minera que alertan al personal.

Debe haber un plan de evacuación conocido por p ptodo el personal, en el que se indiquen las rutas de escape. Las rutas de escape deben estar señali adas Debe haber mapas en l garesseñalizadas. Debe haber mapas en lugares estratégicos de la mina mostrando las rutas de escape.pEn lugares estratégicos debe haber refugios herméticos, resistentes al fuego para todo los

i li t t bl b ti í dmineros; con alimentos, agua potable, botiquín de primeros auxilios, aire comprimido, herramientas y medio de comunicación.y ed o de co u cac ó .

El personal que detecte olor a quemado, humo o p q q ,un fuego si lo puede localizar sin tardanza debe hacerlo, y si puede controlarlo también debe hacerlo; si e q e a a demorarse en bicarlo ohacerlo; si ve que va a demorarse en ubicarlo o controlarlo, debe dar aviso inmediatamente. La persona responsable al enterarse debe decidir que p p qcurso de acción se debe tomar, incluyendo la evacuación del personal no destinado a controlar el fuego si tal es el casoel fuego, si tal es el caso.En un incendio el tiempo no está a favor nuestro, todo lo contrario.todo o co t a o.

En caso de evacuación se debe verificar que todo el personal haya sido evacuado.p yUna vez evacuado el personal y se sabe el lugar o área general del fuego, las cuadrillas de rescate g g ,proceden a cortar la entrada de aire a ese lugar con tapones temporales sellados con espuma de alta expansión y a establecer estaciones seguras en aire limpio.

En los tapones permanentes que se instalen seEn los tapones permanentes que se instalen se debe dejar tubos para muestrear y monitorear los gases atrás del tapón; para ver si el fuego se está extinguiendo o si es necesario mejorar el sellado del área. La razón de Graham es una herramienta

it i l f tá ti i dque permite ver si el fuego se está extinguiendo.En el evento de un siniestro sea éste un incendio o

l ió l d b t duna explosión, las empresas deben atender e informar a autoridades, comunidad y familiares a la vez que combaten y controlan el siniestrola vez que combaten y controlan el siniestro.

En lo externo la empresa debe tener un portavoz p presponsable, autorizado que permita o niegue la entrada a personas a un área resguardada designada para proporcionar información oficialdesignada para proporcionar información oficial sobre el siniestro, dicha área debe estar separada de las instalaciones de producción. El portavoz de p pla empresa debe emitir los boletines informativos a familiares, autoridades y medios de comunicación El objetivo es evitar distraccionescomunicación. El objetivo es evitar distracciones al personal dedicado al control y combate del siniestro.

En lo interno, la organización seleccionada paraEn lo interno, la organización seleccionada para controlar y combatir el siniestro debe tener una persona para encabezar, decidir, dirigir y coordinar a los miembros del equipo.Todos los miembros deben conocer a fondo su autoridad y responsabilidad sin ambigüedades. El superintendente de mina, de seguridad y de

t i i t l j f d á d l d ill dmantenimiento, los jefes de área, de la cuadrilla de rescate y el encargado de ventilación deben formar parte del equipoparte del equipo.

El equipo para combatir y controlar el siniestro debe tener a su disposición y sin restricción todo p yel apoyo material y humano que necesiten en la emergencia.

Capítulo 15 Calor en las minas y Psicrometría

El calor en las minas es un asunto muy importante y pporque reduce la eficiencia de los trabajadores y puede convertirse en la limitante al crecimiento de

na minauna mina.Varias fuentes contribuyen en grado variable al contenido de calor en la mina: autocompresión delcontenido de calor en la mina: autocompresión del aire en tiros y obras casi verticales, el calor de la roca, el agua subterránea, la utilización de equipos l t á i id ió l delectromecánicos, oxidación y voladuras.

Otra fuente es el metabolismo humano, sin embargo en términos relativos no es importanteembargo en términos relativos no es importante.

El contenido de vapor de agua en la atmósfera en p gsí no es una fuente de calor, pero es de gran importancia porque tiene gran influencia en el contenido de calor de dicha atmósfera; lo c al escontenido de calor de dicha atmósfera; lo cual es razón suficiente para justificar la necesidad de controlar la humedad en las minas.El aire, sabemos, es una mezcla de gases, el nitrógeno y el oxígeno constituyen el 99.04 % en

l l 98 68 % l t COvolumen y el 98.68 % en peso; el resto es CO2, argón y gases raros. Este aire se conoce como aire seco.seco.

Las atmósferas normales siempre contienen una pcantidad variable de vapor de agua, por lo que el concepto de aire seco es hipotético y conveniente en el cálc lo de procesos de acondicionamiento deen el cálculo de procesos de acondicionamiento de aire.El contenido de calor y humedad afecta lasEl contenido de calor y humedad afecta las condiciones ambientales que se reflejan en la productividad de las personas.Normal y tradicionalmente los contaminantes, entre ellos el calor, se diluyen con aire.

La dilución de calor con aire no siempre funciona pdebido al contenido de vapor de agua del aire fresco o a la evaporación del agua de la mina que se incorpora al aire fresco en s tránsito por lase incorpora al aire fresco en su tránsito por la mina. Aquí entramos en el terreno del aire acondicionado, en el que para tener condiciones , q pambientales adecuadas hay que controlar la temperatura y humedad del aire además de su caudal; para esto hay que determinar las relacionescaudal; para esto hay que determinar las relaciones entre temperatura, humedad y transferencia de calor por medio de la psicrometría.

Fuentes de calor en la minaFuentes de calor en la mina

La psicrometría es el estudio de las mezclas aire –pvapor de agua en condiciones atmosféricas normales.Compresión adiabática o autocompresiónEn tiros y obras mineras sensiblemente verticales conforme aumenta la profundidad aumenta laconforme aumenta la profundidad aumenta la densidad del aire. El peso mismo de una columna de aire en tiros ocasiona una compresión del aire en el fondo de la columna que viene acompañada por un aumento en la temperatura del aire, es decir el aire se autocomprimeel aire se autocomprime.

El aumento de calor por autocompresión en los p ptiros ocurre de la misma manera en que aumenta la temperatura del aire al ser comprimido en un compresor Para determinar la cantidad de calorcompresor. Para determinar la cantidad de calor producido en la autocompresión se supone que ésta se realiza adiabáticamente, sin ganancia o gpérdida de calor, se supone también que el vapor de agua en el aire no cambia, no hay fricción en el flujo de aire y no hay transferencia de calor entreflujo de aire y no hay transferencia de calor entre el aire y las paredes del tiro. En la realidad cambia el contenido de vapor, calor y hay fricción.

Se estima que el aumento en la temperatura de q pbulbo seco debido a la autocompresión es de 5.4 °F/1000 pies (1 °C/102 m) en un tiro.Al comprimirse el aire aumenta su densidad y suAl comprimirse el aire aumenta su densidad y su temperatura y por lo tanto se reduce su capacidad de enfriamiento.A i t f did d ll t lA cierta profundidad se llega a un punto en que el aire ya no tiene capacidad de enfriamiento, es la profundidad crítica y es cuando hay que instalar un sistema de aire acondicionado. La profundidad crítica es ± de 1980 m.

Otras fuentes de calentamiento o enfriamientoOtras fuentes de calentamiento o enfriamiento como son el gradiente térmico de la roca, escurrimientos de agua, tuberías de aire comprimido o de bombeo de agua y líneas eléctricas pueden enmascarar o distorsionar el f t d l t i t t ió d lefecto de calentamiento por autocompresión del

aire, de tal manera que la temperatura del aire en el tiro no necesariamente refleja el aumentoel tiro no necesariamente refleja el aumento teórico de temperatura por autocompresión.

Calor de la rocaCalor de la rocaLos cambios de temperatura en superficie afectan la temperatura de la roca hasta una profundidad de p punos 15 m. A partir de esa profundidad aumenta la temperatura de la roca uniformemente conforme aumenta la profundidad. Este aumento es conocido como el gradiente geotérmico y es dif t d di t it i El di tdiferente para cada distrito minero. El gradiente es afectado por la edad de las rocas y por la cercanía a actividad volcánica y a aguas termalesa actividad volcánica y a aguas termales.

Gradientes geotérmicos promedio de varios distritos mineros del mundo

Así como el aire al autocomprimirse alcanza una pprofundidad crítica, la masa rocosa generalmente por ser la mayor fuente de calor al alcanzar una cierta prof ndidad calienta el ambiente a nos 41cierta profundidad calienta el ambiente a unos 41 °C la cual es denominada como la temperatura crítica, donde es necesario acondicionar el aire.,En la tabla se proporcionan las temperaturas máximas de la roca virgen en varias minas. Al d i l fiAlgunas de esas minas aparecen en la figura y en ellas la temperatura del fondo es mayor que lo que indica el gradiente geotérmico.d ca e g ad e te geoté co.

Temperaturas máximas de roca virgenTemperaturas máximas de roca virgen

Agua subterráneaAgua subterráneaEl agua subterránea es una fuente importante de calor en las minas; en siete minas calientes el agua ; gaporta todas las fuentes de calor latente y 20 % del 80% del calor total ganado por el aire.Se pueden añadir grandes cantidades de calor al aire al evaporarse el agua de barrenación, la que se decanta en el relleno con jal y el agua usada para mojar rezaga de voladuras o para lavar obras.

Se recomienda controlar el agua por medio de g pacequias o tubería u obturando las fuentes de agua. En una mina se encontró que el aire de ventilación le anta más calor de la e aporación del ag a enlevanta más calor de la evaporación del agua en acequias que de la masa rocosa y que el agua en acequias destapadas llegaba a estar hasta 22 °C q p gmás fría que cuando brotó de la roca.Equipo electromecánicoTodos los equipos electromecánicos al trabajar producen calor que se transmite al aire de la mina.

Al trabajar el equipo diesel genera calor. El calor j q p gproducido equivale al 90 % del poder calorífico del combustible.

i l i l hid liLos equipos eléctricos o electrohidráulicos producen trabajo más eficientemente que el equipo diesel desde el punto de vista de generación dediesel desde el punto de vista de generación de calor.Todos los equipos eléctricos aportan calor, aun los ventiladores. Un 4 % de la energía de las subestaciones eléctricas se disipan como calor.

Las bombas no sumergibles pueden disipar hasta g p pun 15 % de la energía que reciben.Al desarrollar con topos o mineros continuos de

d l l l ib iblun 20 a 50 % del calor en el tope es atribuible a los equipos y pueden elevar la temperatura de 6 a 22 °C22 C.En estaciones de bombeo o subestaciones eléctricas en espacios cerrados el requerimiento de aire de ventilación se basa en que 1 hp genera 2,545.08 Btu/hr.

OxidaciónLa oxidación de mineral, sobre todo de sulfuros, madera y del cemento añadido al relleno con jal

d l di il i i lproducen calor, pero es difícil cuantificarlo o medirlo directamente; se sabe que en algunos casos produce combustión espontáneacasos produce combustión espontánea.VoladurasEn las disparadas se estima que entre el 50 al 90 % s d sp d s se es que e e e 9 %de la energía generada se disipa como calor, buena parte del calor es absorbido por la roca.

Potencial calorífico de varios explosivos

PsicrometríaPsicrometría

El mejor medio del que disponemos para j q p pdeshacernos del calor y la humedad generados en la mina es por medio de los flujos de ventilación.

i d d lPor esta razón es necesario entender a través de la psicrometría el comportamiento y capacidad del aire para transportar los incrementos de calor yaire para transportar los incrementos de calor y humedad hasta su punto de disposición.La psicrometría es la ciencia que trata con las propiedades de las mezclas de aire-vapor de agua bajo condiciones atmosféricas normales, propiedades conocidas como psicrométricaspropiedades conocidas como psicrométricas,

cómo se interrelacionan entre ellas, los cambios a ,que pueden estar sujetas las atmósferas, cambios como compresión, expansión, calentamiento o enfriamiento Por lo tanto la psicrometría trata conenfriamiento. Por lo tanto la psicrometría trata con la termodinámica de las mezclas de aire y vapor de agua.gLa medición de la temperatura y humedad del aire y de la presión barométrica forman parte de la

i t í l l i d dpsicrometría, el conocer algunas propiedades psicrométricas del aire nos permite calcular las demás.de ás.

En el acondicionamiento del aire se usan procesos pcomo calentamiento, enfriamiento, enfriamiento y deshumidificación, enfriamiento por evaporación, secado me clado Para resol er los problemassecado y mezclado. Para resolver los problemas relacionados con estos procesos, es indispensable determinar las propiedades psicrométricas en las p p pcondiciones dadas, lo que se conoce como punto de estado. C i d l ió b ét i t dConociendo la presión barométrica, con otras dos propiedades psicrométricas cualesquiera se puede determinar el punto de estado.dete a e pu to de estado.

Las dos propiedades psicrométricas más comunes p p py fáciles de medir son las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo.

l i d d l i l l lDe las propiedades, la que es esencial en cálculos de procesos psicrométricos es la entalpia.Cualquier atmósfera es una mezcla de aire y vaporCualquier atmósfera es una mezcla de aire y vapor de agua que es caracterizada por las temperaturas de bulbo seco, bulbo húmedo y punto de rocío. Una atmósfera que no contiene todo el vapor que puede contener a la presión dada es una atmósfera no saturadano saturada.

Propiedades psicrométricasPropiedades psicrométricasTemperatura de bulbo seco (tdb). Es la temperatura p ( db) pindicada por un termómetro convencional en °C o °F. Es una medida del calor sensible y de la energía cinética de las moléculas del gas.gTemperatura de bulbo húmedo (twb). Es indicada por un termómetro convencional cuyo bulbo está cubierto con una tela de seda o algodón humedecida con agua en °C o °F ytela de seda o algodón humedecida con agua, en C o F y es una medida de la capacidad evaporativa del aire.Temperatura de punto de rocío (tdp). Es la temperatura a la cual se condensa el agua es una temperatura de saturacióncual se condensa el agua, es una temperatura de saturación y se mide en °C o °F y depende de la presión del vapor de agua.

Cuando una atmósfera contiene todo el vapor deCuando una atmósfera contiene todo el vapor de agua que puede contener a la presión a la que está sujeta, se dice que es una atmósfera saturada y en ella se pueden medir tres temperaturas: las de bulbo seco, bulbo húmedo y de punto de rocío y l t i llas tres son iguales.Presión de vapor (pv). Es la presión parcial del

d l i L ió b ét ivapor de agua en el aire. La presión barométrica es la suma de las presiones parciales del aire seco y del vapor de agua Se mide en Hg” o en Kpadel vapor de agua. Se mide en Hg o en Kpa.

La Ley de Dalton nos dice que la presión total de y q puna mezcla de gases es la suma de las presiones de los gases individuales.

d d l i ( ) l d lHumedad Relativa (Ø). Es la razón de las presiones de vapor de agua a las condiciones dadas y a la condición de saturación condadas y a la condición de saturación con temperatura constante, se indica en %.Humedad Específica (W). Es la humedad absoluta, o peso del vapor de agua contenido por peso unitario de aire seco, se mide en gr/gr o en lb/lb.

Grado de saturación (μ). Es la razón entre los (μ)pesos del vapor de agua en el aire a las condiciones dadas y a la condición de saturación a temperat ra constante se indica en %temperatura constante, se indica en %.Volumen específico (v). Es el volumen de un peso unitario de aire seco No es igual al recíproco de launitario de aire seco. No es igual al recíproco de la densidad, que está basada en un volumen unitario de mezcla, se indica en pie3/lb o m3/kg.Densidad de aire (húmedo) (ω). Es el peso específico del aire, o peso por unidad de volumen, se mide en lb/pie3 o kg/m3se mide en lb/pie o kg/m .

3251 lb/pie3( )'378.0325.1vb

db

ppT

−=ω

kg/m3( )'378.0287.0

1vb

db

ppT

−=ω

Entalpia (h). Es el contenido total de calor del aire, o sea, la suma de la entalpia del aire seco y la del vapor de agua por unidad de peso de aire seco, se indica en Btu/lb o KJ/kg

Tablas psicrométricaspCon el punto de estado, se pueden determinar las demás propiedades; sin embargo las tablas son para atmósferas

t d l i d d i ét i dsecas o saturadas, las propiedades psicrométricas de atmósferas intermedias, húmedas, se deben calcular por fórmula a partir de las propiedades de atmósferas secas o saturadas.Cartas psicrométricasS i áfi l i lSon representaciones gráficas que relacionan las propiedades psicrométricas y permiten leerlas gráficamente.g

Los datos obtenidos en las cartas no tienen la precisión de los calculados con fórmula y datos de p ylas tablas. Las cartas son de gran valor porque permiten la g p q prepresentación del proceso psicrométrico que el aire está experimentando, lo que es de gran ayuda para resolver problemas de acondicionamiento de aire.

Elementos de una carta psicrométrica en relación a su punto de estado

Nomograma psicrométricoNomograma psicrométrico

Procesos psicrométricos básicosProcesos psicrométricos básicos

El término aire acondicionado quiere decir que aEl término aire acondicionado quiere decir que a un flujo continuo de aire se le modifica su contenido de calor y humedad. Al ocurrir eso cambia la densidad del aire, por lo que en aire acondicionado no es conveniente hablar en té i d d l i d l G d d ltérminos de caudal, sino del peso, G, de ese caudalEl cambio de calor en un proceso implica cambio d l l ibl l t t U tde los calores sensible y latente. Un aumento o disminución en la temperatura de bulbo seco modifica el contenido de calor sensiblemodifica el contenido de calor sensible.

Un aumento o disminución en la humedadUn aumento o disminución en la humedad específica modifica el contenido de calor latente. La temperatura de bulbo húmedo cambia en ambos casos.El factor de calor sensible, F, expresado como decimal aparece en una escala vertical a la izquierda en la carta psicrométrica y es la razón d l l ibl l l t t l E t f tdel calor sensible al calor total. Este factor relaciona el calor sensible y el calor latente. Calor total es la suma de los calores sensible y totaltotal es la suma de los calores sensible y total.

Sentido y dirección de los procesos psicrométricos

CalentamientoEs el proceso de calentar aire, generalmente por convección por medio de serpentines de vapor o i li d h d laire caliente de hornos, aumentando su calor

sensible sin aumentar su calor latente. En la carta está representado por una línea horizontal queestá representado por una línea horizontal que conecta los puntos inicial y final, que se aleja de la curva de saturación. Cambian las temperaturas

d b lb hú d h d d l tisecas, de bulbo húmedo, humedad relativa y entalpia; humedad específica y temperatura de rocío no.oc o o.

Proceso psicrométrico de calentamiento

EnfriamientoEl aire se enfría por convección al entrar en contacto con serpentines fríos (o por convección y

i d l ievaporación cuando el aire entra en contacto con agua fría atomizada) y resulta en una reducción del calor sensible sin modificar el calor latentedel calor sensible sin modificar el calor latente.En este proceso humedad específica y temperatura de punto de rocío no cambian, mientras que las temperaturas seca, de bulbo húmedo, humedad relativa y entalpia si cambian.

Proceso psicrométrico de enfriamientoProceso psicrométrico de enfriamiento

Enfriamiento y deshumidificaciónEnfriamiento y deshumidificaciónEste proceso implica reducir los calores sensible y latente disminuyendo a la vez el contenido de yhumedad. En la carta se mueve teóricamente sobre una diagonal hacia la izquierda y abajo hacia la curva de saturación sin alcanzarla. El enfriamiento se hace con serpentines o aspersores. En el

t d l i d d i ét iproceso todas las propiedades psicrométricas disminuyen, excepto la humedad relativa que permanece constantepermanece constante.

Proceso psicrométrico de enfriamiento y deshumidificación

Enfriamiento por evaporaciónp pEl enfriamiento se logra convirtiendo calor sensible a calor latente, prácticamente sin que

bi l id d l l d l i lcambie el contenido de calor total del aire al añadir humedad. Al aplicar agua atomizada a la temperatura de bulbo húmedo el aire se enfría portemperatura de bulbo húmedo el aire se enfría por evaporación.En el proceso la temperatura de bulbo húmedo permanece constante, disminuye la de bulbo seco y aumenta la temperatura de punto de rocío, entalpia humedad específica y humedad relativaentalpia, humedad específica y humedad relativa.

Proceso psicrométrico de enfriamiento por evaporación

SecadoSu aplicación en la minería es limitada Se llega aSu aplicación en la minería es limitada. Se llega a aplicar en el almacenamiento subterráneo comercial. El proceso consiste en una deshidratación del aire con productos químicos que absorben o adsorben el vapor de agua.

Proceso psicrométrico de secadoProceso psicrométrico de secado

MezclaMezclaLa mezcla de corrientes de aire es frecuente al converger flujos de aire fresco y recirculado. Cada g j yflujo tiene su punto de estado. Para ubicar el nuevo punto de estado se conectan por medio de una recta los puntos de estado de cada corriente. La distancia de los puntos de estado al punto de

t d lt t bi l i destado resultante se ubica por las proporciones de la masa de aire de cada corriente.

Proceso psicrométrico de mezclaProceso psicrométrico de mezcla

Efectos fisiológicos del calorEfectos fisiológicos del calor

El cuerpo humano tiene un mecanismo de controlEl cuerpo humano tiene un mecanismo de control para regular el calor corporal y mantener la temperatura casi constante en 37 °C. El mecanismo balancea los procesos de ganancia y pérdida de calor, para evitar efectos nocivos por latensión calorífica.El sistema nervioso controla el mecanismo regulador de calor del cuerpo.

Cuando los nervios cercanos a la superficie de la ppiel detectan un cambio en las condiciones ambientales o en la temperatura corporal, actúan como n termóstato transmiten n imp lso a loscomo un termóstato y transmiten un impulso a los nervios simpáticos que controlan el sistema circulatorio y las glándulas sudoríparas. El cuerpo y g p presponde disipando calor que es transportado por la corriente sanguínea de los tejidos profundos a la piel para ser disipado Las temperaturas del núcleopiel para ser disipado. Las temperaturas del núcleo y la piel deben diferir en 1 °C o más para que haya una transferencia efectiva de calor.

La actividad muscular y el metabolismo son laLa actividad muscular y el metabolismo son la fuente de todo el calor producido dentro del cuerpo. La oxidación y otros procesos químicos generan calor continuamente al digerir alimentos y al oxigenar la sangre. Esto se llama metabolismo bá i id l tid d d lbásico y se mide como la cantidad de calor liberado por una persona descansando en un ambiente confortable unos 400 Btu/h Durante elambiente confortable, unos 400 Btu/h. Durante el ejercicio físico se producen de 400 a 2000 Btu/h o más de calor que se desecha.q

Un mecanismo del cuerpo que guarda o cede calor p q gpara mantener constante la temperatura del cuerpo se conoce como almacenamiento. A temperaturas ambientales bajas el almacenamiento cede calorambientales bajas, el almacenamiento cede calor para mantener caliente el cuerpo y a altas temperaturas, toma calor para mantener fresco el p , pcuerpo. Si es sobrecargada, la función de almacenamiento eventualmente se rompe, permitiendo que cambie la temperatura del cuerpopermitiendo que cambie la temperatura del cuerpo y haya una posible tensión calorífica y un posible daño.

El cuerpo humano se puede considerar como unaEl cuerpo humano se puede considerar como una máquina calorífica. El calor que se desecha y el calor del medio ambiente se pueden intercambiar por medio de procesos convencionales de transferencia de calor: convección, radiación y/o

ió d fl id l i i l tevaporación de fluidos corporales, principalmente sudor.El l fl d l á li t h i lEl calor fluye de la masa más caliente hacia la masa más fría y es posible la transferencia por cualquiera de esos procesoscualquiera de esos procesos.

Tensión térmicaLa medida de la respuesta y ajuste del cuerpo a la tensión calorífica ambiental y metabólica se conoce como tensión térmica Cuando aumenta laconoce como tensión térmica. Cuando aumenta la tensión calorífica el cuerpo intenta mantener un equilibrio térmico a través de mecanismos de transferencia de calortransferencia de calor.Tres signos vitales del cuerpo indican hasta que grado el cuerpo puede manejar la tensión térmica: temperatura corporal, ritmo cardíaco y razón de sudoración.

La temperatura corporal es el signo vital más confiable. Un p p gaumento o disminución de unos cuantos grados es la advertencia temprana del cuerpo de peligro térmico. A períodos variables de exposición sobreviene la muerte aperíodos variables de exposición sobreviene la muerte a temperaturas corporales de 40 a 43 °C. El rango seguro para la fluctuación de la temperatura corporal es de 36 a 38 °C. Un factor en los límites de tensión térmica es la tolerancia entre hombres y mujeres, se reporta que es menor para las mujeres; su temperatura corporal puede p j ; p p psubir 2-3°F más que los hombres antes de que empiecen a sudar.

El ritmo cardíaco es un indicador confiable deEl ritmo cardíaco es un indicador confiable de tensión térmica pero es menos sensible a un esfuerzo térmico bajo. El ritmo de sudoración es el más usado de los tres criterios pero es menos confiable y puede disminuir ante un alto esfuerzo té itérmico.Para ayudar al mecanismo regulador a mantener el

ilib i té i l d t b j li tequilibrio térmico en lugares de trabajo calientes, se pueden emplear varias medidas ambientales:

Vestimenta. Vista ropa ligera para perder calorVestimenta. Vista ropa ligera para perder calor por radiación y convección, la ropa debe ser absorbente y de tejido abierto para facilitar la evaporación del sudor.Movimiento de aire. Proporcione una ventilación adecuada para aumentar la pérdida de calor, sobre todo por evaporación; evite velocidades excesivas i l t t d l i l d lsi la temperatura del aire es mayor que la del

cuerpo, debido a la ganancia de calor por radiación y convecciónradiación y convección.

Aclimatación. Aclimate los mineros a ambientesAclimatación. Aclimate los mineros a ambientes húmedos calientes durante un período de 5 a 8 días, para que sus cuerpos se puedan ajustar a condiciones extremas. Los procedimientos varían, pero en general en todos se aumenta el tiempo de

i ió l d ió d l t b j 10 %exposición o la duración del trabajo en un 10 % por día a partir de una exposición inicial del 50 %.Otras I t l i hábit dOtras. Instruya a los mineros en hábitos de trabajo/descanso apropiados, alternando trabajo pesado con períodos de descanso frecuentepesado con períodos de descanso frecuente.

Proporcione suficiente agua potable fría, 15 °C,Proporcione suficiente agua potable fría, 15 C, cerca de todos los lugares de trabajo.Reemplace la pérdida de sal por sudoración con p p ppequeñas cantidades de sal (0.1 %) disuelta en agua de beber y alentando el uso de sal en las comidas.De suplementos de vitamina C (100 a 200 mg/día) para restaurarla a su nivel normal.

Aunque varían en sus síntomas, tratamiento y q , yefectos hay varías formas reconocidas de malestares por el calor, que el personal debe estar entrenado para reconocerentrenado para reconocer.Insolación. Es la más seria de las enfermedades por el calor de un 20 a un 80 % son fatales Lapor el calor, de un 20 a un 80 % son fatales. La temperatura del cuerpo sube a 40 °C o más; cesa la sudoración dejando la piel caliente, seca y

j d El i t d tsonrojada. El paciente puede entrar en coma o desvariar. Se debe retirar a la persona del ambiente y aplicar agua tibia al cuerpo.a b e te y ap ca agua t b a a cue po.

Calambres. Común en trabajadores de fábricas yCalambres. Común en trabajadores de fábricas y minas calientes, son una forma aguda de agotamiento de sal. Los síntomas son fatiga, mareos y dolor muscular agudo que conduce a calambres estomacales. El remedio es suministrar

l á id t i t t i isal rápidamente, intravenosamente si es necesario.Agotamiento por calor. Menos severo pero

ó i E t d f ti d l dcrónico. Esta marcado por fatiga, dolores de cabeza, mareos, visión borrosa y a veces incapacidad para sudar Retirarlo del ambienteincapacidad para sudar. Retirarlo del ambiente.

Otros. La erupción y picazón causada por el calorOtros. La erupción y picazón causada por el calor puede incapacitar si afecta áreas grandes o si se infecta; consiste de pequeñas ampollas rojas o salpullido. Se evita usando ropa suelta, porosa y bañándose frecuentemente; se trata permaneciendo

l f d táen lugares frescos secos cuando no se está trabajando. Otros malestares incluyen desmayos, retención de calor y deshidrataciónretención de calor y deshidratación.

Capacidad humana para el trabajo y seguridad

Debido a la incapacidad de un trabajador paraDebido a la incapacidad de un trabajador para producir a su ritmo normal en ambientes calientes, húmedos, disminuye su eficiencia de trabajo. Hay también un aumento en descuidos y accidentes, porque los trabajadores están menos alerta.

ÁEn las minas de oro de África del Sur se ha obtenido confirmación experimental que muestra

l ió di t t l d ti id d d luna correlación directa entre la productividad del minero y el poder de enfriamiento del aire.

Relación entre el poder de enfriamiento del aire y la d i id d d l iproductividad de los mineros

Efecto del poder de enfriamiento en la seguridad

Los índices de accidentes de personas trabajandoLos índices de accidentes de personas trabajando en condiciones húmedas y calientes son más altos que los índices en ambientes normales. Los índices más bajos de accidentes se han relacionado con hombres trabajando a temperaturas debajo de 21 °C l á lt t t d 27 °C21 °C, los más altos a temperaturas de 27 °C y más. En un estudio que se hizo en la mina de oro Ooregum en la India antes y después de instalarOoregum en la India antes y después de instalar acondicionamiento de aire, se aprecia la reducción de los accidentes con la mejora ambiental.j

Accidentabilidad antes y después de acondicionar aire en mina Ooregum

Estándares de calorEstándares de calor

Para 1960 se habían legislado límites a la tensión gtérmica en Alemania, Bélgica, Holanda, Nueva Zelanda y Polonia. Ahora, Rusia y el Reino Unido han legislado tambiénhan legislado también.Algunas compañías mineras por iniciativa propia están adoptando estándares de calor Una minaestán adoptando estándares de calor. Una mina metálica en E.U. tiene una meta de temperatura efectiva de 21 °C, su límite es de 27 °C.En la siguiente tabla se muestra la reglamentación sobre el calor en Alemania Occidental para minas de carbónde carbón.

Reglamento sobre el calor para minas de carbón en Alemania Occidental

Índices para ambiente de minaÍndices para ambiente de mina

Los índices de calor de uso actual en minería, ,clasificados como directos, empíricos o derivados racionalmente, incluyen los siguientes:

d b lb b lbDirectos. Temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo, velocidad del aire.Empíricos Termómetro Kata temperaturaEmpíricos. Termómetro Kata, temperatura efectiva, índice de temperatura de globo bulbo húmedo.Derivados racionalmente. Poder específico de enfriamiento.

Temperatura de bulbo seco (td). La familiaridad p ( d)con esta temperatura y su facilidad de medición la recomiendan como un estándar directo, pero carece de e actit d como índice de tensión térmicacarece de exactitud como índice de tensión térmica para las personas, rara vez se usa solo.Temperatura de bulbo húmedo (t ) Es laTemperatura de bulbo húmedo (tw). Es la propiedad psicrométrica más relevante como un indicador directo de tensión térmica. En ambientes

li t hú d bi t l f tcaliente, húmedos gobierna tw porque el confort humano depende de la evaporación del sudor y de la razón a la cual puede tomar humedad. a a ó a a cua puede to a u edad.

Relativamente un cambio de 1 °F en tw produce w pla misma sensación fisiológica que un cambio de 10 °F en la temperatura de bulbo seco.

d d b lb h d li dUn estándar de bulbo húmedo muy generalizado en los Estados Unidos es 28 °C.Velocidad del aire Después de t la velocidadVelocidad del aire. Después de tw la velocidad del aire es el más importante factor ambiental directo para determinar el confort humano. En proporción, un aumento en la velocidad es casi tan efectivo como una disminución en tw, sobre todo a velocidades bajas y t debajo de 38 °Ca velocidades bajas y td debajo de 38 C.

Termómetro Kata. Probablemente el primer pinstrumento diseñado para medir el poder de enfriamiento del aire. Sus lecturas proporcionan

na medida empírica de la tensión térmica Eluna medida empírica de la tensión térmica. El termómetro Kata simula el comportamiento del cuerpo humano en un ambiente caliente, húmedo; p , ;no hay un consenso a que tan bien.Temperatura efectiva. Fue derivada en 1923 por l ASHRAE l i l f t bi d dla ASHRAE, relaciona el efecto combinado de temperatura, humedad y velocidad del aire en una temperatura empírica.te pe atu a e p ca.

Para determinar la temperatura efectiva, te, se p , e,necesita una gráfica a partir de las temperaturas de bulbo seco de bulbo húmedo y la velocidad del aire Esta gráfica está basada en hombres desn dosaire. Esta gráfica está basada en hombres desnudos hasta la cintura y en reposo o haciendo trabajo ligero, condiciones éstas como las encontradas en g ,minas calientes. Se han desarrollado estándares de te relacionados con eficiencia de trabajo. En minas la t recomendada es 27 °C (eficiencia de trabajola te recomendada es 27 C (eficiencia de trabajo 100 %) y la máxima permisible es de 32 °C (eficiencia 65 %).

Efecto de las tw y te sobre la eficiencia de trabajo

Escala de temperatura efectivaEscala de temperatura efectiva

Índice de temperatura de globo bulbo húmedo.p gLa ACGIH apoya un valor umbral límite empírico para la tensión térmica basado en el índice de

d l b b lb h dtemperatura de globo bulbo húmedo.La técnica emplea las temperaturas de bulbo seco, bulbo húmedo y de globo La temperatura debulbo húmedo y de globo. La temperatura de bulbo seco se usa nada más en ambientes con carga solar. Las lecturas se correlacionan en un índice de la siguiente manera (no habiendo carga solar):

WBGT = 0.7 t + 0.3 tWBGT 0.7 tw + 0.3 tg

La inclusión del termómetro de globo toma en cuenta la pérdida de calor corporal por radiación, p p p ,un efecto ignorado en otros métodos directos y empíricos de medición de la tensión térmica.En las minas de los Estados Unidos se recomienda un valor umbral límite de tensión térmica de 26 °C WBGT.

TLV de exposición permisible al calor basado en el índice WBGT

Se han hecho esfuerzos para desarrollar un índice pracional de tensión térmica expresado como poder de enfriamiento específico, basado en la teoría de transferencia de calor No ha instr mento paratransferencia de calor. No hay instrumento para medir directamente el poder de enfriamiento. El termómetro kata da una aproximación. La lectura pdel termómetro se correlaciona con el poder de enfriamiento en una grafica de valores de poder de enfriamiento y niveles seguros de trabajo contra tenfriamiento y niveles seguros de trabajo contra twy velocidades de aire, sobreponiendo las lecturas del termómetro kata.

Comparación de índicesComparación de índicesDe los índices usados actualmente ninguno satisface completamente los requerimientos de p qracionalidad y de mediciones exactas, confiables y sencillas.El poder de enfriamiento específico es el más prometedor, pero falta desarrollarlo más.En los E.U. la temperatura efectiva es el índice favorecido en la minería.

Capítulo 16 Sistemas de acondicionamiento de aire en minasYa desde 1860 en Virginia City, Nevada, se g y, ,transportaban bloques de hielo en carros mineros para refrescar a los mineros. Con el desarrollo del ciclo de compresión de apor en la refrigeraciónciclo de compresión de vapor en la refrigeración, el método más usado actualmente, propició su introducción desde los años 1920 en Morro Velho, ,Brasil y experimentalmente en Inglaterra en minas de carbón. En los 1930 en las minas de oro de Sud África y en el distrito aurífero Kolar en IndiaÁfrica y en el distrito aurífero Kolar en India. Hasta los 1960 aumentó la tendencia notablemente en la capacidad instalada

En un principio, en las minas sudafricanas de oroEn un principio, en las minas sudafricanas de oro se popularizaron grandes plantas de refrigeración en el interior de la mina.Las dificultades inherentes a la disposición del calor generado por las plantas, el desarrollo de dispositivos de recuperación de energía potencial del agua disponible en las tuberías de los tiros y la

j í d i t d di t ib ió d lmejoría de sistemas de distribución del agua enfriada, hicieron que la preferencia se volviera hacia las plantas ubicadas en superficiehacia las plantas ubicadas en superficie.

Para diseñar sistemas que controlen la humedad y q ytemperatura del aire de mina primero hay que determinar la carga de enfriamiento de la mina. La carga de enfriamiento se define como la cantidadcarga de enfriamiento se define como la cantidad total de calor sensible y calor latente que se necesita remover de un espacio para mantener las p pcondiciones deseadas de diseño.Las principales fuentes de calor se considera que

t ió d i ison: autocompresión, roca, agua de mina y equipo electromecánico. Se puede ignorar metabolismo humano, oxidación, voladuras, tuberías, etc. u a o, o dac ó , vo adu as, tube as, etc.

Fuentes de calor en la minaFuentes de calor en la mina

Cuantificación de las principales fuentes de calor

AutocompresiónpSe puede calcular el aumento teórico en td del aire que baja por un tiro con una ecuación.Aparte del cálculo teórico, de una manera práctica, se estima el aumento de td en 5.3 °F/1,000 pies o ≈ 1 °C/100 m1 C/100 m.El aumento en tw es más variable y no es fácil de calcular, se determina mejor gráficamente. Como c cu , se de e ejo g c e e. Co oestimación se considera el aumento en tw como 0.45 veces el aumento en td.

Aumento en tw debido a la autocompresión

Masa rocosaMasa rocosaPara calcular la transferencia de calor de la masa de roca se debe conocer primero la temperatura de p pla roca virgen y las propiedades térmicas de la roca.El flujo de calor hacia una vía de aire es muy complejo y se aparta de la teoría de transferencia de calor de estado continuo.

Aun suponiendo que la conductividad térmica de p qla roca es constante, el flujo de calor es considerablemente más alto recién excavada una obra minera q e arios años desp és c ando seobra minera que varios años después, cuando se desarrollan condiciones de estado continuo o estable.En áreas mineras jóvenes se debe calcular el flujo de calor usando técnicas de flujo de calor pasajero.Se grafica el flujo de calor de la roca hacia el aire en el tiempo. Donde se aplane la curva el flujo de calor asume un estado establecalor asume un estado estable.

Valores medidos de propiedades térmicas de roca

Agua subterránea y evaporación

Un método para calcular el flujo de calor de la p jroca toma en cuenta la carga de calor por evaporación. La determinación por separado de la carga de calor por e aporación es m complejacarga de calor por evaporación es muy compleja y la confiabilidad de los métodos existentes de estimación es cuestionable.La mayor parte del aire de la mina está saturado o casi saturado en obras mojadas, si el agua no está

li t id t t d 0 2muy caliente, se considera un aumento en td de 0.2 °F/100 pies sobre el aumento en temperatura en una obra seca.u a ob a seca.

En obras muy mojadas la tw del aire estará todo el y j wtiempo dentro de 2 °F de la td.Maquinaria y alumbradoPara calcular la carga de calor sensible de la maquinaria hay que conocer la potencia total conectada en la mina y el factor de carga Seconectada en la mina y el factor de carga. Se asume que toda la carga de la maquinaria se convierte en calor.En equipo diesel, el 90 % del combustible se convierte en carga calorífica.

Se estima que el aumento en td al atravesar un q dventilador axial es de 0.8 °F/pulgada de agua de presión nominal y 0.4 °F/pulgada de agua al atra esar n entilador centríf goatravesar un ventilador centrífugo.Toda la energía eléctrica del alumbrado se convierte en calor sensibleconvierte en calor sensible.Metabolismo humanoEl metabolismo humano produce calor, el calor e bo s o u o p oduce c o , e c odesechado fluye al aire. El calor metabólico de un hombre trabajando varía de 800 a 2,400 Btu/h.

Los trabajadores en condiciones normales aportan j pcalor, sensible y latente (al evaporarse el sudor) al aire; el más importante en atmósferas calientes, húmedas es el calor latentehúmedas es el calor latente.OxidaciónActualmente no hay una manera efectiva paraActualmente no hay una manera efectiva para calcular el calor producido en los procesos de oxidación. En algunas minas metálicas con sulfuros y en minas de carbón el calor puede ser significativo y debe estimarse al menos.

VoladurasLos cálculos de la cantidad de calor transferida en las disparadas, donde es posible hacerlo, son di il d b d i i di id ldifíciles y se deben determinar individualmente.Movimiento de rocaAl i l l id ió t l tAl igual que con la oxidación, actualmente no se puede cuantificar con certeza el calor contribuido por el movimiento de roca; por lo general no es de po e ov e o de oc ; po o ge e o es deconsideración, En minas con métodos de hundimiento se debe hacer una consideración.

TuberíasPara calcular el flujo de calor de una tubería dePara calcular el flujo de calor de una tubería de agua caliente hacia el aire de un lugar de trabajo se usa la ecuación de Fourier para superficies curvas. p pA menos que haya tuberías que transporten grandes cantidades de agua arriba de 32 °C o debajo de 16 °C, la cantidad de transferencia de calor no es de consideración.

Al calcular el calor real de una mina, la naturaleza ,dinámica de los flujos de aire, los cambios diurnos y estacionales en la temperatura del aire entrante, el fl jo de ag a s bterránea la fl ct ación en lael flujo de agua subterránea y la fluctuación en la evaporación, las variaciones en la conductividad térmica y en otras propiedades de la roca, el y p p ,envejecimiento de las vías de aire, la compresión no adiabática de los tiros y la movilidad y naturaleza cambiante de fuentes de calornaturaleza cambiante de fuentes de calor electromecánicas, es mejor hacer simulaciones en un modelo computarizado.

Enfriamiento de aire de minaEnfriamiento de aire de mina

El objeto de acondicionar el aire es proporcionarleEl objeto de acondicionar el aire es proporcionarle mayor capacidad de enfriamiento para combatir condiciones térmicas adversas.Para elegir el sistema de acondicionamiento hay que conocer o establecer: parámetros fisiológicos, meteorológicos en superficie, geológicos, de producción y de ventilación.De necesitarse la refrigeración, de acuerdo a los sudafricanos, debe hacerse en tres fases:

1. Se debe enfriar el agua de servicios a la1. Se debe enfriar el agua de servicios a la temperatura más baja posible.2. Enfriar el aire que entra a la mina para q pcompensar los efectos del aire húmedo del verano, la autocompresión y las fuentes de calor en los tiros.3. Volver a enfriar el aire de ventilación de vez en cuando en los rebajes usando serpentines con agua enfriada.

Ciclo de refrigeraciónCiclo de refrigeración

Las plantas de refrigeración usadas en las minas, p g ,los aparatos de refrigeración domésticos y los de los automóviles, se basan en un ciclo de compresión de n fl ido; en las nidades decompresión de un fluido; en las unidades de refrigeración de mina el ciclo es cerrado.Un líquido o fluido sujeto a presión constante porUn líquido o fluido sujeto a presión constante, por ejemplo la atmosférica, siempre hervirá a la misma temperatura.Si se aumenta la presión el líquido cesará de hervir y se convertirá en líquido nuevamente; para que vuelva a hervir y vaporizar hay que aplicar + calorvuelva a hervir y vaporizar hay que aplicar + calor

Si se disminuye la presión entonces el líquido y p qhervirá a una temperatura menor.Se puede hacer que el líquido hierva y vaporice

d l di i d laumentando la temperatura o disminuyendo la presión; por otro lado el vapor se condensa en líquido al disminuir la temperatura o aumentandolíquido al disminuir la temperatura o aumentando la presión.A una cierta presión el calor que hace hervir a un líquido proviene de un combustible o es extraído del medio ambiente.

Si llevamos el vapor producto de la ebullición a p potro lugar y ahí lo comprimimos a una presión más alta, entonces el líquido se puede condensar a

na temperat ra más alta cediendo s calor deuna temperatura más alta, cediendo su calor de condensación a sus nuevos alrededores, o a cualquier medio de enfriamiento. qEn estas relaciones temperatura – presión se basa el principio de refrigeración.Las unidades de refrigeración por compresión tienen cuatro componentes: evaporador, compresor válvula de expansión y condensadorcompresor, válvula de expansión y condensador.

Ciclo de refrigeración

El evaporador y el condensador intercambian calor indirectamente, no hay contacto entre el , yrefrigerante y el fluido que se va a enfriar. Torres de enfriamiento y cámaras de aspersión son intercambiadores directos. Los intercambiadores generalmente son de chaqueta o coraza y tuberías

l fl l f i t l fl idpor las que fluye el refrigerante o el fluido a enfriar.

Clasificación de los sistemas de enfriamiento

Los lugares lógicos para enfriar el aire son: en g g psuperficie y en el interior de la mina.Al enfriar el aire en el interior de la mina hay que d h d l l d l l i ideshacerse del calor del proceso en el interior o en superficie. Los sistemas de enfriamiento se agrupan de acuerdo a las anterioresagrupan de acuerdo a las anteriores consideraciones.Para elegir un sistema se debe tomar en cuenta las condiciones individuales de cada mina. Ninguna mina es igual a otra.

I. Enfriamiento masivo en superficie del aire pque baja por un tiroA RefrigeraciónB Enfriamiento por evaporaciónII. Enfriamiento subterráneo del aireA Disposición de calor en el interior de la mina

1. Agua de superficie – descargándola en el d j d l i ddrenaje de la mina, una vez usada

2. Unidades de refrigeración con disposición de calor al agua de drenajecalor al agua de drenaje

a) Enfriamiento directo de airea) Enfriamiento directo de aireb) Enfriamiento de agua

3 Refrigeración con calor rechazado a torres de3. Refrigeración con calor rechazado a torres de enfriamiento

4 Enfriamiento de agua de servicios4. Enfriamiento de agua de serviciosB Disposición de calor en superficie

1 Enfriamiento de agua por evaporación1. Enfriamiento de agua por evaporación directa en torres

2 Enfriamiento indirecto con refrigeración2. Enfriamiento indirecto con refrigeración

a) Agua del condensador enfriada en torreb) Agua del condensador enfriada con aireb) Agua del condensador enfriada con aire

del ambiente3 Combinaciones de enfriamiento directo e3. Combinaciones de enfriamiento directo e

indirecto4. Combinaciones de enfriadores en el interior . Co b c o es de e do es e e e o

de la mina

Enfriamiento masivo del aire que entra a la qminaEn minas muy al norte donde en invierno el aire

i d h i lestá muy frío, este aire se puede forzar hacia el interior de la mina.Si el aire no está frío se enfría en superficie en unaSi el aire no está frío se enfría en superficie en una planta y se envía a la mina por un tiro. El agua se enfría con agua o salmuera enfriada en unidades de refrigeración mecánica. Las plantas pueden usar freón o amoníaco y el agua caliente del condensador se enfría en torrescondensador se enfría en torres.

La desventaja del sistema es que está ubicado lejos j q jde donde se necesita el aire enfriado. El aire al bajar por el tiro se calienta por autocompresión y recoge calor en s recorrido a los l gares derecoge calor en su recorrido a los lugares de trabajo.La tendencia actual es a instalar plantas deLa tendencia actual es a instalar plantas de enfriamiento en el interior de la mina lo más cerca posible de los lugares de trabajo.El sistema no es práctico donde el aire de superficie es caliente y la roca también.

Enfriamiento de aire en el interior de la mina

Agua de superficie con disposición de calor al g p pagua de drenajeEn este sistema se necesita disponer de una gran

id d d i icantidad de agua fría en superficie, un río o un lago, lo cual es poco común. El agua baja a la mina entubada para usar en la planta demina entubada para usar en la planta de acondicionamiento de aire, una vez usada se descarga en el drenaje de la minaSe ha probado hacer hielo en superficie y bajarlo por tubería a la mina en una lechada a 0 °C. El costo es más alto que unidades de refrigeracióncosto es más alto que unidades de refrigeración.

Unidades de refrigeración con disposición deUnidades de refrigeración con disposición de calor al drenaje de minaLa unidad, situada en el interior de la mina, enfría , ,el aire directamente o pasa por un intercambiador de calor. El condensador es enfriado por agua de mina que es descargada después al drenaje. Se requiere bastante agua limpia no corrosiva. Hay

id d t h t 40 °C Lunidades que aceptan agua hasta 40 °C. La descarga de agua del condensador no debe estar en contacto con el aire entrantecontacto con el aire entrante.

Enfriamiento directo del aireEnfriamiento directo del aireEl aire es enfriado por contacto directo con las serpentinas de la unidad de refrigeración, que p g , qtienen serpentinas, compresor, condensador enfriado por agua y ventilador.Las desventajas de estas unidades es que son voluminosas y las serpentinas presentan una alta resistencia al flujo de aire y necesitan mucho mantenimiento.

Enfriamiento por área y enfriamiento local

En minas calientes donde los lugares de trabajoEn minas calientes donde los lugares de trabajo están cercanos entre sí se utilizan plantas que usan agua enfriada para enfriar el aire de un área grande de la mina. En una mina con lugares de trabajo distantes el arreglo no es eficiente.La experiencia con plantas subterráneas de enfriamiento por área es que la máxima distancia f ti d l l t l l d t b j defectiva de la planta a los lugares de trabajo es de

unos 450 m.

Planta subterránea de enfriamiento por área usada en Butte, Montana

Hay varios diseños de plantas de enfriamiento deHay varios diseños de plantas de enfriamiento de punto. En la mina Star en Idaho se utilizan unidades relativamente ligeras, semiportátiles se añaden al sistema normal de ventilación y no requieren de excavación adicional. Esta unidad no

i i t d d i drequiere un sistema separado de rociado y colección de polvo. La fuente de agua refrigerada es de una unidad de refrigeración que utiliza aguaes de una unidad de refrigeración que utiliza agua potable en el condensador y la descarga al sistema de bombeo de la mina.

Planta enfriadora de punto, mina Star, Wallace, Idaho

Los enfriadores de punto reducen mucho la exposición del aire con la roca caliente, al reducir p ,la distancia que el aire enfriado tiene que recorrer para llegar al lugar de trabajo. Por lo general se ubican a 60 – 90 m del lugar de trabajo. Al estar ubicadas cerca del lugar de trabajo los enfriadores d t l b j t t f tide punto alcanzan bajas temperaturas efectivas en los lugares de trabajo.

Características de desempeño de plantas de enfriamiento de punto

Enfriamiento por aguaf p gEn este sistema las unidades enfrían agua en circuitos cerrados o semicerrados. El agua fría i l i bi d d l dcircula por intercambiadores de calor de

serpentina o a piletas de aspersión. Se usa agua de mina en el condensador Cuando hay que enfriarmina en el condensador. Cuando hay que enfriar muchos lugares se prefiere este sistema sobre el de enfriado directo del agua porque se puede ubicar l t i i t d f i ióel mantenimiento de refrigeración en una o en

unas cuantas áreas cercanas a los lugares de trabajo en lugares más favorables.t abajo e uga es ás avo ab es.

Enfriamiento de cámara de aspersión, de una tetapa

Enfriamiento en cámara de aspersión, de dos etapas

Refrigeración con disposición de calor desechado en g ptorres de enfriamiento interioresSistema muy usado en Sudáfrica. En vez de enviar el agua d l d d l i t d b b tdel condensador al sistema de bombeo se pasa por torres de enfriamiento localizadas en la boca de contrapozos o tiros de extracción de aire.El equipo usado debe poder utilizar temperaturas de condensador bastante altas, arriba de 35 °C, porque tw del aire en ese punto es alta Se necesita mucho aire porqueaire en ese punto es alta. Se necesita mucho aire porque esta casi saturado y no puede absorber mucho agua en el enfriamiento por evaporación del agua del condensador.

Enfriamiento de agua de serviciosgEs práctica muy extendida en Sudáfrica que complementa pero que generalmente no sustituye

i d i i d iotros sistemas de enfriamiento de aire. Se usa más en minado que involucra voladuras, donde el aire pasa de un lugar de trabajo a otro en flujopasa de un lugar de trabajo a otro en flujo continuo, más que en minado por hundimiento.Enfriar agua de servicios suprime el calor adicional de la rezaga, es de menos ayuda donde el aire se calienta antes de llegar al lugar de trabajo.

Sistemas de enfriamiento de agua de servicios

Enfriamiento directo de agua por evaporaciónEnfriamiento directo de agua por evaporación en torresEl agua calentada en las unidades subterráneas se gbombea, en circuito cerrado, a superficie para enfriarla en torres y se retorna a la mina. El agua solo puede ser enfriada a tw del aire de superficie y por lo mismo el sistema está restringido a climas f í l ti t C ú tfríos, relativamente secos. Comúnmente se combina con refrigeración.

Enfriamiento indirecto con refrigeracióngEn el sistema el agua se enfría en una planta y el agua que circula entre la superficie y el interior de la mina no hace contacto con el aire exteriorla mina no hace contacto con el aire exterior.Usando salmuera o añadiendo un anticongelante como el glicol se baja la temperatura del agua d b j d 0 °Cdebajo de 0 °C.El sistema es más caro que enfriar el agua en una torre de enfriamiento. El calor desechado del o e de e e o. c o desec do decondensador puede calentar agua de servicios o de uso doméstico o para calentar edificios en el inviernoinvierno.

Los condensadores se enfrían pasando agua porLos condensadores se enfrían pasando agua por las torres o por intercambiadores de calor agua –aire. En las instalaciones principales no se emplea la condensación directa del refrigerante en serpentinas de condensación en aire ambiente, d bid l fi i d tidebido a la gran superficie de serpentina necesitada. Los intercambiadores de calor agua –aire se pueden usar donde la temperatura ambienteaire se pueden usar donde la temperatura ambiente es consistentemente baja.

Combinación de enfriamiento directo e indirectoEl agua de mina se enfría en torres y después en una planta antes de enviarla a la mina. En invierno la torre puede ser suficiente. En verano las tw del aire de superficie son a veces mayores que la temperatura del agua de la mina, por veces ayo es que a te pe atu a de agua de a a, polo que no conviene pasar el agua por las torres.Combinaciones con refrigeración subterráneaEl agua a veces se pasa por intercambiadores de calor y unidades subterráneas de refrigeración.

Sistema de refrigeración utilizando intercambiador de calor y planta deintercambiador de calor y planta de

refrigeración subterráneos

Sistema de enfriamiento de agua de servicios con torres de enfriamiento y planta decon torres de enfriamiento y planta de

refrigeración en superficie

Manejo del agua refrigeradaManejo del agua refrigerada

Para enfriar el aire de mina se puede usar agua fríaPara enfriar el aire de mina se puede usar agua fría de superficie de tres maneras:Sistema de alta presión. El agua pasa por p g p pserpentinas subterráneas de enfriamiento agua-aire y es retornada directamente a superficie. Las minas que requieren enfriamiento generalmente son profundas, el agua llega a la mina con una

b táti (10 k / 2/100 ) lgran cabeza estática (10 kg/cm2/100 m), por lo que se necesita tubería de alta presión en el sistema.

Sistema de alta presión con turbina Aquí seSistema de alta presión con turbina. Aquí se aprovecha la alta cabeza estática del sistema para, con turbinas accionadas por esa agua generar parte de la potencia necesaria para bombear el agua de la mina, y reducir la cabeza estática a niveles

j blmanejables.El sistema tiene la ventaja de la eficiencia térmica

l d t j d é did d t i d bidy la desventaja de pérdidas de potencia debidas a ineficiencias en turbinas y generadores y los costos de capital y mantenimiento adicionalescostos de capital y mantenimiento adicionales.

Sistema alta presión/baja presión En el circuitoSistema alta presión/baja presión. En el circuito de alta presión, el agua de superficie se puede usar en intercambiadores de calor de coraza y tubería en combinación con el segundo circuito en el que el agua fluye únicamente en el interior de la mina, d l i t bi d d l l id d dde los intercambiadores de calor a la unidad de refrigeración y retorno.L t j d l i t bi d l d ió dLa ventaja del intercambiador es la reducción de presiones a niveles manejables, con la desventaja de requerir mantenimiento especialde requerir mantenimiento especial.

Sistemas de baja presión – circuito cerrado. El j pagua saliendo de los intercambiadores de calor se bombea a serpentinas de enfriamiento en las varias estaciones regresando directamente a la entradaestaciones, regresando directamente a la entrada de la bomba de circulación.Las ventajas son que el bombeo nada más debeLas ventajas son que el bombeo nada más debe vencer son las pérdidas por fricción y casi no hay consumo de agua excepto las fugas. Las d t j it ál l d t ldesventajas: se necesitan válvulas de control para balancear el sistema, las fugas y mantener una cabeza positiva en la entrada de la bomba.cabe a pos t va e a e t ada de a bo ba.

Sistema de baja presión – circuito parcialmente j p pcerrado con pileta de retorno de agua caliente. El agua se almacena en una pileta lo suficientemente arriba de la bomba de circ lación para pro eerarriba de la bomba de circulación para proveer cabeza de succión. El agua fluye por bomba, intercambiadores, serpentinas de enfriamiento y , p yretorna a la pileta.El anillo parcialmente cerrado es más común

f d t i t d l i tporque una fuga no va en detrimento del sistema. La pileta proporciona agua en tanto se localiza y controla la fuga.co t o a a uga.

Sistema de baja presión – circuito parcialmente abierto con piletas de agua enfriada y de retorno p g f yde agua. El agua fría sale de los intercambiadores o de otros aparatos de enfriamiento y se almacena en una pileta. El agua de esta pileta se envía a las estaciones de enfriado en los niveles superiores y

d d l il t d t d tes descargada a las piletas de retorno, de estas piletas se bombea a la pileta de agua caliente.

Sistema de baja presión – circuito completamenteSistema de baja presión circuito completamente abierto. El agua que se va a usar en el enfriamiento subterráneo se almacena en piletas antes y después del enfriamiento, como el sistema de anillo parcialmente abierto y se distribuye de

i il El il t dmanera similar. El agua no regresa a una pileta de agua caliente para volverse a usar en el sistema, sino que se envía al sistema de bombeo de la minasino que se envía al sistema de bombeo de la mina. Con esto se evita la necesidad de muchas piletas y bombas de retorno, pero se necesita mucho agua., p g

A continuación en las siguientes diapositivas se ilustran en diagramas esquemáticos algunos g q gsistemas de acondicionamiento de aire en minas subterráneas.

Sistema de enfriamiento en torres y unidades de refrigeración con intercambiadores de calor aguarefrigeración con intercambiadores de calor agua –

agua y bombeo en circuito cerrado

Para seleccionar un sistema de enfriamiento laPara seleccionar un sistema de enfriamiento la consideración final es el costo. En la siguiente tabla se proporcionan costos comparativos de capital y de operación (energía eléctrica y mantenimiento). No se dan costos reales porque se

l b l t á id t L t dvuelven obsoletos rápidamente. Los costos de capital son totales, en tanto que los costos de operación y mantenimiento están presentadosoperación y mantenimiento están presentados sobre una base anual. No se incluyen costos de depreciación y costo de bombeo.p y

Comparación de factores económicos y de operación ú l bi ió d l d f i isegún la ubicación de plantas de enfriamiento

Sistemas de enfriamiento con hieloSistemas de enfriamiento con hielo

Un avance importante en la tecnología delUn avance importante en la tecnología del acondicionamiento de aire de la mina es la recuperación de la energía potencial del agua. La tendencia actual es instalar las plantas de refrigeración en superficie por la disipación del calor generado en el proceso de refrigeración.A pesar de los avances el costo del bombeo y el calor siguen siendo limitaciones a la profundidad a la cual se puede minar.

El costo del bombeo impone un límite al caudal de paire que se puede manejar, por lo que se han buscado alternativas para conducir agua enfriada.

l i h l i d d d lUna alternativa es aprovechar las propiedades del hielo. En 1982 se instaló en una mina de Sudáfrica la primera planta y tubería para conducir hielo ala primera planta y tubería para conducir hielo a nivel piloto.El caudal de agua de enfriamiento se puede reducir 5 veces si se suministra en forma de hielo. El caudal se reduce 6 veces con hielo a – 5 °C.

Para utilizar un sistema de enfriamiento con hielo se deben resolver los siguientes aspectos:g pFabricación de hielo a gran escalaTransporte del hielo al interior de la minaTransporte del hielo al interior de la minaIncorporación del hielo al sistema de enfriamientoImpacto económicoImpacto económico

Fabricación de hielo a gran escalaFabricación de hielo a gran escalaPara transportar hielo por tubería hay que fabricar p p y qy prepararlo en forma de partículas pequeñas a temperaturas bajo cero o en forma de lechada de cristales de hielo en agua líquida o en salmuera.g qEl hielo en partículas se fabrica en forma de cubos, cilindros, tubos, o escamas que se comprimen en pequeñas esferas para su transportecomprimen en pequeñas esferas para su transporte.Una ventaja del método de lechada de hielo en agua o salmuera es promover la desalinización del agua. esto reduce corrosión y formación de depósitos en tubos e intercambiadores de calor.

Si el congelamiento es lo suficientemente lento o gsi la interfase hielo/agua es lavada continuamente con agua, entonces los cristales tendrán una mayor pureza que la del agua en la cual crecen. Este p q gproceso se conoce como desalinización por congelamiento.Hay tres maneras potenciales de preparar lechadaHay tres maneras potenciales de preparar lechada de hielo: proceso indirecto, fabricación de hielo por vacío y proceso directo.En los procesos es muy importante el control de la salinidad cuyo contenido se determina por pruebas

En el proceso indirecto el agua circula a través deEn el proceso indirecto el agua circula a través de tubos rodeados por refrigerante frío para formar microcristales de hielo dentro de la corriente de agua en movimiento.En el proceso por vacío, se evacua el vapor de agua de un recipiente que contiene salmuera a una presión de 0.6 kPa y una temperatura de 0 °C. La l h d d hi l f tilechada de hielo que se forma se mantiene en movimiento por medio de un agitador hasta que es bombeadabombeada.

El proceso directo está menos desarrollado, en élEl proceso directo está menos desarrollado, en él una mezcla de salmuera y un líquido refrigerante no miscible se rocían por medio de un aspersor a una cámara. La evaporación del refrigerante enfría la mezcla, promoviendo la formación de núcleos d i t l d hi l d t d l l Lde cristales de hielo dentro de la salmuera. La lechada se colecta en el fondo del recipiente para ser bombeada El vapor del refrigerante se evacuaser bombeada. El vapor del refrigerante se evacua por la parte superior del recipiente para ser comprimido, condensado y reciclado.p , y

Transporte de hieloTransporte de hielo

La lechada de hielo puede ser bombeada porLa lechada de hielo puede ser bombeada por tubería a su destino. Las partículas de hielo se transportan de la planta de fabricación de hielo al tiro hidráulica o neumáticamente. En este último caso la temperatura del aire no debe estar arriba de 8 °C i l l ió d l8 °C para prevenir la aglomeración de las partículas de hielo.L tí l d hi l i j l t b íLas partículas de hielo viajan por la tubería como un flujo diluido o como un flujo denso. En este caso hay peligro de flujo por extrusióncaso hay peligro de flujo por extrusión.

Incorporación del hielo al sistema de enfriamiento de la mina

El bombeo de agua de retorno de la mina pasa porEl bombeo de agua de retorno de la mina pasa por una torre y después por un pre-enfriador de agua. Este enfriamiento se puede hacer con hielo de la planta de fabricación o, alternadamente, por un paquete enfriador de agua separado.El hielo en partículas baja por tubería a una pileta donde se mezcla el hielo con agua o se envía a un il b f d í d lsilo con base perforada, a veces se rocía agua de la

pileta de agua caliente al silo. El agua que escurre por el fondo se envía a la pileta de agua fríapor el fondo se envía a la pileta de agua fría.

Sistema de enfriamiento con hieloSistema de enfriamiento con hielo

Aspectos económicos de los sistemas de hielo

Los sistemas de hielo en el enfriamiento de lasLos sistemas de hielo en el enfriamiento de las minas tiene las siguientes ventajas:Se reduce el caudal de agua en las tuberías, por lo g , pque las tuberías pueden ser más pequeñas y se reducen los costos de bombeo.En la mina se dispone de agua a 0 °C. Con los sistemas convencionales de agua enfriada el agua en la mina está entre 3 a 6 °C.Es sencillo aumentar la capacidad de los sistemas.

Las variaciones de corto plazo se satisfacen con el hielo almacenado en los silos.Es más fácil reducir o eliminar la necesidad de turbinas usando un sistema de hielo en el interior de la mina.Se mejora la calidad del agua con la fabricación del hielo, reduciendo la corrosión y formación de depósitos en las tuberías.

Resumen del proceso de diseñoResumen del proceso de diseño

El primer paso para diseñar un sistema de p p prefrigeración es determinar cuanto calor puede ser removido por la ventilación y cuanto debe ser remo ido por el sistema de refrigeraciónremovido por el sistema de refrigeración.Obviamente, primero debemos tener un sistema de ventilación bien diseñado y establecido Es fácilventilación bien diseñado y establecido. Es fácil entender que primero debemos llevar el sistema de ventilación a su límite.Las etapas del procedimiento de diseño de un sistema de enfriamiento de mina son:

Establezca la carga de calor esperada para toda la g p pmina y por lugares de trabajo.Para toda la mina y para cada área, determine los l j d i id dil i l lflujos de aire requeridos para diluir los polvos y

gases contaminantes, tomando en cuenta los límites de velocidad del aire En los circuitos delímites de velocidad del aire. En los circuitos de ventilación se debe establecer la distribución y las posibles fugas de aire.Determinar la cantidad de calor que puede remover la ventilación.

Determinar si es factible aumentar el caudal de ventilación sin exceder los límites de velocidad establecidos por consideraciones fisiológicas, legales económicas si con ese a mento eslegales y económicas, y si con ese aumento es posible remover el exceso de calor.Determinar el calor que debe removerse porDeterminar el calor que debe removerse por enfriamiento.investigue las posibles ubicaciones de la planta de refrigeración y la posibilidad de emplear dispositivos de recuperación de energía.

Establezca la capacidad de planta de refrigeración p p gsumando las capacidades de intercambiadores de calor, tomando en cuenta pérdidas en la red de t beríatubería.Determine las temperaturas del evaporador y del condensador de acuerdo a la temperatura deseadacondensador de acuerdo a la temperatura deseada del medio de enfriamiento y dispositivos para la disposición de calor.Determine los caudales requeridos de agua enfriada, diámetros de las tuberías y capacidades de bombeode bombeo.

Determine los costos de la planta de refrigeración y equipos auxiliares incluyendo válvulas, tuberías, y q p y , ,bombas, intercambiadores de calor, instrumentación y controles.Determine los costos de capital, instalación y operación de los sistemas de enfriamiento.

Costos comparativos de plantas de enfriamiento de aire de mina

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94163457 Presentacion Ventilacion de Minas