Apuntes Servicios

Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería en Minas

APUNTES SERVICIOS GENERALES MINA

Cristian A. Herrera Hernández

 Apuntes Servicios Servicios Generales Generales Mina

INTRODUCCION Nuestro país posee ventajas competitivas en sus recursos naturales minerales, debido a su potencial geológico, yacimientos de minerales de altas leyes, a su mano de obra reconocida por su especialización en minería y a la garantía de contar con infraestructura vial, portuaria y energética de bajo costo comparada con otros países. Es por esto, que en nuestro país para preservar esta gran economía es indispensable la seguridad para el desarrollo de ella. Por ello, en minería es de suma importancia conocer las características características de la zona o lugar donde desarrollaremos desarrollaremos nuestras labores. Es así que se establecen normas normas que se rigen dentro del desarrollo toda mina, como por ejemplo los sistemas generadores de energía y ventilación, así como también la maquinaria que se dispondrá durante los años de vida de la mina. Los temas de Ventilación, Hidrologia, Aire comprimido, entre otros, son bastante delicados en lo que respecta al área de Operaciones Mina, es por ello la necesidad de este curso el cual se centra principalmente en los tópicos mencionados anteriormente. Probablemente, uno de los principales motivos que han conducido a la actual situación de déficit hídrico en algunos casos, y de deterioro de la calidad del agua en la mayor parte de los casos, haya sido una preocupante ignorancia sobre los mecanismos y los principios físicos que rigen el movimiento de las aguas subterráneas. En las últimas décadas, el agua es motivo de preocupación social, ocupa grandes espacios en los medios de comunicación y es objeto de numerosos debates; sin embargo, es habitual detectar frecuentes y numerosos errores conceptuales que inducen a confusión y que no ayudan a que la sociedad comprenda el problema en toda su extensión. e xtensión. La ventilación y el drenaje de de minas es un tema latente en cada mina del país, ya que que el artículo 139 del decreto supremo 132 dictamina que se debe realizar un aforo trimestral en las entradas y salidas de las galerías, y un un aforo completo completo de la mina cada semestre; si este aforo no se lleva a cabo se puede arriesgar a obtener sanciones sanciones graves, pero es peor aun, la vida de los trabajadores esta en juego, ya que si no cumple con el caudal necesario para diluir los gases tóxicos, el trabajador puede sufrir fatales consecuencias. La ventilación de una mina es fundamental para el desarrollo normal de los trabajos mineros. La calidad del aire en la mina, debe mantenerse de acuerdo a estándares de salud aceptables. La atmósfera regularmente es contaminada por los humos de las tronaduras, el escape de gases de las máquinas diesel, polvos provenientes de los trabajos y también de la respiración de los trabajadores. Para mantener los caudales de aire requeridos, la mina necesita contar con ventiladores de alta capacidad, ubicados en superficie, aspirando aire fresco e ingresándolo por las labores de entrada, sea este pique o labor subterránea asignada para ello. Al interior de la mina las puertas de ventilación controlan y guían los flujos de aire, dirigiendo los caudales hacia las áreas activas de trabajo. Luego el aire contaminado se recibe y lleva por galerías dispuesta para ello, arrastrando la polución del aire y alejándolo de los frentes de trabajos. A continuación se presenta en completo detalle los aspectos más trascendentales del curso de Servicios Generales Mina. Se espera que esta información se complemente complemente con los diferentes libros citados en la bibliografía del curso dada la extensión de las materias tratadas.

1 Cristian A. Herrera Hernández

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CONTENIDOS

1.

VENTILACION.............................................................................................................4 1.1 1.2

1.3 1.4 1.5 1.6  1.7  1.8 1.9 1.10

 El Aire .....................................................................................................................4 Clasificación de los gases en la mina .....................................................................5  El Oxigeno:.............................................................................................................6  Dilucion de gases nocivos nocivos ......................................................................................7 Sistemas de Ventilación ..........................................................................................9 Perdidas de Carga ................................................................................................15 Circuitos de Ventilación .......................................................................................22  Introducción  Introducción al método método de Hardy Cross. Cross. .............................................................25  Equipos Diesel Diesel ......................................................................................................32 Ventilacion Natural ..............................................................................................34

2.

HIDROLOGIA.............................................................................................................39

3.

CANALES ABIERTOS ...................................................... ............................................................................................... ......................................... 46

4.

BOMBAS ................................................. ........................................................................................................ .................................................................... ............. 48 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

Selección y aplicación de bombas ........................................................................48 Tipos de Bombas ...................................................................................................49 Clasificación de las bombas .................................................................................49  Altura neta de de Succión Succión Positiva (NPSH) (NPSH) ..............................................................50 Potencia de una bomba ........................................................................................53

4.6

Curvas características .................................................. ........................................................................................... ......................................... 54

5.

ENERGÍA.....................................................................................................................56 5.1

6.

AIRE COMPRIMIDO ................................................ .................................................................................................. .................................................. 58 6.1 6.2 6.5

7.

Tipos de conexiones ..............................................................................................57

Procesos termodinámicos .....................................................................................58  Etapas de compresión compresión...........................................................................................60 Calculo de las necesidades de aire comprimido ..................................................62

COMPRESORES ....................................................... ......................................................................................................... .................................................. 64 7.1 7.2 7.3 7.4

 Estructura de de los compresores compresores .............................................................................64 Clasificación de los compresores .........................................................................64 Ventajas y Desventajas de los Compresores ........................................................66 Clasificacion General de los Compresores ..........................................................67

2 Cristian A. Herrera Hernández

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8.

VENTILADORES........................................................................................................68 8.1 8.2

9.

 Leyes de los Ventiladores .....................................................................................68 Selección de un Ventilador ...................................................................................69

BIBLIOGRAFIA..........................................................................................................70

3 Cristian A. Herrera Hernández

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1. VENTILACION 1.1  El Aire:

Se define como una mezcla mecánica de gases que, en su estado puro y seco tiene la siguiente composición:

Elementos NITROGENO (N2) OXIGENO (O2) DIOXIDO DE CARBONO (CO2) ARGON Y OTROS GASES

% en volumen 78.09 20.95 0.03 0.93

AIRE ATMOSFERICO DE LA MINA: El aire atmosférico al ingresar a la mina sufre cambios en su composición. El N2 sube, el O2 baja, aumenta el CO2 y también se produce un aumento del vapor de agua. Existe generación de otros gases y polvos que también se suman a esta nueva composición.

CAUSAS: 1.-Respiración de los hombres. 2.-Equipos de combustión interna 3.-Tronaduras e incendios (explosivos nitrosos, anfo). 4.-Descomposición de sustancias o materias minerales y/u orgánicas. 5.-Presencia de aguas estancadas. 6.-Operaciones básicas de la explotación. Es de vital importancia conocer y vigilar los gases que se producen durante la explotación de la mina, ya que variaciones por sobre las concentraciones normales, pueden derivar en desastrosas consecuencias. Para ello existen una serie de reglamentos acerca de las condiciones de trabajo en una labor minera. Uno de ellos es el DS594/2000 y el 210/2001, junto con el DFL 72 (Reglamento de seguridad minera) este ultimo es uno de los mas importantes, ya que nos establece que la cantidad de aire a inyectar es una mina es de 100 cfm por persona, y en este circuito de ventilación no puede haber mas de 75 personas. Además decreta velocidades máximas y mínimas de los flujos de aire. Los 2 primeros decretos tienen que ver con las condiciones sanitarias mínimas en los lugares de trabajo y dependen del Ministerio de Salud.

4 Cristian A. Herrera Hernández

 Apuntes Servicios Generales Mina 1.2 Clasificación de los gases en la mina

1.2.1

GASES ESCENCIALES: Indispensable para la vida del hombre

Aire atmosférico Oxígeno. 1.2.2

SOFOCANTES: Se conocen también como desplazadores. Estos producen ahogos y en altas concentraciones pueden producir la muerte. o o o o

1.2.3

N2 CO2 > 15 % Fatal. CH4 C2 H2 (Acción del agua sobre el carburo de calcio, olor a ajo).

IRRITANTES O ASFIXIANTES: Nocivos al organismo por su acción venenosa. o

o

o

o

CO (producto de la combustión incompleta de materias orgánicas o carbonaceas. Se desprende del escape de motores de combustión interna. El efecto fisiológico principal es que la sangre pierda la capacidad de transportar oxigeno). Humos Nitrosos  (Picante y algo dulce. Producidos por la detonación de explosivos nitrados o dinamita y escape de equipos diesel o gasolina. Efecto fisiológico principal, irritación al tracto respiratorio, edema pulmonar e incluso hemorragia). Hidrógeno Sulfurado H 2 S (olor a huevos podridos, paraliza el sentido del olfato desde concentraciones de 100 ppm. Se genera por descomposición de la pirita, substancias orgánicas y en general en disparos en minerales que contienen azufre. El efecto fisiológico principal es que irrita los ojos y las vías respiratorias. Produce dolor de cabeza, mareos, nauseas, diarrea, convulsiones e incluso inconsciencia). Anhídrido Sulfuroso SO2 > 15 % FATAL. (Picante y sabor acido. Se genera por la combustión del azufre y en disparos en minerales con alto contenido de azufre. Efecto fisiológico principal, afecta al tracto respiratorio superior y los bronquios. Dependiendo de la exposición edema pulmonar e incluso parálisis respiratoria).

 Para este tipo de gases, el tratamiento de primeros auxilios consiste básicamente en  sacar al paciente inmediatamente al aire fresco, realizar respiración artificial y  administrar oxigeno. Si con eso aun no se recupera llevar al hospital más cercano.

1.2.4

EXPLOSIVOS O INFLAMABLES: En altas concentraciones forman mezclas explosivas con el aire. o o o

Metano : CH4 Monóxido de carbono: CO (13 - 75%) C2 H2, H2 S ( 2.5 – 80 % inflamable y explosiva , > 6% respectivamente)

5 Cristian A. Herrera Hernández

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1.3  El Oxigeno: Es un gas incoloro, inodoro e insípido y su importancia es mantener la vida y además mantener la combustión. Cuenta con un peso específico de 1.105. Durante el proceso de respiración, parte del oxígeno que contiene el aire inhalado por los pulmones, es retenido en la hemoglobina de la sangre y ésta, lo distribuye en forma constante a todos los tejidos del organismo, produciéndose así la oxidación de las sustancias alimenticias y se produce la energía que requieren las funciones biológicas.

Componentes Oxigeno Nitrógeno Dióxido de Carbono Vapor de agua

Volumen de aire inhalado 20.16% 78% 0.03% 1.81%

Aire exhalado por los pulmones 16.2% 74.8% 4% 5%

DEFICIENCIA DE OXIGENO Cuando el porcentaje de O2 baja por el consumo de maquinaria diesel, tronaduras, oxidación de la roca, etc. O bien cuando es desplazado por gases inertes como el nitrógeno, se produce una deficiencia del contenido de oxígeno en el aire, lo que se conoce como soroche y que es altamente peligroso para la vida. Por tanto, no es higiénicamente aceptable, concentraciones de oxígeno inferiores al 19,5% de O2, siendo este el límite inferior legal. (Art. 394, D.S Nº 72 1985 Ministerio de Minería) CONSUMO DE OXIGENO POR PERSONA

Actividad trabajo Reposo Moderado Vigoroso

o Respiraciones por minuto 12 a18 30 40

Aire inhalado lts/min. 4.7 a 12.8 44.4 a 59.1 98

O2 consumido lts/min. 0.28 1.98 2.83

Cuociente respiratorio 0.75 0.9 1

Cuociente de respiración: Es la razón entre el CO2 expelido y el O2 consumido en volúmenes.

CR = CO2 EXPELIDO / O2 CONSUMIDO Dentro de los proyectos de ventilación de una mina se debe tener en consideración una serie de factores, dentro de los cuales el más importante es el poder calcular la cantidad de caudal necesario para diluir las sustancias nocivas. Los métodos para determinar el caudal de aire requerido dependen de 5 factores muy importantes: a) b) c) d) e)

La cantidad de gases que se desprenden El nº de personas que se encuentran en una misma labor El gasto de explosivos La cantidad de equipos diesel Método de explotación a utilizar

6 Cristian A. Herrera Hernández

 Apuntes Servicios Generales Mina 1.4  Formulas para el cálculo de caudal necesario para diluir una cantidad “x” de gas nocivo

•

Q=

Frente abierto Qg

 LPP −  β 

Q = caudal

necesario para dilucion (cfm) Qg = caudal de gas nocivo que se esta generando (cfm) LPP = limite permisible  β  = cantidad de gas nocivo en la corriente de aire fresco

* Caudal requerido para dilución de polvo

Q=

 N   LPP − β 

Q = caudal

necesario para dilucion (cfm) N = (gr/m3 ) o conteo de particulas LPP = limite ponderado promedio  β  = cantidad polvo en la corriente de aire fresco Como podemos ver, en ambos casos se ocupan las mismas ecuaciones, sin embargo nos entregan resultados diferentes, en el primer caso calculamos el caudal requerido para una cierta cantidad de gas nocivo y en el otro caso el mismo caudal pero para una dilución de polvo.

7 Cristian A. Herrera Hernández

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Frente ciego

•

τ  =

Q − Q ⋅ Xo  Y     g  Q

ln

   Qg − Q ⋅ X   

τ  = tiempo en diluir el volumen Y

Xo = concentrac ion inicial de gas nocivo X = concetraci on aire de salida Y = Area ⋅ Largo seccion

Existen 2 posibilidades de modificar dicha ecuación: a) Si Xo = 0 tenemos lo siguiente: Y    

   τ  = ln Q  Qg − Q ⋅ X   Qg

b) Si Qg = 0 (generación de gases no es constante, caso tronadura). τ  =

Y    Xo  Q

ln

   X   

Esta establecido por ley que la cantidad de cfm por hombre al interior de una mina es igual a 100. Lo mismo ocurre con los equipos diesel, por cada equipo se suma 100 cfm. La particularidad del cálculo de caudal requerido por equipo es que si tenemos 3 o mas el desarrollo del problema sigue así:  Ejemplo:

Si tenemos 2 LHD de 180 BHP, calcular el caudal diesel requerido por ley. En este caso el Q diesel = 100 cfm * 180 BHP * 1 + 100 cfm *180 BHP * 0.75

8 Cristian A. Herrera Hernández

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TABLA DE GASES Formula SO2 NOx CO2 H2S N CO

Peso especifico 2.2 1.59 1.529 1.19 0.971 0.967

LPP (ppm) 1.6 2.4 4000 8 40

Cantidad de gas en el aire (%) 0.00005 0.03 78.09 0.00001

1.5 Sistemas de Ventilación

1.5.1

LABORES DE DESARROLLO

1.5.1.1 Sistemas de Ventilación Auxiliar (SVA) Las necesidades de aire fresco al interior de una labor están restringidas bajo varios parámetros, tales como el uso de explosivos durante el desarrollo y arranque de una mina. Si es durante el desarrollo, ocuparemos normalmente ventilación auxiliar, ya sea tipo aspirante, soplante o mixto. En el caso del arranque esta íntimamente relacionado con el sistema de explotación asociado. A continuación veremos las características de los distintos tipos de sistema de ventilación auxiliares: 1.5.1.1.1

• • • •

Ventilación Impelente o Soplante

El ventilador debe ubicarse en una labor por la que fluya aire fresco y a una distancia entre 5 a 10 mts. de la labor a ventilar. En las galerías de desarrollo donde se use ventilación auxiliar, el extremo de la tubería no deberá estar a más de 30 metros de la frente. (ART 387, DS 72) Los trabajadores siempre se encuentran en aire viciado. Es utilizado solo para galerías cortas. (recirculación)

9 Cristian A. Herrera Hernández

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Para el cálculo del caudal apropiado para diluir el aire viciado encontramos 2 formulas: GALERIA REGULAR (Voronin) Q=

7 .8 3 t 

2

 A ⋅ V 

m3

min

t  =

min  A = kg explosivos V = m3 GALERIA IRREGULAR (Muste) Q=

21.4 3 t 

 A ⋅ V 

m

3

min

En ambos casos existen 2 restricciones claves:   1   1) l ≤ 0.5 ⋅ S  ⋅ 1 +    2a  2) V min ≥

500 d ⋅ α 

≈ 0.15

m s

Donde: S = Área de la galería l = distancia entre el ducto y la frente α = factor de estructura de flujo = 0.00175 d = diámetro promedio de las irregularidades de la galería

a=

0.06 mangas nuevas 0.08 mangas viejas 0.1 gal. desnuda 0.13 gal. instalaciones

10 Cristian A. Herrera Hernández

 Apuntes Servicios Generales Mina 1.5.1.1.2

•

Ventilación Aspirante

Por ley el ducto debe ubicarse a una distancia de 50 mts de la frente, pero en la realidad no siempre es así, ya que mientras mas larga es dicha distancia el sistema se hace menos eficaz. El extremo de salida del aire viciado, debe instalarse entre 10 y 20 mts de la entrada de aire fresco. En la frente queda una zona inmóvil (zona muerta), la cual a veces demora horas en renovarse. El hombre siempre trabaja en aire limpio. Mayor tiempo de ventilación para limpiar la frente. Es más caro.

• • • • •

En este caso ocupamos solo una formula: Q=

6 t 

⋅  A ⋅ S ⋅ (75 + A)

m

3

min

t  =

min  A = kg explosivos V = m3 S  = sec cion En este caso existen 2 restricciones claves: 1) l ≤ 3 S  2) V min  ≥ 0.15

m s

11 Cristian A. Herrera Hernández

 Apuntes Servicios Generales Mina 1.5.1.1.3

• •

Ventilación Mixta

Nace de la necesidad de suplir el problema de la zona muerta, utilizando otro ventilador que toma aire fresco y lo lanza sobre la zona muerta. Se utiliza para galerías de gran longitud

En este caso utilizamos 2 formulas: •

Q=

•

Q=

Para l ≤ 50 mts

15.6 t 

⋅  A ⋅ V 

m3

min

Para l > 50 mts

112 t 

⋅

 A ⋅ V  m 3 l

min

12 Cristian A. Herrera Hernández

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1.5.2

Labores de Arranque

Sistemas de explotación 1.5.2.1 Vetas delgadas

El caudal de aire necesario para la ventilación del frente de arranque obedece a la siguiente formula de Voronin: Q=

0.4 t 

m

 A ⋅ S ⋅ L

3

min

Donde: A = Kg. de explosivo S = sección galería L = largo del frente de arranque T = tiempo en min. de la ventilación Se debe tener en cuenta que el aire no debe levantar polvo, siendo capaz de remover el aire viciado. Para ello las velocidades no debieran exceder los rangos establecidos como son entre 0.4 m/s y 4 m/s. 1.5.2.2 Vetas anchas o mantos

El caudal de aire necesario para la ventilación de una cámara se calcula por la formula de Voronin: Q=

2.3 k ⋅ t 

 500   ⋅ A   Vst   

⋅ Vst ⋅ log

Donde: k = coef. de turbulencia t = seg Vst = volumen de la cámara k  ⇒ tabla ⇒ ϕ  =

a ⋅ lst  S 

≥ 0.38

lst = ancho caserón

13 Cristian A. Herrera Hernández

 Apuntes Servicios Generales Mina 1.5.2.3  Métodos Semi-Masivos

En caso de métodos de explotación tipo sublevel caving, sublevel stoping, es decir mediante subniveles el caudal necesario seria: 2     i ⋅ A ⋅ ba ⋅ b  ⋅ log Q = 2.3 ⋅ ( ) ⋅ ⋅ ⋅ + t  Vg  LPP  A b V  a    

Vg

Donde : Vg = volumen de las labores contaminadas por lo gases ba = volumen de todos los gases b = volumen gases toxicos formados por la explosión de 1kg de explosivo 0.175 si p ≤ 3 0.25 si 3 ≤ p ≤ 10 0.3 si p ≥ 10

i=

p = Vst/A

1.5.2.4  Métodos Masivos (Block Caving)

No Forzado (Rx secundaria) Q=

40.3 t 

⋅  Aar  ⋅ V d 

 Donde:  Aar  = carga arbitraria (kg) V d  = volumen galerías llenas con gas (m3)

Forzado (Rx primaria) Q=

50 t 

⋅  Aar  ⋅ V d 

 En el caso que no tengamos información acerca del sistema de explotación podemos utilizar la  siguiente formula:

Q=

 A ⋅ a ⋅ 100 t ⋅ LPP

Donde: A = kgs explosivo a = m3/kg explosivo t = min

14 Cristian A. Herrera Hernández

 Apuntes Servicios Generales Mina 1.6  Perdidas de Carga

Cuando se trata de un flujo, en este caso aire que circula a través de ductos o labores, tenemos que considerar 2 situaciones que son importantes a la hora diseñar un sistema de ventilación. En primer lugar el aire es compresible, pero para efectos de nuestros diseños y cálculos lo tomaremos como incompresible, el porque esta relacionado con las bajas presiones que existen en la ventilación. Por ultimo tenemos que establecer que se trabajan con flujos lineales, es decir en una sola dirección. Si entendemos por Energía la capacidad que tiene un flujo o fluido para realizar un trabajo, es iluso pensar que esta es constante durante todo un ducto o labor, es decir por principio de conservación de la energía siempre vamos a tener un delta energético que va a estar relacionado con las perdidas de energía entre un punto y otro. El principio de conservación de energía aplicado al flujo de fluidos a través de dos secciones de un ducto.

En este caso tenemos la siguiente ecuación:

 E 1 =  E 2 + ∆ E  E1 = Energía total en el punto 1 E2 = Energía total en el punto 2 �E = Perdidas de flujo entre el punto 1 y 2 Si recordamos de mecánica de fluidos: la ecuación de Bernoulli nos describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de flujo y además expresa que en un fluido perfecto (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido.

P1 W 

+

V 1

2

2g

+ Z 1 =

P2 W 

+

V 2

2

2g

+ Z 2 +  H   L

Si observamos esta ecuación tenemos que los primero términos de cada lado de la ecuación nos hablan de la energía estática, el segundo de la energía dinámica y el tercero de la energía potencial. Sin embargo tenemos un termino HL que nos indica las perdidas de energía en el trayecto, lo que en Bernoulli no estaba contemplado. Un estudio aun mas acabado determino que estas perdidas se deben a cambios de dirección y fricción durante el recorrido.

15 Cristian A. Herrera Hernández

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Como en Bernoulli solo se puede ingresar a la formula con presiones absolutas, lo cual resulta poco práctico y además no se usa en ventilación, se estableció usar presiones manométricas bajo la siguiente ecuación:

 Hs1 + Hv1 =  Hs2 + Hv2 + H  L Hs = carga estática Hv = carga dinámica Hl = perdidas de carga debido a fricción y choque ¿Como se mueve el fluido de un lugar a otro? Para que exista flujo desde un punto a otro tiene que haber diferencia de presión entre ambos puntos de lo contrario no hay un flujo dirigido. Además el logro de estas diferencias de presión tiene relación con la energía que le entregamos y que es consumida posteriormente por las perdidas de carga. Como se menciono anterior mente estas perdidas de carga (consumo de energía) son producidas principalmente por perdidas friccionales y por choque. Esto viene dado por la ecuación:  H  L =  Hf  + Hx

Donde: Hf = perdidas por fricción Hx = perdidas por choque 1.6.1   

1.6.2

PERDIDAS POR FRICCION Principalmente son causadas por la resistencia que ofrecen las galerías al paso del flujo de aire. Están en función de varios parámetros, tales como la velocidad del aire, el largo de la sección, el diámetro promedio, etc. Forman parte de casi la totalidad de las perdidas de carga en un sistema de ventilación. PERDIDAS POR CHOQUE

A diferencia de las pérdidas por fricción estas son causales del 10-30% de las pérdidas de carga totales dentro del sistema y se producen normalmente por:      

Cambio de dirección del flujo Entradas y salidas de aire del sistema Bifurcaciones o uniones de dos o mas flujos Obstrucción en las galerías de ventilación Puertas defectuosas Cambios de sección, etc.

16 Cristian A. Herrera Hernández

 Apuntes Servicios Generales Mina ¿Por qué hay que considerar estas perdidas dentro de un sistema?

Es indispensable obtener con exactitud las perdidas por fricción y choque, ya que son estas las que nos indicaran la cantidad de presión que hay que entregarle al sistema para que funcione correctamente. Estos parámetros nos ayudaran a diseñar el sistema de ventilación, cuanto aire inyectar, como lo inyecto, cuanto tengo que inyectar, etc. Para ello se ha establecido que las carga totales de un mina es la suma de las cargas estáticas y dinámicas, es decir:  H T  =  Hs + Hv

Hs (carga estática de la mina)  = energía consumida en el sistema de ventilación para vencer todas las perdidas de carga debido al flujo.  Hs MINA =

∑ H  = ∑ ( Hf  + Hx)  L

Hv (carga dinámica de la mina)  = no es una perdida de carga estrictamente pero si debe agregarse a las perdidas totales, ya que la energía cinética del aire es descargada a la atmósfera y también disipada. Esta va cambiando con cada variación del área y es función solo de la velocidad del aire.  Hv =

v

2

2g

1.6.3

⋅ ρ 

CALCULO DE PERDIDAS DE CARGA

1.6.3.1 Perdidas por efecto de fricción (Hf) La ley que usamos en este caso es la ley de Darcy-Weisbach, que es una ecuación ampliamente usada en hidráulica. Permite el cálculo de la pérdida de carga debida a la fricción dentro una tubería. La forma en que se conoce actualmente:  Hf  =  f  ⋅

 L  D

⋅

v

2

2⋅ g

Donde: Hf = f = L/D = v = g =

pérdida de carga debida a la fricción factor de fricción de Darcy o coeficiente de rozamiento relación entre la longitud y el diámetro de la tubería velocidad del flujo aceleración debida a la gravedad

El factor de fricción “f” varía de acuerdo a los parámetros de la tubería y la velocidad del flujo, y puede ser conocido con una gran exactitud dentro de ciertos regímenes de flujo.

17 Cristian A. Herrera Hernández

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En ventilación obviamente las labores son un tanto irregulares por lo que es necesario utilizar el término de radio hidráulico para una mejor representación, en este caso la ecuación mencionada anteriormente queda de la siguiente forma: Si para el círculo el radio hidráulico es: π   Rh =

area

⋅ D 2

 D = 4 = 4  perimetro π  ⋅ D

La ecuación de Darcy-Weisbach queda:  Hf  =  f  ⋅

 L

⋅

v

2

4 ⋅ Rh 2 ⋅ g

Si esta ecuación la multiplicamos por la densidad del aire, tenemos: Para el sistema ingles  Hf  =  f  ⋅

2

0.075 4 ⋅ Rh 2 ⋅ g 5.2 ⋅ 602  L

⋅

v

⋅

Donde: K  =

 f  ⋅ 0.075

8 ⋅ g ⋅ 602

; coeficiente de resistencia aerodinámico o fricción de la galería (MC Elroy)

Esta constante de MC Elroy viene dada por tabla. Finalmente tenemos que el cálculo de pérdidas debido a fricción se reduce a:  Hf  = K ⋅

 L ⋅ v

2

 Rh ⋅ 5.2

= K ⋅

P ⋅ L ⋅ v

5.2 ⋅ A

2

= K ⋅

P ⋅ L ⋅ Q

2

5.2 ⋅ A3

Cabe destacar que esta constante K puede ser corregida para diversas condiciones de temperatura, para ello la corrección viene dad por:   w     0.075 

Kc = K ⋅ 

18 Cristian A. Herrera Hernández

 Apuntes Servicios Generales Mina

En ventilación obviamente las labores son un tanto irregulares por lo que es necesario utilizar el término de radio hidráulico para una mejor representación, en este caso la ecuación mencionada anteriormente queda de la siguiente forma: Si para el círculo el radio hidráulico es: π   Rh =

area

⋅ D 2

 D = 4 = 4  perimetro π  ⋅ D

La ecuación de Darcy-Weisbach queda:  Hf  =  f  ⋅

 L

⋅

v

2

4 ⋅ Rh 2 ⋅ g

Si esta ecuación la multiplicamos por la densidad del aire, tenemos: Para el sistema ingles  Hf  =  f  ⋅

v2

0.075 4 ⋅ Rh 2 ⋅ g 5.2 ⋅ 602  L

⋅

⋅

Donde: K  =

 f  ⋅ 0.075

8 ⋅ g ⋅ 602

; coeficiente de resistencia aerodinámico o fricción de la galería (MC Elroy)

Esta constante de MC Elroy viene dada por tabla. Finalmente tenemos que el cálculo de pérdidas debido a fricción se reduce a:  Hf  = K ⋅

 L ⋅ v

2

 Rh ⋅ 5.2

= K ⋅

P ⋅ L ⋅ v

5.2 ⋅ A

2

= K ⋅

P ⋅ L ⋅ Q

2

5.2 ⋅ A3

Cabe destacar que esta constante K puede ser corregida para diversas condiciones de temperatura, para ello la corrección viene dad por:   w     0.075 

Kc = K ⋅ 

19 Cristian A. Herrera Hernández

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Tabla para obtener el coeficiente de MC Elroy

* Todos estos valores tienen que ser multiplicado por 10-10 1.6.3.2 Perdidas por efecto de choque (Hx) Como ya señalamos, las perdidas por efecto de choque principalmente se deben a la configuración geométrica de las labores, ya sea cuando se disminuye o agranda la sección de una galería, temas de fortificación, instalación, etc. Los cálculos por estos efectos tiene relación con la carga dinámica de la mina y un parámetro que es el coeficiente de pérdida por choque que se obtiene mediante un tabla.   v    Hx =  X  ⋅ Hv =  X  ⋅ w ⋅    1098 

2

Donde: X = coef. de pérdida por choque (tabulado) w = densidad del aire v = velocidad de flujo Ahora vamos a introducir un termino que es comúnmente utilizado en toda obra hidráulica y de ventilación que produzca perdidas de carga, me refiero al “largo equivalente (Le) ”, este concepto consiste básicamente en reducir las dificultades para el calculo de Hx, ya que todos los efectos que produzca un cambio dirección, disminución de sección, cruce de galerías, etc. los simplifica a una galería recta, es decir estas perdidas las transformamos ahora en perdidas por fricción.

20 Cristian A. Herrera Hernández

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Para la determinación del largo equivalente tenemos que asumir que Hf = Hx, esto queda:  X  ⋅ w ⋅

 Le =

v

2

10982

= K ⋅

P ⋅ L ⋅ v

2

5.2 ⋅ A

 X  ⋅ w ⋅ 5.2 ⋅ A

10982 ⋅ K ⋅ P

Finalmente se tiene que:  H  L =  Hf  + Hx =

K ⋅ P ⋅ ( L + Le ) ⋅ v

2

5.2 ⋅ A

 ; perdidas totales

Con ello podemos deducir un último parámetro que es la resistencia, la cual esta definida por la siguiente ecuación:  R =

K ⋅ P ⋅ ( L + Le )

5.2 ⋅ A3

Esto nos lleva a la Ley de la Ventilación (Atkinson), la cual viene dada por

 H T  =  R ⋅ Q 2 1.6.3.3  Representación gráfica de la formula fundamental de ventilación

La Fórmula fundamental de la ventilación tiene su representación grafica en sistema cartesiano, donde en el eje de las ordenadas tenemos la Caída de Presión H y en el de las absisas el caudal Q. Como se sabe, cualquier sistema compuesto por ductos formando un circuito esta representado por la fórmula anteriormente descrita. Esta ecuación, en el sistema definido nos representa a una parábola que pasa por el origen. En general, cuanto mayor es la resistencia R, más parada será la parábola y, en consecuencia, para un mismo caudal Q, mayor será la caída de presión H, como puede apreciarse en la siguiente figura;

Fig. 1.6.3.3 Representación grafica de la formula fundamental de ventilación

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 Apuntes Servicios Generales Mina 1.7  Circuitos de Ventilación

En ventilación se puede definir circuito como una serie de ductos interconectados entre si con el objetivo de distribuir caudal de aire dentro de una área determinada. Es decir para un determinado caudal de aire necesario, se debe estudiar la forma más adecuada de hacer llegar el aire limpio a los frentes de trabajo, de acuerdo al sistema de ventilación adoptado y como recobrar el aire viciado determinando la forma y el lugar donde será descargado a la atmósfera. Principal cuidado se debe tener en las pérdidas de aire que se produce en su trayecto. Las pérdidas de aire durante su recorrido desde la entrada de aire hasta los frentes de trabajo alcanzan, en ciertos circuitos, de 70 á 80 % del volumen total del aire. Las pérdidas de aire influyen perjudicial mente; la ventilación empeora, el peligro de concentración de gases aumenta, la energía se gasta inútilmente. Para compensar las inevitables pérdidas, el caudal de ventilador principal, obtenidos por cálculos, debe ser aumentado en un porcentaje de acuerdo a la experiencia. Las variables que definen cualquier circuito son: Caudal (Q), Caída de presión (H) y Resistencia (R). Asi como en eléctrica, los tipos básicos de combinación de ductos y galerías son los sistemas en serie y en paralelo. Además de ellos se presentan combinación complejas llamas mixtas. A continuación se analizaran los diferentes tipos de circuitos. 1.7.1

Circuito en Serie

El flujo en serie resulta cuando todas las galerías se conectan de extremo a extremo y entre ellas poseen características físicas propias.

Fig. 1.7.1.1 Circuito en Serie

Un aspecto importante de señalar es que la energía de los circuitos en serie es elevada. Para un caudal dado, las caídas son acumulativas, lo mismo que las potencias el aire. En sistemas de ventilación, mucho del flujo del aire, cerca de los frentes se hace a través de aberturas conectadas en serie.

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En un sistema de estas características se cumple lo siguiente: a) El caudal de aire es el mismo a través del circuito:

QT = Q1 = Q2 = .........= Qn

b) La perdida de carga total es igual a la suma de las perdidas en las galerías individuales:

HT = H1 + H2 + .....+ Hn

c) De las ecuaciones anteriores, se demuestra que las resistencias son acumulativas:

RT = R1 + R2 + R3 + ........+ Rn

Las caídas son mas comúnmente usadas que las resistencias en cálculos de los circuitos en serie, ya que son fácilmente determinables por gráficos y el resultado final se requiere en términos de la caída.

Fig. 1.7.1.2 En esta imagen se aprecia como el flujo de aire viaja, a través de la combinación de varias galerías con diferentes resistencias. Esta es la práctica mas utilizada en minas cuyo cuerpo mineralizado se trata de una veta.

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 Apuntes Servicios Generales Mina 1.7.2

Circuito en Paralelo

En el circuito en paralelo el flujo total del aire se divide entre las galerías. En ventilación, esta práctica se llama partición.

Fig. 1.7.2.1 Circuito en Paralelo

Cuando las galerías están dispuestas en paralelo, se cumple lo siguiente: a) El caudal total es la suma del flujo en las galerías individuales

QT = Q1 + Q2 + Q3 + .....+ Qn b) La caída es la misma a través de cualquier rama del circuito.

H1 = H2 = H3 =....=Hn c) Tomando en cuenta la ecuación de ventilación, tenemos que en términos de las resistencias:

1 / √ RT = 1 / √ R1 + 1 / √ R2 +..............+ 1 / √ Rn

Fig. 1.7.2.2 Distribución del flujo de aire en un sistema en paralelo.

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 Apuntes Servicios Generales Mina 1.8  Introducción al método de Hardy Cross.

La distribución de aire en una red de ventilación se caracteriza por el sistema de ecuaciones: H = R * Q²

Σ Q = 0 Σ H = 0 La primera ecuación es la relación bien conocida entre la caída, el caudal y la resistencia aerodinámica del circuito. Las dos ecuaciones restantes expresan que: • •

Ley de la continuidad: La suma algebraica de los caudales que convergen hacia un nodo de la red y de los que divergen de éste, debe ser igual a 0. Ley de circulación: La suma algebraica de las pérdidas de presión y de las fuerzas aeromotrices (depresiones de ventiladores), medidas a lo largo de un circuito cerrado o malla es igual a 0.

Para cada malla se adoptará un sentido de recorrido determinado (por ejemplo el de las agujas de un reloj); A cada derivación se le atribuirá un sentido directo (dirección de caudales positivos) y uno inverso (caudales negativos). Estas son las conocidas Leyes de Kirchoff donde se ha asimilado: Q = I (Intensidad eléctrica) R = R (Resistencia eléctrica) H = V (Voltaje o tensión eléctrica) Para una mayor comprensión definamos: B = Nº de derivaciones, ramas, brazos o galerías que comienzan y terminan en nodos n = Nodos definidos por que en él se unen dos, tres o más brazos m = Circuito cerrado de brazos, llamado mallas Red = Conjunto de mallas que definen un circuito Entonces para una red ramificada o mallada, que consta de "b" derivaciones y "n" nodos, el problema por resolver presenta "2b" incógnitas, que son los "b" caudales y las "b" caídas de presión "H". En consecuencia, hay que escribir "2b" ecuaciones.

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Entre éstas tenemos "b" características aerodinámicas de derivaciones, que son de segundo orden en "Q" y de forma: H = R * Q² Además tenemos "n-1" ecuaciones según la ley de continuidad. Son "n-1" ya que el nodo "n" estará determinado por los otros. Quedan todavía por escribir "b-(n-1)" ecuaciones por medio de la Ley de circulación(la suma de caídas de presión y de fuerzas aeromotrices a lo largo de cualquier malla es igual a 0).

Σ H = 0 Estas ecuaciones son cuadráticas con respecto a Q. En consecuencia, debemos elegir en la red "b(n-1)" mallas para las cuales se aplicará la condición Σ H = 0. La elección de las mallas no es completamente arbitraria; ésta debe ser tal que cada derivación sea tomada en cuenta por lo menos en una malla y que cada malla contenga una derivación que no sea ya parte de una malla precedente. La resolución de tal sistema de "2b" ecuaciones con "2b" incógnitas, de las cuales la mayoría son de segundo orden, evidentemente es muy difícil, ya que las eliminaciones sucesivas de incógnitas conducirán a ecuaciones cuyo grado se haría más y más elevado. De modo que estamos obligados a aplicar un método que, por iteraciones sucesivas, nos de una serie de resultados más y más próximos a la solución exacta del sistema. Se empieza por una repartición de caudales, en principio arbitrarias pero que en la práctica se eligen razonadamente, utilizando cada información o toda reflexión que el problema pueda inspirar. Evidentemente que hay que vigilar que los valores iniciales de Q cumplan las ecuaciones de continuidad. Sin embargo, se constatará que las ecuaciones de circulación no se verifican. Aplicando la ecuación Σ  H = 0 a una primera malla, y teniendo en cuenta las ecuaciones de derivación obtenemos un residuo:

Σ H = r ≠ 0 donde r = residuo Si aplicamos a todas las derivaciones de una malla una corrección de caudal delta Q, deberíamos llegar a obtener un delta H tal que se cumpla Σ H = 0 (denominaremos Delta como ∆ ). Al terminar la corrección para la malla, se pasa a la malla siguiente y en esta se efectúa la misma operación, después sucesivamente a las otras "b-(n-1)" mallas. Sin embargo, como las diferentes mallas tomadas en consideración poseen ramificación común, la corrección efectuada sobre una de ellas desequilibra las mallas adyacentes. En consecuencia será necesario repetir varias veces la operación hasta llegar a un resultado que se puede fijar previamente.

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Se pueden minimizar las iteraciones entre las mallas y en consecuencia acelerar la convergencia del proceso eligiendo las mallas de manera que las ramificaciones comunes sean poco resistentes, de tal forma que las variaciones que se tengan que hacer en una malla, no desajusten a las otras.

Construcción de las mallas . En primer lugar, se verá que cualquier malla en una red debe permitir elegir las magnitudes(resistencias, caudales y ventiladores),que se pueden fijar a priori, sin que el problema sea indeterminado, y por otro lado poder plantear la ecuación(4.2) Σ Hi = 0, formando un sistema independiente. Surge la necesidad de encontrar un sistema de mallas que cumpla ciertas condiciones, que llamaremos: Sistema de mallas base óptima , y que se seleccionará de la siguiente manera: 1. La rama independiente de cada malla, se seleccionará de aquellas ramas cuya resistencia ( R ) sea máxima, o lo que es lo mismo, las ramas comunes a varias mallas, se seleccionará entre aquellas cuya resistencia sea mínima. 2. Para poder construir las mallas de esa forma, hay que introducirse en lo que se llama árbol óptimo de la red, y a partir de él, se construirán las mallas. Es decir, el problema en sí es construir dos algoritmos que sirvan; uno para la construcción del árbol óptimo y otro para formar las mallas a partir de ese árbol.

Construcción del árbol óptimo . El árbol es óptimo cuando las resistencias de sus ramas es mínima. Este árbol óptimo se construirá a partir del algoritmo de Sollin , el cual consiste en lo siguiente: 1. Se parte de un nodo cualquiera, y se elige la rama de menor resistencia que una este nodo con uno de sus vecinos. 2. Luego se toma otro nodo, distinto a los nodos extremos de la rama ya encontrada y se sigue así hasta que se encuentren todos los nodos, formándose por este proceso sub-árboles o trozos de un árbol. 3. Posteriormente, estos sub-árboles se consideran a la vez como nodos y se vuelve a aplicar el algoritmo a la red formada por estos nodos y a las ramas no seleccionadas. Se continúa de esta forma, hasta que la red esté formada por un solo nodo. Este árbol es único si todas las resistencias de la red son distintas, en caso contrario puede darse el caso de soluciones alternativas.

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Como ejemplo de aplicación se considera la red que se muestra en la figura 4.1

Fig. 4.1.- Ejemplo de una red; los números representan las resistencias de las ramas.

Comenzando arbitrariamente por el nodo A, la rama de menor resistencia es la asociada al nodo D, luego se forma el sub-árbol parcial AD. Tomando ahora otro nodo que no sea A ni D, dígase B, donde la rama de menor resistencia en este nodo es la que une B con G. Tomando un nodo distinto a los tomados anteriormente, sea C, la rama elegida es la que une C con F. Los nodos que faltan son E y H, tomando H, puede verse que existen dos alternativas HG y HE, eligiendo la rama HE se formarán cuatro sub-árboles, los cuales se designarán por x1, x2, x3 y x4 (Fig. 4.2).

Fig. 4.2.- Sub-árboles parciales x1, x2, x3 y x4

Se busca ahora la rama de menor resistencia que una el sub-árbol X1 con cualquiera de los otros, un rápido examen muestra que la rama elegida es la AC, formándose un nuevo sub-árbol que se designará por X5, constituido por X1 y X3. Tómese otro sub-árbol, sea X2, buscando la rama de menor resistencia que una éste con otro sub- árbol, se encuentra que la rama elegida es la que une a G con H, formándose así el sub-árbol X6, constituido por los sub-árboles X2 y X4 (Fig. 4.3)

Fig. 4.3.- Sub-árboles x5 y x6.

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Haciendo lo mismo para x5 y x6, se encuentra que la rama de menor resistencia es la que une G con F, formándose así el árbol x7, que es el árbol de distribución mínimo, llamado comúnmente árbol óptimo (Fig. 4.4).

Fig. 4.4.- Arbol óptimo x7.

Se ve que las ramas independientes (que no pertenecen al árbol óptimo), son las ramas: AB, BC, CD, DE, EF y FH; cada una de ellas pasará a formar una malla independiente de la red.

Formación de las mallas a partir del árbol óptimo . Se utilizará el algoritmo del árbol orientado, que como su nombre lo indica, cada rama debe ser recorrida en sólo un sentido. Las ramas estarán orientadas de modo que saliendo de un extremo cualquiera, se llegue siempre a un mismo nodo, que se llamará de orden cero. Partiendo del nodo de orden cero, elegido arbitrariamente, se buscan todas las ramas ligadas a él, denominándose de orden uno a los extremos de estas. Luego se siguen repitiendo las mismas operaciones, saliendo desde los nodos de orden uno, obteniéndose así los nodos de orden dos, continuando de esta forma hasta que se encuentren todas las ramas dependientes(pertenecientes al árbol). Este árbol es conexo, ya que existe un camino entre dos nodos cualquiera. Para la formación de una malla, se parte de una rama independiente y se busca el camino entre sus dos extremos, recorriendo la lista de los nodos del árbol orientado, desde el orden más alto hasta encontrar uno de los extremos de la rama independiente, esta rama y la correspondiente a ese extremo encontrado, son los primeros elementos de una cadena que finalmente formará una malla. Posteriormente se sigue recorriendo la lista de nodos hacia los órdenes decrecientes, hasta encontrar uno de los extremos de la cadena ya formada y se agrega una nueva rama a la cadena.

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Se sigue de esta forma, bajando el orden en una unidad cada vez que se alarga la cadena en una rama. Es un hecho inevitable que llegado un momento, los extremos de la cadena tengan el mismo orden, luego, el recorrido dentro de la lista de nodos permitirá alargar la cadena por sus dos extremos, bajando cada vez en un orden, hasta que los extremos de la cadena se confundan; sin embargo, para evitar el recorrido hasta el nodo de orden cero, cuando los extremos tienen el mismo orden, se realiza una comparación de ellos, si son distintos se sigue, si son iguales indica que la malla está formada. En forma similar se procede con las demás ramas independientes de la red, formándose por este método un sistema de mallas base, cuyas características son: 1. Son independientes, ya que cada malla contiene una rama que no pertenece a ninguna otra. 2. Representan toda la red, pues cada rama está contenida por lo menos una vez en una de las mallas. Además, conforman un sistema de mallas de base óptima, dado que: 1. Existe un conjunto de m ramas independientes, tal que cada una de ellas pertenece sólo a una malla base. 2. Si se suprimen estas m ramas al mismo tiempo, la red sigue siendo conexa. Estas m ramas independientes se llaman ramas directrices. Considerando el árbol óptimo del ejemplo anterior(Fig. 4.4). Partiendo del nodo A como nodo de orden 0, se obtiene el árbol orientado que se muestra en la figura 4.5

Fig. 4.5.- Arbol orientado

A modo explicativo se formará una malla, a partir de la rama independiente DE, de la red de ejemplo (Fig. 4.1).

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Partiendo del árbol orientado, de mayor a menor orden, se encuentra que se puede agregar a la cadena (en un principio la rama independiente DE) las ramas EH, HG, GF y FC. Se ve que los extremos de la cadena formada tienen el mismo orden, pero los nodos son distintos, entonces, se puede bajar en un orden cada extremo, llegando así al orden cero, lo que indica que la malla ha sido formada, agregando a la cadena por ambos extremos las ramas CA y AD. Finalmente, se tiene que la malla(cadena cerrada), está constituida por las siguientes ramas: AD, DE, EH, HG, GF, FC, CA. De igual forma se continúa para las otras ramas independientes.

METODO DE HARDY CROSS. Este método fue descrito por Scott y Hinsley en el año 1952. Aquí se toman como incógnitas para la base de mallas, no los b caudales QJ  , sino los m caudales QMK, (caudales de ramas independientes ), se tiene que por la rama J pasará: Q j = Σ A j k QMk

( j = 1,2.....b )

( 4.6 )

este sistema de caudales satisface las ecuación de nodos. Se da comienzo al proceso con un sistema inicial de caudales de mallas, que pueden ser en principio arbitrarios, pero en la práctica es importante escoger un grupo de valores adecuados, para acelerar la convergencia del proceso. A este sistema inicial de caudales arbitrarios que obviamente no es solución del problema, se aplican las relaciones existentes para la primera ecuación de malla, que permitirá calcular una corrección ∆ QM1 que satisfaga la ecuación, la cual modifica el caudal QM1 de la malla; este nuevo valor de QM1 se reemplaza en el sistema de caudales de malla ( ecuación 4.6 ), generando así un nuevo sistema de caudal. Luego se pasa a la segunda malla y se calcula una nueva corrección ∆ QM2, la cual modifica QM2.Se continua así hasta llegar a la última malla, donde termina la primera iteración. Se repite el proceso hasta que las correcciones a los caudales de mallas no sean significativas. Se puede observar que aunque se modifique una sola malla cada vez, dejando inalteradas las mallas restantes, sucede que el caudal de cada rama común a varias mallas, se corrige tantas veces como se ha corregido la malla a la que pertenece, destruyendo parcial o totalmente una solución anterior.

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 Apuntes Servicios Generales Mina 1.9  Equipos Diesel  Aplicaciones a la minería.

Se tiene conocimiento de los primeros motores a combustión interna utilizados en minería subterránea desde 1910, pero éstos presentaban los siguientes problemas: • • • •

Dificultad de control frente a los gases para diluir y/o disminuir todo efecto contaminante tóxico producido por los motores. Incendio durante la manipulación de combustibles altamente volátiles. Emanación de gases al ambiente, que pueden ser inflamables o explosivos al entrar en contacto con el motor caliente. Alto costo de construcción de lugares muy protegidos para el almacenamiento, traslado y trasbasije del combustible.

Los primeros motores diesel utilizados en ésta área fueron en Alemania (1927), ya que éstos emiten menos gases tóxicos y usan petróleo (combustible no volátil), es menor el peligro de incendio y explosión, por esto reemplazaron a los motores a gasolina y son los únicos utilizados en ésta área (minería subterránea), lo que protege la salud y seguridad de los mineros. La utilización general de los motores Diesel en minería subterránea fue a mediados de los años 50, y esto se debió principalmente a los nuevos diseños de motores, especialmente en el sistema de inyección del combustible, y al desarrollo de los lavadores y purificadores de los gases de escape, lo anterior ha disminuido la concentración de gases tóxicos en productos de escape de los motores diesel. Los equipos bien carburados no generan ningún gas nocivo, debe ser catalizado a la salida del múltiple y a la salida del tubo de escape debe tener un burbujeador (consistente en un estanque de agua) al cual se debe cambiar el agua todos los días, de esta manera se libera poco CO 2 y vapor de H2O.

Es importante conocer algunos artículos del DS 72 que se debería tener en consideración: Art. 129. Se prohíbe usar en minas subterráneas, vehículos o equipos accionados por motores bencineros. Se permitirá el uso de vehículos o equipos automotores accionados por gas licuado o natural, siempre que cuenten con la aprobación de las autoridades nacionales competentes, debiendo contar con un sistema de seguridad que detecte fugas de combustible y un sistema incorporado contra incendio. Los vehículos o equipos accionados por gas licuado o natural solo podrán estacionarse en lugares especialmente ventilados que faciliten la no-acumulación de gas por fugas de combustible. También se permite, en general, el uso de máquinas y equipos automotrices diesel. Para que ellos trabajen en interior mina, deberán ser diseñados y acondicionados específicamente para este propósito. Los gases de escape de estos equipos deberán ser purificados y/o reducidos antes de ser descargados al ambiente.

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Art. 130. El tubo de escape de las máquinas diesel deberá ubicarse en la parte baja del vehículo, paralelo al chasis del equipo y por el lado contrario del operador. Art. 131. El combustible diesel usado por las máquinas debe tener un punto de inflamación mayor de cincuenta y cinco grados (55º) centígrados y no debe contener más de uno por ciento (1%) de azufre en peso. La temperatura de los gases de escape no debe ser mayor de ochenta y cinco grados (85º) centígrados.

Art. 132. En los frentes de trabajo donde se utilice maquinaria diesel deberá proveerse un incremento de la ventilación necesaria para una óptima operación del equipo y mantener una buena dilución de gases. El caudal de aire necesario por máquina debe ser el especificado por el fabricante. Si no existiese tal especificación, el aire mínimo será de dos coma ochenta y tres metros cúbicos por minuto (2,83 m3/min.), por caballo de fuerza efectivo al freno, para máquinas en buenas condiciones de mantención. El caudal de aire necesario para la ventilación de las máquinas diesel debe ser confrontado con el aire requerido para el control de otros contaminantes y decidir su aporte al total del aire de inyección de la mina. De todas maneras, siempre al caudal requerido por equipos diesel, debe ser agregado el caudal de aire calculado según el número de personas trabajando.

Art. 133. En el interior de la mina donde trabajen máquinas diesel se deberá evaluar y registrar lo siguiente: a) Las concentraciones en el ambiente de monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno (NO+NO2), dióxido de nitrógeno y aldehídos. La calidad del aire estará dada por los efectos sumados de todos los gases presentes. Se recomienda efectuar estas mediciones, a lo menos una vez por semana o cuando las condiciones ambientales lo aconsejen. En áreas o labores que se consideran críticas, se deberá disponer de sensores y alarmas que alerten a los trabajadores cuando las concentraciones excedan los valores permitidos. b) Periódicamente a intervalos que no excedan de un mes, en el tubo de escape de la maquinaria diesel, las emisiones de monóxido de carbono, y óxido de nitrógeno.

Art. 134. Las muestras de gases se tomarán directamente en el tubo de escape de la máquina con el motor funcionando, tanto en ralentí como en aceleración, a la temperatura de régimen de trabajo y sin embragar. Las muestras ambientales de gases serán tomadas en lugares representativos del sector de trabajo, con la máquina en operación.

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 Apuntes Servicios Generales Mina 1.10

Ventilacion Natural

La única fuerza natural que puede crear y mantener un flujo apreciable de aire es la energía térmica, debido a la diferencia de Ta. Esta ∆ Ta genera una diferencia de peso especifico entre el aire saliente y entrante. Podemos decir que la ventilación natural depende de: 1.- La diferencia de elevación entre la superficie y los trabajos mineros. 2.- La diferencia de Ta entre el interior y el exterior de la mina. A > ∆ Ta ⇒ > ∆ P ⇒ mayor es el flujo. Podemos decir también que: • • • • • • •

Existe mayor ∆ T en el exterior que en el interior de la mina. Existe menor ∆ T en aquellas labores alejadas de la superficie. La dirección del flujo es raramente constante. Si ∆ T = 0 ⇒ el movimiento del aire cesa. Si el gradiente de Ta se invierte entre el exterior y el interior, también se invierte el flujo, especialmente ocurre esto, en otoño e invierno. La ventilación natural es función exclusiva del ∆ Ta . La cantidad de flujo, varía con la resistencia de la mina, pero ordinariamente es pocas decenas de miles de pie3 /min, y menos de 100.000 cfm.

IMPORTANTE: La ventilación natural debe controlarse, puesto que es variable y no se puede depender de ella. Para ésto, se utilizan los mismos dispositivos de la ventilación mecánica (reguladores, puertas, etc, ). Nunca debe permitirse que la Ventilación Natural sea descontrolada pues es extremadamente peligrosa en caso de incendio. (Debido a los ∆ Ta que se producen ).

DETERMINACION DE LA DIRECCION E INTENSIDAD DE LA VENTILACION NATURAL. 1.- DIRECCION: Para predecir la dirección del flujo de aire de la ventilación natural, en circuitos simples, se siguen las siguientes reglas: a).- Comparar las diferencias de presiones entre los puntos del circuito visualizando columnas de aire de igual altura entre 2 datum horizontales. b).- Considerar de las Ta de superficie en invierno, son más frías que las Ta de la mina y lo contrario en verano. c).- La columna de aire más fría es la más pesada y tiende a bajar desplazando a la columna más caliente que es la más liviana. d).- El aire fluye en la mina desde la columna de aire más pesada a la más liviana

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Fig. 1.9 (A) (B) (C) NECESIDAD DE INDUCIR SI NO NO DIRECCION INVIERNO CUALQUIER DER A IZQ DER A IZQ DIRECCION VERANO NINGUNA IZQ A DER IZQ A DER

CALCULO DE LA PRESION NATURAL: Para calcular la caída de presión de una ventilación natural se comparan columnas de igual altura. Primero, puesto que la densidad del aire aumenta progresivamente pero no linealmente, se puede emplear el cálculo para derivar una expresión para la diferencia de presión entre dos puntos del sistema. Si consideramos columnas de aire seco, con una sección transversal A de 1 pie2  y altura L y suponemos un elemento de altura dL, cuya presión en la base es dp. La fuerza ejercida es A * DP . Si llamamos W al peso de este elemento, tenemos que: W = p * v / R*T = p*A * dL / R*T = A*dp (fuerza) dp/p = dL/R*T ∫ P1dp/p =∫ 0dL/R*T LN(p2/p1) = L/R*T

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Los valores p1 y p2 son las presiones absolutas en la cima y en el fondo de la columna en pulg Hg y T es la temperatura absoluta media entre el fondo y la parte superior de la columna. Cuando tenemos 2 columnas, entrada y salida de aire en una mina, existe una presión p3, que es la presión en el fondo de la columna 2. La diferencia de presión entre las 2 columnas es la presión de la ventilación natural en pulg. H2O , y esta dada por : Hn = 13.6*(P2 - P3) , (pulg. H2O) P2 Y P3 son presiones absolutas en el fondo pulg. de Hg.

HN = (P2 - P3) (plug Hg) OBSERVACION : La omisión del efecto de vapor de H2O introduce algún error un este método.

SEGUNDO METODO (más usado) HN = (L/5.2 ) * [WD - WA] donde WD = WA = L = HN =

Densidad media de la columna descendente, [lb./pie3] Densidad media de la columna ascendente, [lb./pie3] Longitud del pique, [pies] Presión Natural, [pulg. de Agua]

OBSERVACION : Temperaturas y presiones son medidas en varios puntos a través de cada columna y las correspondientes densidades de aire son determinadas y usadas para encontrar la densidad promedio.

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TERCER METODO: HN = 0.255 * Pb * L * [1/TDESC - 1/TASC] donde : Pb = Presión barométrica en el punto medio de las columnas, (pulg. H2O) L = Longitud, pies TDESC = Temperatura absoluta pique descendente (ºk) TASC = Temperatura absoluta pique ascendente (ºk).

CUARTO METODO: Basado sobre la diferencia de temperatura con bulbo seco, la presión natural puede también ser calculada como : HN = (W*L / 5.2 * T) * [TA - TD ] DONDE : T = Temperatura media = 0.5* (TD + TV), Temperatura absoluta promedio. W = Densidad del aire en el punto de referencia deseado(generalmente corresponde al pique descendente)

QUINTO METODO: Por mediciones se ha comprobado que la caída de presión a nivel del mar es de 0,03 pulg. H2O por cada 10ºF de diferencia por cada 100 pies de diferencia de elevación HN = 0.03 pulg. H2O/ 10ºF/ 100ft o HN = 7.5 pulg. Hg. / 5.5 ºC/ 30.5 mts de diferencia

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CURVA CARACTERISTICA DE LA VENTILACIÓN NATURAL: En un diagrama Q - H, la curva característica es una línea recta paralela al eje de los caudales (Q) y se debe a que variaciones de caudales no tienen efecto sobre la presión natural.

La presión de la ventilación natural se puede modificar cambiando el trazado o Layout de la mina, pero es independiente de la resistencia de la mina y cantidad de aire.

DETERMINACION DEL CAUDAL DEL FLUJO NATURAL : Puede ser calculado igualando los mHs con la caída de ventilación natural despreciando la caída dinámica: HL = HN Hf + Hch = HN K*P*(Le + L) Q2 / 5.2 * A3 = Hn Luego : Q = ( 5.2 * HN * A3) / (K*P* (L+Le)) (cfm) donde : HN = pulg. H2O A = Área, pie2 P = Perímetro, pies La aplicación de la fórmula depende de que la resistencia de la galería sea constante a través de la mina (sección transversal de la mina y características sean las mismas) También el caudal es correcto sólo a la densidad correspondiente al K seleccionado. OBSERVACION : Cuando se tienen diferentes tamaños y además sea necesario considerar Pv puede recurrirse a soluciones gráficas o numéricas sacadas por computadores.

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2. HIDROLOGIA El estilo de vida al cual nos hemos ido acostumbrado depende, en gran medida, de la disponibilidad de suficiente agua limpia y barata y que, luego de haber sido usada, su eliminación sea segura. La naturaleza limita la cantidad de agua disponible para nuestro uso. Aunque hay suficiente agua en el planeta, no siempre se encuentra en el lugar y momento adecuados. Además, existen evidencias de que los desechos químicos eliminados de forma inapropiada tiempo atrás están apareciendo actualmente en las fuentes de agua. Nos enfrentamos, en la actualidad, a unos consumos muy altos, abastecimientos inciertos, y demandas incrementadas de protección contra las inundaciones y la contaminación. Son preocupantes los efectos de la escasez de agua limpia sobre la economía y la salud. La hidrología se ha desarrollado como ciencia en respuesta a la necesidad de comprender el complejo sistema hídrico de la Tierra y ayudar a solucionar los problemas de agua. La Hidrología (del griego hydor-, agua) es la disciplina científica dedicada al estudio de las aguas de la Tierra, incluyendo su presencia, distribución y circulación a través del ciclo hidrológico, y las interacciones con los seres vivos. También trata de las propiedades químicas y físicas del agua en todas sus fases.

Fig. 2.1 Ciclo Hidrológico. Se inicia con la evaporación, con el consiguiente trasvase de agua procedente en su mayor parte de los océanos hacia la atmósfera, y culmina con las precipitaciones, que la devuelven a la hidrosfera. Un alto porcentaje, 40%, del agua que no retorna al mar ni a los ríos, lagos o glaciares es absorbido por las raíces de las plantas, desde cuyas hojas se reintegra parcialmente a la atmósfera en forma de vapor. Otra parte importante pasa a integrar un complejo sistema de circulación subterránea; desde los acuíferos y fuentes volverá a alimentar a los ríos, que, a su vez, desembocarán en los mares. De esta manera, el agua que pasa de la hidrosfera a la atmósfera retorna a ella en un proceso continuo que asegura un equilibrio.

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El objetivo primario de la hidrología es el estudio de las interrelaciones entre el agua y su ambiente. Ya que la hidrología se interesa principalmente en el agua localizada cerca de la superficie del suelo, se interesa particularmente en aquellos componentes del ciclo hidrológico que se presentan ahí; esto es, precipitación, evapotranspiración, escorrentía y agua en el suelo. Los diferentes aspectos de estos fenómenos son estudiados en sus varias subdisciplinas. En el campo de la minería, las etapas del ciclo hidrológico que mas nos interesan controlar son la  Infiltración, que se define como el movimiento del agua a través de la superficie del suelo hacia el interior de la tierra, la  Precolación  que es el movimiento del agua a través del suelo. La  Evaporación, la cual nos habla de la emisión de vapor de agua por una superficie libre a temperatura inferior a su punto de ebullición. El agua pasa de un estado liquido a vapor y finalmente la Evapotranspiracion que es la cantidad de agua transferida del suelo a la atmósfera por evaporación y por la transpiración de las plantas. La investigación hidrológica es importante para el desarrollo, gestión y control de los recursos de agua. Sus aplicaciones son muchas, incluyendo el desarrollo de sistemas de irrigación, control de inundaciones y erosión de suelos, eliminación y tratamiento de aguas usadas, disminución de la contaminación, uso recreacional del agua, la conservación de los peces y vida silvestre, la generación hidráulica, y el diseño de estructuras hidráulicas. Las personas interfieren el ciclo del agua para sus propias necesidades. El agua es desviada temporalmente de una parte del ciclo, ya sea extrayéndola del suelo o tomándola de un río o lago. Luego de ser usada, el agua es regresada a otra parte del ciclo: descargada, quizás, aguas abajo o dejada a que se infiltre en el suelo. Normalmente, el agua usada es de menor calida, incluso luego de ser tratada, lo cual ocasiona problemas a los usuarios aguas abajo. El trabajo de los hidrólogos es tan variado como los usos del agua y pueden variar desde proyectos multimillonarios hasta el aconsejar al propietario de una casa sobre sus problemas de drenaje. Además para ellos es indispensable conocer cuales son los factores que rigen el  régimen  hidrológico, entre ellos los más importantes son: analizar las características físicas, geológicas, topográficas y características climatológicas (Precipitación, Evaporación, Temperatura, Humedad y el Viento). Las 3 últimas intervienen sobre las precipitaciones y la evaporación.  La Hidrosfera

La hidrosfera es el conjunto de las partes líquidas del globo terrestre, que ocupan alrededor de 1.400 millones de kilómetros cúbicos. La inmensa mayoría, en torno a un 97%, se encuentra formando parte de los mares y océanos; un 2% está contenida en los casquetes polares y en los glaciares, alrededor del 0,99% corresponde a aguas subterráneas y apenas un 0,01 % a ríos y lagos. Estas aguas pueden distinguirse en dos grandes categorías: Aguas Marinas Las aguas marinas, o saladas, ocupan tres grandes cuencas oceánicas (atlántica, pacífica e índica), así como otras de tamaño más reducido; las de los mares mediterráneo, Negro y Báltico y las de los denominados mares marginales: el del Norte y el Caribe.

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Es importante señalar que la principal distinción entre mares y océanos, además de las dimensiones (mayores en el caso de los océanos) , radica en la constitución de sus fondos respectivos; el fondo marino está formado por corteza continental, similar a la de los continentes, mientras que el fondo oceánico presenta notables diferencias en cuanto a sus materiales, espesor o particularidades físicas. Aguas Continentales Las aguas continentales son las aguas dulces, llamadas así por su baja concentración de sales minerales. Se encuentran en forma de hielo o nieve o bien y se sitúan sobre tierra emergida (ríos, lagos, glaciares) o bajo la superficie (aguas subterráneas).

Fig. 2.2 Estimación de la distribución del agua global

Fuente de agua

Volumen de agua (mt 3)

Océanos, Mares y Bahías Capas de hielo, Glaciares y Nieves Perpetuas Agua subterránea Dulce Salada Humedad del suelo Lagos Dulce Salada Atmósfera Ríos Total

1,338,000,000 24,064,000 23,400,000 10,530,000 12,870,000 16,500 176,400 91,000 85,400 12,900 2,120 1,386,000,000

Porcentaje de agua dulce -68.7 -30.1 -0.05 -0.26 -0.04 0.006 -

Porcentaje total de agua 96.5 1.74 1.7 0.76 0.94 0.001 0.013 0.007 0.006 0.001 0.0002 100

Tabla 2.1 Distribución aproximada del Agua en el mundo

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Hoya Hidrográfica Corresponde a una unidad definida topográficamente y drenada por un sistema de cauces superficiales, ríos - esteros o quebradas, de tal forma que toda la escorrentía que se genera en la superficie, delimitada por la divisoria de las aguas, se descarga a través de una salida única e identificable, que se conoce como boca de salida. Una cuenca puede estar constituida por varias microcuencas. También se utiliza el concepto de cuenca hidrográfica. Sus características físicas dependen de la morfología, de la capa vegetal, geología del lugar, tipo de suelo, practicas agrícolas, practicas mineras, etc. Las características hidrográficas del país son muy variadas, hay cuencas de todos los tamaños, la mayor es la del río Loa que abarca 33.570 km2. La cuenca como un sistema hidrológico: En una cuenca, considerada como un sistema hidrológico, el movimiento del agua puede representarse como un balance hidrológico a través de la siguiente ecuación: P + Qsa + Qza = E + ET + I + Qse + Qze ± dSL ± dSs ± dSz + dSN donde : P = precipitación media Qsa = caudales superficiales afluentes a la cuenca (naturales o artificiales) Qza = caudales subterráneos afluentes E = evaporación ET = evapotranspiración media I = retención de la precipitación por las plantas (intercepción) Qse = caudales superficiales efluentes a la cuenca Qze = caudales subterráneos efluentes dSL = variaciones en el periodo de los volúmenes de agua almacenada superficialmente (lagos, embalses) dSs = variaciones del volumen de agua almacenada en el suelo dSz = variación del almacenamiento subterráneo de los acuíferos dSN = variación del agua almacenada en nieves y glaciares Las unidades de cada término pueden ser expresadas en altura, mm, o en volumen (m3 / área).

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Fig. 2.4 Cuenca Rio Limarí

 Evaporación

Se define la evaporación como el paso de agua líquida a fase gaseosa, desde agua superficial libre o del suelo. La cantidad de evaporación depende fundamentalmente de los siguientes factores: • •

Disponibilidad de energía (radiación solar) Capacidad de la atmósfera de recibir humedad (poder evaporante de la atmósfera)

Los principales factores que controlan la evaporación son los siguientes: • •

• •

• •

Radiación solar. Es, sin duda, el factor más importante. Temperatura del aire. Cuanto más frío está el aire mayor será la convección térmica hacia el mismo y por tanto menos energía habrá disponible para la evaporación. Por otra parte, cuanto mayor sea la temperatura del aire, mayor es su presión de vapor de saturación. Humedad atmosférica. El aire seco se satura más tarde y tiene menor tensión de vapor (e), por lo que cuanto mayor es la humedad relativa menor será el déficit de saturación (D). Viento. El proceso de la evaporación implica un movimiento neto de agua hacia la atmósfera. Si el proceso perdura, las capas de aire más cercanas a la superficie libre se saturarán. Para que el flujo continúe, debe establecerse un gradiente depresiones de vapor en el aire. Por ello, cuanto mayor sea la renovación del aire, esto es el viento, mayor será la evaporación. Tamaño de la masa de agua Salinidad

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Estimación de la evaporación La evaporación se puede calcular mediante fórmulas empíricas y semi-teóricas, mediante la realización de un balancee energético de la masa de agua o bien aplicando la ecuación de Penman, que es el método más preciso. No obstante, es recomendable utilizar métodos experimentales, a pesar de los inconvenientes que presentan. Las fórmulas empíricas no tienen en cuenta la disponibilidad energética y sólo dan una idea de la capacidad evaporante de la atmósfera, al contrario que el método del balance energético, de difícil aplicación, que ignora el poder evaporante de la atmósfera. La ecuación de Penman tiene en consideración ambas circunstancias y por ello es el método práctico más exacto. Determinación experimental La medida más frecuente de la evaporación se obtiene mediante los denominados tanques de evaporación, que pueden ser enterrados, flotantes y de superficie. Las condiciones de evaporación en los tanques no son las mismas que en una superficie mayor y hay que normalizar las medidas con el denominado coeficiente de tanque (0.7-0.8). Existen otros aparatos para medir la evaporación, como son los evaporímetros, que tienen una cápsula de evaporación y una escala de medida. También se han utilizado las denominadas vidrieras que realmente miden la cantidad de vapor generada aunque presentan la dificultad del efecto invernadero y de la anulación del viento.  Movimiento del agua en el suelo: Permeabilidad e infiltración.

El agua en el suelo se mueve por diversos fenómenos, lo cual hace cambiar el contenido de agua que hay en el suelo. (Gravedad, capilaridad, salinidad). En general los movimientos del agua son los siguientes: 1.- Entrada en el perfil del suelo. 2.- Almacenamiento en la zona explorada por las raíces. 3.- Salida de esta zona por varios procesos: 3.1. Paso de agua a zonas más profundas (drenaje) 3.2. Evaporación en la superficie del suelo, hasta donde el agua asciende por capilaridad. 3.3. Absorción por la planta. La infiltración, es el movimiento del agua desde la superficie del suelo hacia abajo, que tiene lugar después de una lluvia o un riego. La facultad de un suelo para permitir el paso del agua a su través se llama permeabilidad, y depende del número de poros así como de su tamaño y su continuidad. La cantidad de agua que se infiltra en el suelo depende de la velocidad de infiltración, que está íntimamente relacionada con la permeabilidad. Al principio de la lluvia o del riego, el agua penetra con rapidez, pero la permeabilidad disminuye progresivamente a medida que las arcillas se expansionan y taponan parcialmente los poros, hasta que llega un momento en que se estabiliza.

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La medida de la permeabilidad se hace mediante pruebas in situ o empíricamente en función de la textura del suelo. Se expresa en altura de agua en mm o cm que penetra en el suelo durante una hora. Permeabilidad de los suelos según su textura Textura

Permeabilidad mm/h

Arcilloso Arcilloso-limoso Limoso Limo-arenoso Arenoso-limoso Arenoso-franco Arenoso Arenoso-grueso

3,8 5 8,0 10 15 17 19 50

En terreno llano la permeabilidad del suelo coincide con la velocidad de infiltración. En terrenos con pendiente la velocidad de infiltración queda reducida con respecto a la permeabilidad en terrenos mas llanos. Factores que intervienen en la capacidad de infiltración • • • • •

Humedad del suelo (lluvias anteriores) Cubiertas vegetales Tº del suelo y condiciones de contorno Tipo de suelo (tamaño de granos) Permeabilidad del suelo

Medida de la velocidad de infiltración. En casi todos los métodos de riego, la velocidad de infiltración determina el tiempo de riego y el diseño del sistema en cuanto al tamaño de las unidades operativas de riego y los caudales a utilizar. Por tanto, para el manejo eficiente del suelo y del agua se requiere un conocimiento detallado del proceso de infiltración. Los procedimientos más usuales para medir la velocidad de infiltración son: el cilindro infiltrómetro y el surco infiltrómetro.

Fig. 2.5 Cilindro Infiltrometro

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3. CANALES ABIERTOS La idea de conocer el tópico de canales abiertos es el poder diseñar una canal para poder evacuar toda el agua contenida en la mina. Para la realización de un canal necesito conocer los siguientes conceptos básicos:

1) Radio Hidráulico (Rh)  Rh =

 A Wp

 A = area del canal

Área del canal

Wp = perimetro mojado

Perímetro Mojado

2) Velocidad de sedimentación (Vs) Si Vf (velocidad el fluido) < Vs, se sedimentaran las partículas obstruyendo el canal, lo que trae consecuencias a veces desastrosas ya que las partículas se posicionan en la parte basal del canal obstruyendo el libre paso del fluido impidiendo un buen drenaje de la mina.

3) Nº de Reynolds Nos sirve para determinar si el flujo es laminar o turbulento, que es muy importante en la sedimentación de partículas, ya que esto afecta en la erosión del canal abierto.

Re =

v ⋅ D

η 

v=

velocidad fluido D = diametro ducto η  = viscocidad Si Re < 2000 flujo laminar Si Re > 4000 flujo turbulento

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 Apuntes Servicios Generales Mina Velocidad Fluido

V  =

1 n

⋅ Rh 2 / 3 ⋅ S 1 / 2

S = pendiente (tanto por uno) n = nº de maning (adimensional) Tiene que ver con el material del canal Rh = radio hidráulico en mts. Si n = 0.01 (superficies lisas) Si n = 0.1 (tierra)  Descarga Normal (Q)

Q =  A ⋅ V  =

1 n

⋅ Rh 2 / 3 ⋅ S 1 / 2 A

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4. BOMBAS  4.1 Selección y aplicación de bombas

Cuando se selecciona una bomba para una aplicación particular, se deben considerar los siguientes factores:

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

La naturaleza del liquido que se va a bombear La capacidad requerida (velocidad de flujo de volumen) Las condiciones en el lado de la succión (entrada) de la bomba La condiciones en el lado de la descarga (salida) de la bomba La cabeza total de la bomba (el termino ha de la ecuación de la energía) El tipo de sistema al que la bomba esta entregando el fluido El tipo de fuente de alimentación (motor eléctrico, motor diesel, etc.) Limitaciones de espacio, peso y posición Condiciones ambientales Costo de la bomba y de su instalación Costo de la operación de la bomba Códigos y estándares que rigen a las bombas

 Después de la selección de la bomba, bomba, se deben especificar los los sgtes puntos:

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Tipo de bomba y fabricante Tamaño de la bomba Tamaño de la conexión de la succión y tipo Tamaño y tipo de la conexión a descarga Velocidad de operación Especificaciones de la alimentación Tipo de acoplamiento, fabricante, numero del modelo Características del montaje Materiales y accesorios especiales que se requieran si los hay Diseño del sellado de la fecha y materiales de sellado

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 4.2 Tipos de Bombas SUCCION

 INUNDACION

 4.3 Clasificación de las bombas

BOMBAS Desplazamiento Positi Positivo vo DP DP Reciprocantes (pistón)

Cinéticas Flujo radial centri ntriffu as

Rotatorias Pistón

Engranaje

Inmersión

Paletas

Diafragma

Tornillo

Flujo axial im ulsión

Flujo mixto

Cavidad ro resi resiva va Lóbulo o alabe (mar (marii osa) osa)

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 Apuntes Servicios Servicios Generales Generales Mina  4.4  Altura neta de Succión Positiva (NPSH) (NPSH)

Es la altura dinámica dinámica disponible o requerida requerida para forzar un caudal caudal determinado. Se expresa frecuentemente en metros o pies, y depende del diseño de la bomba. bomba. Corresponde a la energía que necesita una bomba para no cavitar. La presión con que inicia su movimiento movimiento el agua, antes de entrar a la bomba, es la atmosférica, y conocemos que al someter a un fluido a presiones menores que la atmosférica, el líquido líquido tiende a hervir. Precisamente, en una tubería tubería esto ocurre al momento momento que el equipo aspira el agua, ya que se debe desarrollar desarrollar una presión menor a la atmosférica. atmosférica. En esa condición, se producirán zonas zonas de baja presión que pueden producir producir burbujas de vapor (de baja presión), las que al ser arrastradas arrastradas a zonas de mayor mayor presión interna seguramente seguramente colapsarán. Este fenómeno se llama cavitación. El proceso al repetirse con alta frecuencia en la superficie superficie metálica de la bomba, libera una una gran cantidad de energía energía y producirá algunas algunas “caries” en el metal. Esto debe se evitado. Cuando la altura neta de succión positiva evita la cavitación  evitará también la producción de burbujas. Los fabricantes de los equipos equipos de bombas, mediante pruebas de laboratorio, laboratorio, establecen el valor mínimo requerido de la altura neta de succión positiva (NPSH) Para determinar su valor y compararlo con el valor recomendado por el fabricante tenemos

NPSH = Ha - Hvp - Hf +- Hst Donde: Ha es la presión absoluta en mt Hst es la distancia desde el nivel del fluido hasta la bomba en mt Hf  las  las pérdidas de carga en el tubo de succiónen succión en mt Hvp es la presión de vapor del líquido T° trabajo Si este mínimo de energía no está presente en el líquido en la succión de entrada de la bomba, al moverse el fluido hacia el centro del impulsor este vaporizará, produciendo cavitación que físicamente destruirá la bomba.

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Existen 4 casos en que nos podemos ver expuestos y vale la pena mencionarlos:

 Bomba de succión con sistema abierto a la atmósfera

 Bomba de succión con sistema cerrado.

 Bomba de inundación con sistema abierto a la atmósfera

 Bomba de inundación con sistema cerrado.

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 Apuntes Servicios Generales Mina •

Si se trabaja con bombas reciprocantes, se tiene que adherir el termino Ha`, que depende de los sgtes parámetros:

 Ha`=

 L ⋅ V  ⋅ C ⋅ n K ⋅ g

Donde:

L = largo línea de succión (ft) V = velocidad flujo en línea (ft/seg.) n = RPM c = cte tipo de bomba k = tipo de fluido

c=

k=

0.2 0.115 0.066 0.04 0.028 0.022

bomba duplex simple efecto bomba duplex doble efecto bomba triplex simple y/o doble efecto bomba quintuplex bomba séxtuples bomba nonuplex

2.5 2 1.5 1.4 1

aceite hidrocarburos agua aguas servidas urea y líquidos con gas

Por lo tanto el NPSH en este caso seria:

NPSH = (Ha + Ha`) – Hvp – Hf +- Hst

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 Apuntes Servicios Generales Mina  4.5  Potencia de una bomba

La energía que entrega la bomba al fluido se conoce como potencia. De este modo, la potencia en el eje de la bomba, considerando su eficiencia, es aquella que corresponde para elevar una determinada masa de agua por unidad de tiempo, comunicándole una cierta presión al fluido para vencer la carga magnética. Se puede determinar a partir de:

 HP =

Q * H dt 

75 * Eb * Em

o bien KW  =

Q * H dt 

102 * Eb * Em

Donde:

HP es la potencia consumida por la bomba (o potencia en el eje de la bomba), (HP), KW es la potencia consumida por la bomba (o potencia en el eje de la bomba), (KW) Q es el caudal elevado (l/s) Hdt es la altura dinámica total (m), Eb es la eficiencia de la bomba, 0 < Eb < 1 Em es la eficiencia de la motor, 0 < Em < 1 Nota 1 HP = 0.745 Kilowatts.

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4.6 Curvas características Las curvas características de las bombas son relaciones gráficas entre la carga, el gasto, potencial y rendimiento. Excepto cuando se trata de bombas de muy pequeño tamaño, es indispensable conocer las curvas características antes de adquirir una bomba, ya que sólo así se podrá saber el comportamiento de ellas instaladas en un determinado sistema hidráulico. Estas curvas son entregadas por los fabricantes. Cada bomba está diseñada para condiciones determinadas respecto a caudal, altura de elevación, potencia y velocidad o revoluciones del rodete, que es un aparato que hace girar el fluido otorgándole velocidad y presión.

Figura Nº1

Gráficamente se puede operar con la Figura 1 a modo de ejemplo, conociendo el caudal a transportar y la altura manométrica a vencer. De esta manera es posible conocer la potencia consumida, la eficiencia a la cual estará operando el sistema y el diámetro del rodete de la bomba.

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Para operar con estas curvas, se deben seguir las siguientes etapas: 1. En los ejes horizontales de la figura, ubicar el caudal a impulsar en lt/s o lt/min. Para la curva de la figura 1 se trabajará con los datos de un caudal de 150 lt/min o 2.5 lt/seg. 2. En el eje vertical del gráfico, ubicar la altura manométrica total que para este caso es de 30.71 m. 3. Desde los valores anteriormente citados, proyectar una línea vertical, para el caso del caudal y una línea horizontal, para el caso de la altura manométrica, tal como se indica en la figura 1. 4. El punto de intersección de ambas líneas se desplaza hacia arriba, hasta tocar con la curva de diámetro de rodete más cercana, en el caso del ejemplo, 160 mm. 5. La ubicación del punto anterior, indicará la eficiencia a la cual operará el sistema; en el caso del ejemplo aproximadamente 80%. 6. Para obtener la potencia que consumirá el sistema, se prolonga una línea vertical desde el valor de caudal determinado, hacia el gráfico inferior de la figura, hasta interceptar la curva de igual diámetro de rodete, tal como lo indica la figura 3. 7. Desde ese punto se prolonga una línea horizontal hasta el eje vertical del gráfico, el cual indicará la potencia que consumirá el sistema, que para el ejemplo será de 2.6 HP (1.9 KW). 8. Es conveniente señalar, que en el caso de vaciarse la tubería al detener la bomba, para llenar la tubería nuevamente, sin provocar un sobre calentamiento de la bomba, se debe elegir una de mayor potencia, manteniendo el mismo diámetro de rodete. En el caso del ejemplo, la bomba elegida es de 3 HP. Se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones: •

•

Si al seleccionar un tipo de bomba desde un catálogo, los valores de caudal que entrega esa bomba no satisfacen la altura manométrica necesaria, se debe descartar esa bomba y buscar otro tipo. Si se satisfacen los requerimientos de caudal y altura manométrica, pero los valores de eficiencia son muy bajos, se debe descartar esa bomba y buscar una que entregue un valor de eficiencia mayor.

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5. ENERGÍA Existen diversas formas de producir energía, dentro de las cuales en minería las más usadas son la energía eléctrica, neumática, diesel (MCI), gas y carbón. En términos de la energía eléctrica, en las líneas de una mina debe haber 6 veces lo consumido. Corriente eléctrica Existen 2 tipos de corriente eléctrica, corriente continua y corriente alterna. La diferencia fundamental entre ambas es que en la primera, el flujo no tiene ningún pulso mientras que en la última si tiene pulsos y es la que encontramos en nuestras casas.

CORRIENTE CONTINUA

CORRIENTE ALTERNA

Ley de Ohm

V  =  R ⋅ Z 

V  =  R ⋅ I 

Donde: Z = impedancia

Donde: V = voltaje (volts) R = resistencia (ohm) I = intensidad de corriente (Ampere)

Aca vemos que la intensidad de corriente es afectada por: • • • • •

Además tenemos que:  R =

ρ  ⋅ L

Resistencia Frecuencia angular Inductancia Capacitancia Frecuencia

 A

Donde:

Como es común trabajar con corriente trifásica, la forma de obtenerla es:

ρ = resistividad conductor (ohm*mt) L = largo conductor A = área en mm2

 I  =

Otro termino que debemos introducir es el de potencia la cual esta definida por el gasto energético por trabajo realizado y obedece a la siguiente ecuación: P =  R ⋅ I 2 o P =

2

V 

P

3 ⋅ V  ⋅ cos(ϕ )

Donde:

0.8 < cos(ϕ ) < 0.85 Vmedio = 380

= Vc = 0.71 * Vmax

 R

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 Apuntes Servicios Generales Mina ¿Qué son o como son las conexiones de motores trifásicos y como pueden estar conectadas en serie o en paralelo?

Las conexiones de motores trifásicos se deben a que dentro de estos motores la idea es romper el magnetismo de los embobinados los cuales son alimentados por medio de los diferentes tipos de conexiones. Lo de las conexiones tiene que ver con el voltaje nominal de los bobinados internos del motor. Cada bobina interna del motor trifásico trabaja a 220 volts. Para conectar un motor a 220v necesitamos realizar una conexión en paralelo, y para un voltaje mayor realizar la conexión en estrella (440v). Esta diferencia de conexiones tiene en su propósito el mejor uso del voltaje.  5.1 Tipos de conexiones

•

Estrella o o o

•

Mayor consumo en voltaje Los terminales de cada bobina concurren en el mismo punto Conexión en paralelo

Triangulo o Mayor intensidad de corriente o Conexión en serie

Para determinar la potencia monofásica y trifásica tenemos que: P = V  ⋅ I  P I  = P III  =

1 ⋅ V  ⋅ I  3 ⋅ V  ⋅ I ⋅ cos(ϕ ) 57

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6. AIRE COMPRIMIDO 6.1  Procesos termodinámicos

En general un proceso termodinámico es aquel en el que hay cambios en el estado del sistema, (sistema termodinámico). En un principio podríamos representar la relación P,V,T gráficamente como una superficie en un espacio tridimensional con las coordenadas P,V y T.

La representación anterior ayuda a entender el comportamiento global de una sustancia, pero las gráficas bidimensionales ordinarias suelen ser más útiles. Una de las más útiles es un juego de curvas en función del volumen cada una para una temperatura constante dada, a esta gráfica se le llama gráfica PV.

Algunos procesos termodinámicos importantes son: • • •

Proceso isocórico: volumen constante; W = 0 Proceso isobárico: presión constante; W = p (V2 – V1) Proceso isotérmico:  temperatura constante

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Trabajo Ideal (isotérmico)  P2    P   1  

τ  = P1 ⋅ V 1 ⋅ ln

Trabajo Real (isentrópico) n −1   n     n P τ  = ⋅ P1 ⋅ V 1 ⋅  2  − 1  P1   n −1  

Donde: n = razón de compresión entre V constante y P constante.  cv  n =    cp  Aire seco → n = 1.3 (aire seco) Aire húmedo → n = 1.4 (aire normal)

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 Apuntes Servicios Generales Mina 6.2  Etapas de compresión

En teoría, el aire o gas, puede comprimirse isentropicamente (a entropía constante) o isotermicamente (a temperatura constante). Cualquiera de estos procesos puede ser parte de un ciclo teórico reversible. Si el aire comprimido o gas, fuera utilizado a su temperatura de compresión, el proceso isentrópico, en algunos casos, podría tener algunas ventajas. En realidad, el aire o gas, no se utiliza generalmente de inmediato, sino que pasa a un depósito, en el que se enfría a una temperatura próxima a la del ambiente. El proceso isotérmico, que requiere menos trabajo, es por consiguiente preferible, y la compresión se aproxima prácticamente a este proceso, cuando se enfría el aire o gas. A una presión de trabajo efectiva de 7 bar se precisa, teóricamente, un 37% mas de potencia, para la compresión isentrópica, que para la isotérmica. Este hecho indica, la importancia que tiene la refrigeración efectiva durante la compresión. Un método grafico de reducir las perdidas de potencia, originadas por el aumento de temperatura, es el de comprimir el aire o gas, a una presión inferior a la presión final, disipar la mayor cantidad de calor, y comprimir después hasta esa presión final. Este fenómeno se conoce con el nombre de compresión multi-etapas. Esta incrementa también el rendimiento volumétrico, supuesto que la relación de presión, disminuye en la primera etapa. Con una refrigeración intermedia adecuada, se obtiene un consumo de potencia mínimo, cuando las relaciones de presión ínter etapas son semejantes. Aumentado el número de etapas, la compresión se aproxima a la isotérmica. Por una parte, el rendimiento de la compresión se incrementa, pero por otra el compresor se hace más caro y complicado. Para cada nivel de presión hay un numero optimo de etapas, que dependerá de la utilización que se de al compresor.

Fig. 6.2 El diagrama indicado corresponde a un compresor de dos etapas, y en ella los diagramas independientes de cada cilindro son estudiados como si fueran de un compresor de una etapa. El aire aspirado en A es comprimido en el cilindro de baja presión (I), y a su salida pasa por el refrigerador intermedio en donde recupera su temperatura inicial. La segunda etapa comienza en B: el aire recibido del cilindro de baja presión es vuelto a comprimir en el cilindro del alta (II) hasta la presión final de descarga. El área rayada corresponde a un trabajo perdido que se realiza dos veces sobre el aire, en la expulsión del cilindro de baja presión y en la compresión del cilindro de alta presión. De la observación del gráfico se deduce que, para compresores de una etapa, o de dos etapas pero en la primera fase de compresión, la curva de compresión está siempre comprendida entre la isotérmica y la adiabática teóricas, pero aproximándose más a la segunda que a la primera, lo que refleja un proceso politrópico en donde PV n = Constante.

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 Apuntes Servicios Generales Mina 6.3  Rendimiento Volumétrico

La pérdida volumétrica es inevitable, puesto que no es posible descargar la totalidad del aire comprimido del cilindro al final de la carrera de compresión: queda algo de espacio, el llamado “volumen muerto“. La pérdida térmica se produce debido al hecho de que durante la compresión el aire adquiere una temperatura muy elevada, por lo tanto su volumen aumenta y disminuye cuando se enfría a temperatura ambiente. El Rendimiento volumétrico conceptualmente representa lo siguiente:

expresado como porcentaje, se conoce como rendimiento volumétrico y varía según el tamaño, tipo y fabricación de la máquina, número de etapas y presión final. El rendimiento volumétrico de un compresor de dos etapas es inferior a la del compresor de una sola etapa, puesto que tanto los cilindros de la primera como los de la segunda etapa, tienen volúmenes muertos. 6.4  Rendimientos térmico y global

Aparte de las pérdidas descritas anteriormente, existen también efectos térmicos que bajan el rendimiento de la compresión del aire. Estas pérdidas reducen aún más el rendimiento global dependiente del coeficiente de compresión y de la carga. Un compresor, que trabaja a capacidad casi total, acumula una gran cantidad de calor y pierde rendimiento. En un compresor de dos etapas, el coeficiente de compresión por etapa es inferior y el aire, comprimido parcialmente en el cilindro de primera etapa, se enfría en un refrigerador intermedio antes de ser comprimido a la presión final en el cilindro de segunda etapa.

Ejemplo: Si se comprime el aire atmosférico absorbido por un cilindro de la primera etapa a un tercio de su volumen, la presión absoluta a la salida es de 3 bares. El calor desarrollado por esta compresión relativamente baja es consiguientemente bajo. El aire comprimido pasa al cilindro de segunda etapa, a través del refrigerador intermedio, y nuevamente su volumen se reduce a un tercio. La presión final es entonces de 9 bares abs. El calor desarrollado al comprimir el mismo volumen de aire en una sola compresión, directamente de la presión atmosférica a 9 bares abs., sería mucho más elevado y se reduciría considerablemente el rendimiento global. El diagrama de la figura 6.4 compara los rendimientos globales típicos de compresores de una y dos etapas, para varias presiones finales.

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Para presiones finales bajas, es mejor un compresor de una etapa, puesto que su rendimiento volumétrico es más elevado. Sin embargo, con una presión final en aumento, las pérdidas térmicas son cada vez más importantes y son preferibles los compresores de dos etapas, con un rendimiento térmico más elevado.

Figura 6.4 Diagrama del rendimiento global

El consumo específico de energía es una medida del rendimiento global y se puede utilizar para estimar el costo de producción del aire comprimido. Como promedio, se puede estimar que se necesita un kW de energía eléctrica para producir 120-150 l/min. ( = 0.12 ... 0.15 m3n/min/kW ) para una presión de trabajo de 7 bares. Las cifras exactas deben de establecerse según el tipo y el tamaño del compresor. 6.5 Calculo de las necesidades de aire comprimido

Tipo de Equipo (LABOR) Desarrollo Perforación Carguio, etc..

Consumo de cada presión de equipo a presión Trabajo de trabajo Ci Pi … ...

Nº de Equipos N …

Consumo aparente Ci*N ... ..

Una vez ingresado los datos a la tabla se calcula un total de consumo aparente que seria la suma de todos los consumos parciales. Si bien es cierto ese es un consumo real por equipo, el consumo real aparente viene dado por la multiplicación de constantes que dependen del estado mecánico de los equipos, grado de utilización de los equipos, estado mecánico de la red y corrección por presión.

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Finalmente la tabla queda así: Labor

Ci

Pi

N

K1 K2 TABLA 1.05

K3 K4 TABLA 1.1 a 1.25

QRA

K1 = corrección por presión K2 = corrección por estado mecánico de los equipos K3 = grado de utilización de los equipos K4 = estado mecánico de la red de distribución Las constantes K1 y K3 se obtiene de la siguiente tabla: Corrección por presión (K1)

Presión Kg/cm^2 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8

K1 W/D´´ 70 78 85 92 100 107 115

0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4

Grado de Utilización de los equipos (K3)

N° Equipos 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

60% 1 0,99 0,83 0,76 0,7 0,65 0,62 0,6 0,58 0,56

70% 1 0,93 0,87 0,82 0,78 0,75 0,72 0,7 0,68 0,66

80% 1 0,95 0,91 0,88 0,86 0,84 0,82 0,8 0,78 0,77

90% 1 0,97 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,9 0,89 0,88

Por ultimo introducimos el factor de reducción (FR) que también es un concepto necesario para acercarse al valor real de las necesidades de aire comprimido. Este depende principalmente de variables climáticas, tales como la presión y la temperatura, sin embargo su valor esta tabulado. El valor final del caudal necesario esta definido entonces por la expresión: QTOTAL =

∑Q

 RA

FR

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7. COMPRESORES Un compresor es una máquina que eleva la presión de un gas, un vapor o una mezcla de gases y vapores. La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen específico del mismo durante su paso a través del compresor. Comparados con turbo soplantes y ventiladores centrífugos o de circulación axial, en cuanto a la presión de salida, los compresores se clasifican generalmente como maquinas de alta presión, mientras que los ventiladores y soplantes se consideran de baja presión. Los compresores se emplean para aumentar la presión de una gran variedad de gases y vapores para un gran número de aplicaciones. Un caso común es el compresor de aire, que suministra aire a elevada presión para transporte, pintura a pistola, inflamiento de neumáticos, limpieza, herramientas neumáticas y perforadoras. Otro es el compresor de refrigeración, empleado para comprimir el gas del vaporizador. Otras aplicaciones abarcan procesos químicos, conducción de gases, turbinas de gas y construcción. 7.1  Estructura de los compresores

Los elementos principales de esta estructura son: motor, cuerpo, tapas, enfriador y árboles. El cuerpo y las tapas del compresor se enfrían por el agua. Los elementos constructivos tienen ciertas particularidades. Para disminuir las perdidas de energía de la fricción mecánica de los extremos de las placas contra el cuerpo en este se colocan dos anillos de descarga que giran libremente en el cuerpo. A la superficie exterior de estos se envía lubricación. Al girar el motor los extremos de las placas se apoyan en el anillo de descarga y se deslizan parcialmente por la superficie interior de estos; los anillos de descarga giran simultáneamente en el cuerpo. 7.2 Clasificación de los compresores

Es posible la división de los compresores en grupos de acuerdo con el género de gas que se desplaza, del tipo de transmisión y de la destinación del compresor. Estos al igual que las bombas pueden clasificarse en dos grupos: • •

Compresores de desplazamiento positivo Compresores de desplazamiento no positivo (dinámicos)

DESCRIPCIÓN DE COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Compresor alternativo o de embolo

El compresor de embolo, de vaivén o de movimiento alternativo, es una maquina de desplazamiento positivo que aumenta la presión de un volumen determinado de gas mediante la reducción de su volumen inicial. La compresión se verifica por el movimiento de vaivén de un embolo encerrado en un cilindro. El proceso de compresión puede verificarse en una sola etapa termodinámica (compresión de una fase) o dividirse en varias etapas con enfriamiento intermedio del gas (compresión de varias etapas o multigradual). La compresión multigradual requiere una maquina más costosa que la compresión unifase, pero se utiliza con más frecuencia por varias razones: menor consumo de energía, menor elevación de temperatura del gas dentro del cilindro y menor diámetro del cilindro.

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 Apuntes Servicios Generales Mina Compresor rotatorio

Se denominan compresores rotatorios a aquellos grupos que producen aire comprimido por un sistema rotatorio y continuo, es decir, que empujan el aire desde la aspiración hacia la salida, comprimiéndolo. DESCRIPCIÓN DE COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO (DINAMICOS) Compresor centrifugo

El principio de funcionamiento de un compresor centrífugo es el mismo que el de una bomba centrífuga, su diferencial principal es que el aire o el gas manejado en un compresor es compresible, mientras que los líquidos con los que trabaja una bomba, son prácticamente incompresibles. Los compresores centrífugos pueden desarrollar una presión en su interior, que depende de la naturaleza y las condiciones del gas que manejan y es virtualmente independiente de la carga del procesamiento. Las condiciones que es preciso tomar en cuenta son: La compresión de un gas en un compresor centrífugo requiere con frecuencia un medio de ocluir el gas para evitar su fuga a la atmósfera o su contaminación. Existen varios tipos de oclusores: a) el de cierre mecánico con anillo de carbón b) el gas inerte c) el directo de aceite en el cojinete del compresor y los de gasto de aceite Los compresores centrífugos se utilizan para una gran variedad de servicios, incluyendo        

enfriamiento y desecación, suministro de aire de combustión a hornos y calderas, sopladores de altos hornos, cúpulas y convertidores, transporte de materiales sólidos, procesos de flotación, agitación y aireación, ventilación, como eliminadores y para comprimir gases o vapor

Compresor Axial

En los compresores de este tipo, la corriente de aire fluye en dirección axial, a través de una serie de paletas giratorias de un motor y de los fijos de un estator, que están concéntricos respecto al eje de rotación. A diferencia de la turbina, que también emplea las paletas de un motor y los de un estator, el recorrido de la corriente de un compresor axial va disminuyendo de área de su sección transversal, en la dirección de la corriente en proporción a la reducción de volumen del aire según progresa la compresión de escalón a escalón. Una vez suministrado el aire al compresor por el conducto de admisión, pasa la corriente a través de un juego de paletas directores de entrara, que preparan la corriente para el primer escalón de del compresor. Al entrar en el grupo de paletas giratorios, la corriente de aire, que tiene una dirección general axial se defecta en la dirección de la rotación. Este cambio de dirección de la corriente viene acompañado de una disminución de la velocidad, con la consiguiente elevación de presión por efecto de difusión.

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 Apuntes Servicios Generales Mina 7.3 Ventajas y Desventajas de los Compresores

Compresores Alternativos El uso de lubricantes en los compresores alternativos el causante de sus principales ventajas y desventajas. Un compresor lubricado durara mas que uno que no lo esta. Hay que tener cuidado de no lubricar en exceso, porque la carbonización del aceite en las válvulas puede ocasionar adherencias y sobrecalentamiento. Los problemas más grandes en los compresores con cilindro lubricado son la suciedad y la humedad, pues destruyen la película de aceite dentro del cilindro. En los compresores sin lubricación la suciedad suele ser el problema mas serio, y hay otros problemas que puede ocasionar el gas en si. Por ejemplo, un gas absolutamente seco puede ocasionar un severo desgaste de los anillos. Compresores Rotatorios El diseño de anillo de agua tiene la ventaja de que el gas no hace contacto con las partes rotatorias metálicas. Los aspectos críticos son la presión de vapor del gas de entrada, comparada con la presión de vapor del líquido que forma el anillo de agua y el aumento de temperatura en el mismo. La presión de vapor del fluido para sellos debe ser muy inferior al punto de ebullición, porque de otra forma se evaporara el anillo de agua, ocasionara perdida de capacidad y quizás serios daños por sobrecalentamiento. Compresores Centrífugos Ventajas: 1. En el intervalo de 2.000 a 200.000 ft3/min., y según sea la relación de presión, este compresor es económico porque se puede instalar en una sola unidad. 2. Ofrece una variación bastante amplia en el flujo con un cambio pequeño en la carga. 3. La ausencia de piezas rozantes en la corriente de compresión permite trabajar un largo tiempo entre intervalos de mantenimiento, siempre y cuando los sistemas auxiliares de aceites lubricantes y aceites de sellos estén correctos. 4. Se pueden obtener grandes volúmenes en un lugar de tamaño pequeño. Esto puede ser una ventaja cuando el terreno es muy costoso. 5. Su característica es un flujo suave y libre de pulsaciones. Desventajas: 1. Los compresores centrífugos son sensibles al peso molecular del gas que se comprime. Los cambios imprevistos en el peso molecular pueden hacer que las presiones de descarga sean muy altas o muy bajas. 2. Se necesitan velocidades muy altas en las puntas para producir la presión. Con la tendencia a reducir el tamaño y a aumentar el flujo, hay que tener mucho más cuidado al balancear los motores y con los materiales empleados en componentes sometidos a grandes esfuerzos. 3. Un aumento pequeño en la caída de presión en el sistema de proceso puede ocasionar reducciones muy grandes en el volumen del compresor. 4. Se requiere un complicado sistema para aceite lubricante y aceite para sellos.

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Compresores Axiales La alta eficiencia y la capacidad mas elevada son las únicas ventajas importantes que tienen los compresores de flujo axial sobre las maquinas centrífugas, para las instalaciones estacionarias. Su tamaño y su peso menores no tienen mucha valor, tomando en cuenta, sobre todo, el hecho de que los precios son comparables a los de las maquinas centrífugas diseñadas para las mismas condiciones. Las desventajas incluyen una gama operacional limitada, mayor vulnerabilidad a la corrosión y la erosión y propensión a las deposiciones. Cabe destacar que en todo equipo que utilice energía neumática como abastecimiento, del 100% de la energía que ingresa al motor, alrededor de un 94 a 96% se pierde en forma de calor en el compresor y un 4 a 6% se utiliza en energía neumática. 7.4 Clasificación General de los Compresores

COMPRESORES

DINAMICOS EYECTOR

RADIAL (CENTRIFUGO)

DESPLAZAMIENTO AXIAL

ROTATIVO

ALTERNATIVO

1 MOTOR

ENTRONCADO PALETAS

CRUCETA

ANILLO LÍQUIDO

LABERINTO

TORNILLO

DIAFRAGMA

2 MOTORES TORNILLO ROOTS

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8. VENTILADORES 8.1  Leyes de los Ventiladores

Todos los ventiladores funcionan de acuerdo a ciertas reglas y que son válidas para todo tipo de ventiladores. •

Cuando variamos la velocidad de rotación del ventilador, manteniendo la resistencia del circuito y la densidad del aire.

a. La capacidad varía directamente: Q2 = Q1 * (RPM2 / RPM1) b. La presión varía con el cuadrado de la razón de cambio de la velocidad de rotación: PS2 = PS1 * (RPM2 / RPM1)2 c. La potencia varía con el cubo de la razón de cambio de velocidad de rotación, es decir: BHP2 = BHP1 * (RPM2 / RPM1)3

•

Cuando por alguna obstrucción en el sistema o por cambios en el circuito cambia la presión estática manteniéndose la densidad del aire:

a. La capacidad varía con la raíz cuadrada de la razón de cambio de presión: Q2 = Q1 * (PS1 / PS2)1/2 b. La potencia varía como: BHP2 = BHP1 * (PS1 / PS2)3/2

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 Apuntes Servicios Generales Mina •

Cuando cambia la densidad del aire, como por ejemplo el traslado de un ventilador a un nivel más bajo o viceversa, manteniendo sus RPM:

a. La capacidad permanece constante: Q1 = Q2 b. La presión y la potencia varían directamente con la densidad: PS2 = PS1 * (d2 / d1) y BHP2 = BHP1 * (d2 /d1)

Observación: Estos datos o reglas son importantes cuando se selecciona un ventilador a partir de sus datos de catálogos, que se especifican bajo condiciones estándar (a nivel del mar).

8.2 Selección de un Ventilador

Como datos básicos requeridos para seleccionar ventiladores auxiliares, se debe tener a lo menos lo siguiente: • • • • •

Caudal (Q) en pie3 /min o m3 /seg Presión Estática (Ps), en pulg. de H2O o mm H2O. Diámetro máximo del ventilador, en pulg. o mm. Densidad del aire o altura de la faena sobre el nivel del mar. Energía disponible (ciclaje - volyage).

•

La alimentación de energía eléctrica para ventiladores auxiliares trifásicos puede ser :

En 50 Hz con voltajes de 575 - 460 o 380 V. En 60 Hz con voltajes de 600 - 480 - 360 Volts. •

Conexión usada normalmente es estrella - triángulo por las ventajas para la partida del ventilador.

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