Libro Ventilacion de Minas

VENTILACIÓN DE MINAS

Gijón , 12 de Marzo de 2010

VENTILACION DE MINAS

TECNOLOGÍA DE LOS VENTILADORES ___________________________________ 5 1 INTRODUCCIÓN _____________________________________________________ 6 2 VENTILADOR. CLASIFICACIÓN. FUNDAMENTOS ______________________ 7 2.1 2.2 2.3 2.4

Definición. Descripción de los parámetros principales de funcionamiento ______________ 7 Clasificación de los ventiladores ______________________________________________ 7 Comparativa de ventiladores axiales frente a ventilador centrífugos. _________________ 10 Tipos de configuraciones de un ventilador______________________________________ 11

3 VENTILADORES AXIALES. COMPONENTES __________________________ 14 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Perfil aerodinámico del álabe________________________________________________ Cómo se produce presión en ventiladores ______________________________________ Número de álabes_________________________________________________________ Diámetro del rodete _______________________________________________________ Velocidad de giro del motor_________________________________________________ Diámetro del cubo ________________________________________________________

15 17 18 18 18 19

4 EL VENTILADOR AXIAL Y SUS ACCESORIOS MAS FRECUENTES. ______ 20 4.1 Ventilador ______________________________________________________________ 20 4.2 Accesorios ______________________________________________________________ 24

5 CURVA CARACTERÍSTICA DEL VENTILADOR. _______________________ 29 5.1 5.2 5.3 5.4

Acoplamiento de ventiladores _______________________________________________ Fenómeno de Bombeo _____________________________________________________ Trabajo en conjunto de ventilador y del tiro natural ______________________________ Regulación del rodete del ventilador __________________________________________

30 31 38 39

6 MANTENIMIENTO DE LOS VENTILADORES __________________________ 42 6.1 Introducción al mantenimiento_______________________________________________ 6.2 Trabajos de mantenimiento _________________________________________________ 6.2.1 Control de vibraciones _____________________________________________________ 6.2.2 Control de Rodamientos____________________________________________________ 6.2.3 Inspección del rotor _______________________________________________________ 6.2.4 Emplazamiento. Resistencias de Caldeo. _______________________________________ 6.2.5 Conexión eléctrica ________________________________________________________ 6.3 Revisiones de seguridad necesarias ___________________________________________ 6.3.1 Cada 2 meses ____________________________________________________________ 6.3.2 Cada 6 meses ____________________________________________________________ 6.3.3 Cada 12 meses ___________________________________________________________ 6.4 Puesta en funcionamiento __________________________________________________ 6.5 Transporte y manipulación__________________________________________________ 6.6 Almacenaje y tiempos de parada / Mantenimiento _______________________________ 6.7 Desmontaje y reinstalación de equipos de ventilación_____________________________ 6.8 Instalación y montaje mecánico ______________________________________________

42 43 44 45 46 46 47 49 49 49 50 51 52 54 55 55

VENTILACIÓN PRINCIPAL _____________________________________________ 57 1 INTRODUCCIÓN ____________________________________________________ 58 1.1 La atmósfera de la mina ____________________________________________________ 1.2 Reglamentación y límites___________________________________________________ 1.2.1 Concentraciones límites de gases_____________________________________________ 1.2.2 Definición de índices de peligrosidad de los gases _______________________________ 1.3 Objetivo de la ventilación __________________________________________________

59 61 61 62 64

2 CONCEPTO DE RESISTENCIA AERODINÁMICA _______________________ 65 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Expresión general de la resistencia de una galería ________________________________ Resistencia de galerías (Valores del coeficiente de frotamiento)_____________________ Galerías con obstáculos ____________________________________________________ Resistencia adicional debida a las tuberías______________________________________ Resistencia de las cintas transportadoras _______________________________________

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VENTILACION DE MINAS 2.6 Resistencias locales _______________________________________________________ 70

3 UNIDADES DE RESISTENCIA _________________________________________ 71 3.1 Orificio Equivalente _______________________________________________________ 74

4 PLANIFICACIÓN DE LA VENTILACIÓN _______________________________ 75 4.1 Áreas de estudio __________________________________________________________ 4.2 Ventiladores _____________________________________________________________ 4.3 Circuito de aire___________________________________________________________ 4.4 Cantidad de aire necesario __________________________________________________ 4.5 Velocidades de aire _______________________________________________________ 4.1.1 Velocidades mínimas ______________________________________________________ 4.1.2 Velocidades máximas______________________________________________________

77 77 78 78 79 79 80

5 CAMPAÑA DE MEDICIONES. ANALISIS _______________________________ 81 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8

El control de la ventilación en las minas _______________________________________ Las mediciones de la ventilación _____________________________________________ Los Ingenieros de ventilación de las zonas _____________________________________ Servicio de ventilación en las minas __________________________________________ Medición de caudal de aire _________________________________________________ Sondas de medida. Tubo de Pitot _____________________________________________ Medida de la superficie de los cortes transversales a las galerías ____________________ Elección de los puntos de aforo ______________________________________________

81 81 82 83 83 85 87 90

6 CALCULO DE REDES ________________________________________________ 92 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.16

Descripción de los métodos de cálculo ________________________________________ 92 Preparación de los datos____________________________________________________ 93 Cálculo de las resistencias __________________________________________________ 93 Elección del ventilador_____________________________________________________ 95 Cálculo del reparto de caudales ______________________________________________ 97 Evaluación de los resultados ________________________________________________ 98 Algunas consideraciones prácticas____________________________________________ 99 Datos del problema ______________________________________________________ 101 Incógnitas del problema ___________________________________________________ 101 Soluciones informáticas ___________________________________________________ 103 Preparación y entrada de datos______________________________________________ 103 Introducción de la red de ventilación en el programa ____________________________ 104 Diseño de la red en el ordenador ____________________________________________ 104 Proceso de cálculo _______________________________________________________ 105 Datos de salida __________________________________________________________ 106 Ampliación del concepto de orificio equivalente________________________________ 106

VENTILACION SECUNDARIA __________________________________________ 109 1 INTRODUCCIÓN ___________________________________________________ 110 2 ELEMENTOS DE UNA INSTALACIÓN DE VENTILACIÓN SECUNDARIA 111 2.1 2.2 2.3 2.4

Ventiladores ____________________________________________________________ Tubería ________________________________________________________________ Filtros _________________________________________________________________ Cassetes _______________________________________________________________

111 114 115 119

3 SISTEMAS DE VENTILACIÓN _______________________________________ 121 3.1 Tipos de sistemas de ventilación ____________________________________________ 121 3.2 Configuraciones _________________________________________________________ 125

4 CRITERIOS DE DEFINICION DE CAUDALES__________________________ 129 4.1 4.2 4.3 4.4

Velocidad mínima _______________________________________________________ Dilución de metano ______________________________________________________ Dilución emisiones diesel _________________________________________________ Dilución gases de la voladuras ______________________________________________

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129 129 130 134

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5 PÉRDIDAS DE CARGA DE LA INSTALACIÓN _________________________ 137 5.1 Naturaleza de las pérdidas de un circuito de ventilación secundaria _________________ 137 5.2 Metodología general para el cálculo de pérdidas de carga. ________________________ 141

6 REGLAS DE ORO DE LA VENTILACIÓN______________________________ 149 6.1 Importancia del diámetro en la elección del ventilador ___________________________ 149 6.2 Importancia del uso del variador de frecuencia _________________________________ 149 6.3 Importancia del número de juntas de la tubería _________________________________ 151

7 DISPOSICION DE LA VENTILACIÓN SECUNDARIA EN EL ENTORNO __ 152 7.1 7.2 7.3 7.4

Posición relativa respecto a la ventilación principal _____________________________ Gálibos máximos ________________________________________________________ Tuberías especiales Oval Lay flat / TWIN_____________________________________ Instalación de tubería usada ________________________________________________

152 152 152 153

8 CONTROL Y SEGUIMIENTO DE LA VENTILACIÓN SECUNDARIA _____ 154 8.1 Sistemática de control ____________________________________________________ 154 8.2 Medidas de velocidad de aire _______________________________________________ 155

ACCIONAMIENTO Y CONTROL DEL VENTILADOR _______________________ 157 1 INTRODUCCION ___________________________________________________ 158 2 MOTOR____________________________________________________________ 159 3 PROTECCIONES Y MONITOREO ____________________________________ 160 3.1 Sondas de Temperaturas. __________________________________________________ 3.1.1 Sondas de Temperaturas PTC ______________________________________________ 3.2 Sondas de Temperaturas PT100. Termorresistores ______________________________ 3.2.1 Análisis de la problemática de las PT100 de 2 y 3 hilos __________________________ 3.3 Sensor de vibraciones_____________________________________________________ 3.4 Resistencia de Caldeo ____________________________________________________ 3.5 Sonda Petermann. Presostato de bombeo______________________________________

161 161 162 162 165 167 168

4 TIPOS DE ARRANQUE ______________________________________________ 170 5 VARIADORES DE FRECUENCIA _____________________________________ 175 6 AHORRO DE ENERGIA _____________________________________________ 177 6.1 Costes de funcionamiento y variador de frecuencia. Ejemplo práctico y comparativa. ___ 179

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TECNOLOGÍA DE LOS VENTILADORES

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INTRODUCCIÓN

Los túneles, las minas, fábricas o barcos de nuestros días necesitan un sistema de ventilación que va siendo más complejo cada día. Esto implica la necesidad de conocer con más profundidad el sistema de ventilación, pero sobre todo el ventilador y todos sus elementos auxiliares que junto con los sistemas de arranque y control forman la parte primordial de dicho sistema. Por ello, al igual que es fundamental el manejo de los conocimientos de los sistemas de ventilación y su buena práctica, se ha de tener en cuenta el rango de aplicación de las máquinas que conforman dicho sistema. Este conocimiento nos ayudará a reducir los problemas y sus consecuencias desde el origen. Desde sus inicios hasta hoy día, la Ventilación de Minas tenía como objetivo central el suministro de aire fresco para la respiración de las personas y dilución-extracción de polvo y gases producto de las operaciones subterránea (voladura, extracción, carga y transporte). En estos últimos años, han aumentado fuertemente los requerimientos de aire con el objeto de poder diluir y arrastrar fuera de la mina las fuertes concentraciones de gases tóxicos emitidos por los equipos diesel -de alto tonelaje- incorporados en forma masiva a las operaciones subterráneas involucradas en los diversos métodos de explotación. Es verdad que generalmente los requerimientos actuales no se daban en el pasado con tanta intensidad, ya que entonces los ritmos de explotación en las minas no eran como los actuales, y, por tanto, no podemos perder de vista que los niveles de confort y seguridad adoptados hoy día son mucho más exigentes, lo que trae como consecuencia el aumento del número y tamaño de los ventiladores para cada sistema de ventilación así como su optimización en el control de los mismos. Dentro del contexto de la ventilación nos referimos al volumen de aire movido por el ventilador como “corriente de aire o de ventilación”, mientras que el incremento de presión que se produce en el sistema se suele denominar como depresión del ventilador. Esta última denominación no será del todo correcta cuando el ventilador trabaja como impulsor.

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2 2.1

VENTILADOR. CLASIFICACIÓN. FUNDAMENTOS Definición. Descripción de los parámetros principales de funcionamiento

Un ventilador es una maquina que transmite energía a un fluido (aire o gases), produciendo el incremento de presión necesario (Presión Total) con la que mantener un flujo continuo de dicho fluido. Para realizar este trabajo el ventilador requiere de una potencia en el eje del motor que lo acciona que viene dada por la expresión:

Potencia [ watios ] 

Caudal [m 3 / s ]  Pr esión Total [ Pa]

 ventilador [%]

Cada ventilador vendrá definido por su curva característica, que es el lugar geométrico de los puntos de funcionamiento del mismo para cada ángulo de regulación de los álabes. Por tanto, tendremos una curva característica distinta para cada ángulo. El punto de corte de la curva característica con la resistencia del circuito es el punto de funcionamiento del ventilador. 2.2

Clasificación de los ventiladores

Con el desarrollo de la ciencia aerodinámica, en los años posteriores a la segunda guerra mundial se desarrollaron los primeros ventiladores de flujo axial, es decir, los ventiladores axiales, los cuales son los más utilizados, en la actualidad y a nivel global, para mover grandes caudales de aire en los trabajos subterráneos, operando -dichas unidades- tanto en interior mina, como en superficie. Los ventiladores de tipo centrífugo, actualmente son ampliamente utilizados en Sistemas de Ventilación Industrial dado su capacidad de generar altas caídas de presión con caudales relativamente bajos. Los ventiladores se dividen en el sentido más general en 3 tipos: Ventiladores de hélice, axiales y centrífugos. Para cada uno de estos tipos se pueden disponer con variedad de posiciones de descarga y distintos tipos de accionamiento del rodete. VENTILADOR CENTRIFUGO.-El ventilador centrífugo consiste en un rotor encerrado en una envolvente de forma espiral; el aire, que entra a través del ojo del rotor paralelo a la flecha del ventilador, es succionado por el rotor y arrojado contra la envolvente se descarga por la salida en ángulo recto a la flecha; puede ser de entrada sencilla o de entrada doble. Son ventiladores de flujo radial. La trayectoria del fluido sigue la dirección 7 de 180

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del eje del rodete a la entrada y está perpendicular al mismo a la salida. Si el aire a la salida se recoge perimetralmente en una voluta, entonces se dice que el ventilador es de voluta. En un ventilador de entrada doble, el aire entra por ambos lados de la envolvente succionado por un rotor doble o por dos rotores sencillos montados lado a lado. Los rotores se pueden clasificar, en general, en aquellos cuyos álabes son radiales, o inclinados hacia adelante, o inclinados Rodete de entrada doble hacia atrás del sentido de la rotación. No obstante, en la actualidad y en ciertos países, se está utilizando ventiladores de tipo centrífugo -de alta capacidad, en términos de caudal de aire- para ventilar operaciones minero-subterráneas, con la característica particular y principal de que, tales unidades son instaladas mayoritariamente en superficie atendiendo la restricciones de evitar grandes excavaciones en el interior la mina subterránea (no recomendable desde el punto de vista geomecánico ya que este tipo de ventilador necesita un espacio muy amplio para su instalación). Estos ventiladores tienen tres tipos básicos de rodetes: a) álabes curvados hacia adelante, [1]. b) álabes rectos, [2]. c) álabes inclinados hacia atrás/curvados hacia atrás. [3],[4],[5] y [6]. Los ventiladores de álabes curvados hacia adelante (también se llaman de jaula de ardilla) tienen una hélice o rodete con las álabes curvadas en el mismo sentido que la dirección de giro. Estos ventiladores necesitan poco espacio, baja velocidad periférica y son silenciosos. Se utilizan cuando la presión estática necesaria es de baja a media, tal como la que se encuentran en los sistemas de calefacción, aire acondicionado o renovación de aire, etc. No es recomendable utilizar este tipo de ventilador con aire polvoriento, ya que las partículas se adhieren a los pequeños álabes curvados y pueden provocar el desequilibrado del rodete. Estos ventiladores tienen un rendimiento bajo fuera del punto de diseño. Además, como su característica de potencia absorbida crece rápidamente con el caudal, ha de tenerse mucho cuidado con el cálculo de la presión necesaria en la instalación para no sobrecargarlo. En general son bastante inestables funcionando en paralelo debido a su característica caudalpresión.

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Los ventiladores centrífugos radiales tienen el rodete con los álabes dispuestos en forma radial. La carcasa está diseñada de forma que a la entrada y a la salida se puedan alcanzar velocidades de transporte de materiales. Existen una gran variedad de diseños de rodetes que van desde los de "alta eficacia con poco material" hasta los de "alta resistencia a impacto". La disposición radial de los álabes evita la acumulación de materiales sobre las mismas. Este tipo de ventilador es el comúnmente utilizado en las instalaciones de extracción localizada en las que el aire contaminado con partículas debe circular a través del ventilador. En este tipo de ventiladores la velocidad periférica es media y se utilizar en muchos sistemas de extracción localizada que movilizar aire sucio o limpio. Los ventiladores centrífugos de álabes curvados hacia atrás tienen un rodete con los álabes inclinados en sentido contrario al de rotación. Este tipo de ventilador es el de mayor velocidad periférica y mayor rendimiento con un nivel sonoro relativamente bajo y una característica de consumo de energía del tipo "no sobrecargable". En un ventilador "no sobrecargable", el consumo máximo de energía se produce en un punto próximo al de rendimiento óptimo de forma que cualquier cambio a partir de este punto debido a cambios de la resistencia del sistema resultará en un consumo de energía menor. La forma de los álabes condiciona la acumulación de materiales sobre ellas, de forma que el uso de estos ventiladores debe limitarse como se indica a continuación: o álabes de espesor uniforme: Los álabes macizos permiten el trabajo con aire ligeramente sucio o húmedo. No debe emplearse con aire conteniendo materiales sólidos ya que tienen tendencia a acumularse en la parte posterior de los álabes. o álabes de ala portante: Los álabes de ala portante permiten mayores rendimientos y una operación más silenciosa. Los álabes huecos se erosionan rápidamente y se pueden llenar de líquido si la humedad es alta, por ello su uso queda limitado a aplicaciones en las que se manipule aire limpio. VENTILADOR DE HELICE.-Este ventilador está formado por un rodete dentro de un anillo o carcasa de montaje. La dirección de la corriente de aire es paralela a la flecha del ventilador. Se emplea para movilizar aire en circuitos cuya resistencia es muy pequeña.

Puede manejar grandes volúmenes de aire a una presión estática baja.

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VENTILADOR AXIAL.-El ventilador axial es de diseño aerodinámico. Este tipo de ventilador consiste esencialmente en un rodete alojado en una envolvente cilíndrica o carcasa. La adición de álabes-guía, detrás del rotor, convierte al ventilador turbo-axial en un ventilador axial con aletas guía.

Puede funcionar en un amplio rango de volúmenes de aire, a presiones estáticas que van de bajas a moderadamente altas y es capaz de desarrollar mayores presiones estáticas que el ventilador centrífugo a la vez que es mucho más eficiente. Los álabes-guía, en la succión o en la descarga, o en ambas partes, se han añadido para enderezar el flujo del aire fuera de la unidad a la vez que sirven de apoyo en el diseño. 2.3

Comparativa de ventiladores axiales frente a ventilador centrífugos.

Las diferencias que se tiene al utilizar un ventilador axial frente a un centrífugo son las siguientes: Los ventiladores axiales ofrecen mejor eficiencia en un amplio rango de puntos de funcionamiento, mientras que los ventiladores centrífugos pueden tener un rendimiento muy alto, pero solamente sobre un rango muy reducido, y sólo sobre una curva característica. Este parámetro es muy importante ya que el coste de la energía es un factor que se ha de tener en cuenta. Por tanto, el rendimiento tiene una importancia primordial, y como es lógico, primará conseguir rendimientos elevados en grandes gamas de puntos de funcionamiento, objetivo mucho más difícil de conseguir con ventiladores centrífugos que con ventiladores axiales. Si un ventilador centrífugo diseñado para un punto de funcionamiento determinado ha de trabajar en otras condiciones, debido, por ejemplo, a un cambio en las condiciones resistentes de la mina, tendrá presumiblemente una disminución de rendimiento considerable. Mayor rendimiento mecánico de los ventiladores axiales, ya que los ventiladores centrífugos transmiten el movimiento desde motor al rodete con transmisión por correas o mediante otros tipos transmisiones. Esto implica una serie de complicaciones adicionales frente a un ventilador axial, ya que además de la pérdida de rendimiento por transmisión, podrían aparecer más frecuentemente fenómenos de vibraciones debido a que es un sistema mecánico más complejo.

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En ciertos ventiladores centrífugos se plantean problemas en la transmisión como puede ser el deslizamiento de la correa, destensado, exceso de tensado que repercute sobre los rodamientos, y con cierto peligro de rotura de las correas cuando están expuestas a temperaturas extremas. Un ventilador axial, para las mismas prestaciones de presión y caudal, requiere menor espacio físico que un ventilador centrífugo, ya que por el diseño puede utilizar motores de mayor velocidad. El ventilador centrífugo al contrario, necesita cimentaciones mayores para el ventilador y toda su ductería incrementando el costo de la instalación significativamente. La presencia de agua es perjudicial para los ventiladores centrífugos, ya que el rodete de estos, presentan en su configuración huecos que acumulan agua mientras trabajan, produciendo un desequilibrio en el ventilador que degenera en vibraciones. Un ventilador axial tiene más versatilidad en la regulación que un ventilador centrífugo, debido a que es posible actuar sobre el ángulo de posición de los álabes y sobre la velocidad de rotación con un variador de frecuencia, pudiendo alcanzar una gran gama de puntos de funcionamiento, mientras que el ventilador centrífugo tiene regulación por velocidad, y si queremos conseguir otro punto de funcionamiento, será a base de aumentar la resistencia del circuito (con un damper de regulación, p.e.), lo que significaría un incremento de potencia debido a la regulación. En este capítulo nos centraremos especialmente en los ventiladores axiales que son los que se utilizan en la mayoría de las instalaciones. 2.4

Tipos de configuraciones de un ventilador

Un ventilador puede ser, según su forma constructiva, horizontal o vertical. Los ventiladores horizontales son los más usuales, pero los verticales son más aconsejables para ciertos tipos de aplicaciones. Es este el caso en los ventiladores exteriores de minería profunda y caudales importantes, donde la configuración vertical reduce las pérdidas de carga del circuito, al evitarse el tener que construir un codo para dirigir el flujo. Este codo genera unas pérdidas de carga importantes, que se traducen en más potencia a instalar. Todo esto se evita con una configuración de ventilador vertical. En las figuras podemos observar las tres configuraciones clásicas para ventiladores axiales de extracción de aire en minas subterráneas. Arriba a la izquierda la configuración vertical. Arriba a la derecha la configuración horizontal con salida vertical. A la izquierda tenemos la configuración

Ventilador Vertical

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horizontal con salida horizontal. Se aprecia la necesidad de construir un codo para dirigir el flujo de aire hacia el ventilador, con los inconvenientes que como hemos visto acarrea.

Ventilador Horizontal

Por otra parte, ya hemos visto que según el tipo de accionamiento un ventilador puede ser accionado directamente por el motor, por medio de un eje de transmisión cardan o por medio de poleas/correa. Lo más frecuente es el acople directo del motor al rodete, pero en algunas aplicaciones es necesario el acoplamiento cardan, cuando el aire a extraer es corrosivo o potencialmente explosivo, o simplemente para optimizar las tareas de mantenimiento del motor. La transmisión por poleas y correas, por su parte, ha caído en desuso por su bajo rendimiento.

Ventiladores de doble escalón

Otro tipo de clasificación podría hacerse en función del número de etapas o escalones. La mayoría de las aplicaciones requieren una sola etapa. Sin embargo, aplicaciones con presiones muy elevadas (más de 5000 Pa) no se consiguen con un ventilador de un solo escalón. En estos casos es cuando se usan los ventiladores de dos escalones, que son capaces de conseguir presiones mayores.

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Teóricamente un doble escalón conseguiría el doble de presión que un rodete de un solo escalón, pero en la práctica el aire sale tan torsionado del primer rodete que el segundo pierde algo de eficiencia, con lo que se realmente se consiguen menos presión. La utilización de estos ventiladores es equivalente al uso de varios ventiladores en serie.

Ventilador Horizontal inyector / impulsor

Otra clasificación podría establecerse en base a la función que va a realizar el ventilador. Efectivamente, un ventilador puede ser de extracción de aire viciado o de impulsión de aire fresco. Los ventiladores de impulsión de aire generalmente son más sencillos que los de extracción. Prácticamente movilizarán aire limpio. Estos últimos han de estar preparados, según la aplicación, para extraer aire abrasivo, humos calientes o gases explosivos. En estos casos, la protección del ventilador en su conjunto es más rigurosa. Además, los motores pueden ser encapsulados para evitar que se dañen por la abrasión o la atmósfera corrosiva (casos típicos de minería), o resistentes a la temperatura durante un cierto Ventilador Horizontal extractor intervalo de tiempo (caso de ventiladores de extracción de humos para emergencias en túneles). En la figura de la derecha podemos ver un ventilador vertical de construcción robusta para aplicaciones mineras.

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VENTILADORES AXIALES. COMPONENTES

El ventilador, constructivamente, constara principalmente de los siguientes elementos: Carcasa Rodete

Carcasa motor

Caja de bornas

Directrices Rejilla

Patas soporte

Rodete

Parte activa del ventilador, que será el elemento principal del ventilador donde están integrados el motor, el rodete de álabes, las directrices. Generalmente estará constituida por dos carcasas, la carcasa del rodete y la carcasa del motor. Compuerta motorizada, tipo “todo o nada”, generalmente un damper de lamas paralelas o una guillotina.

Difusor, cuya principal misión es la de reducir la velocidad de aire a la salida de la parte activa, con el fin de disminuir la presión dinámica y como consecuencia reducir la pérdida de carga en presión. Carcasas de medición. Son carcasas adicionales en las que se miden los parámetros presión y caudal del ventilador. Generalmente se instala una en el lado de aspiración de la parte activa del ventilador. Opcionalmente puede ir integrada en la 14 de 180

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parte activa del ventilador, dentro de la carcasa rodete, aunque para ello esta debiera ser más larga. Conexión del ventilador al circuito. Si el ventilador está en exterior, en un extremo del circuito, la conexión se realiza o mediante un codo si es que se conecta a un pozo o mediante una conexión a pared si es que se conecta a un tabique. Si el ventilador está dentro del circuito, para generar la presión sobre éste, hay que conectar el ventilador por uno de sus lados a un tabique. Si se hace por el lado de aspiración se utiliza una conexión a pared tipo redondo-cuadrado, pero se realiza por el lado de impulsión, por ejemplo al final del difusor, el ventilador la parte activa del ventilador necesitará una tobera de admisión El rodete del ventilador se compone de los álabes y el cubo o soporte de los álabes, que es donde se acoplan éstos para mantenerlos solidarios mientras gira el motor que lo acciona. 3.1

Perfil aerodinámico del álabe

Cuando un alabe se inclina cierto ángulo para así “mover aire”, una fuerza (F) tal y como indica la expresión (1.1) se ejercerá sobre dicho alabe. Esta fuerza se divide en dos componentes, una llamada Fuerza de arrastre (FD) que tiene la dirección del fluido, y otra llamada Fuerza de Sustentación con dirección perpendicular a la del fluido. F  k  l 2  v 2     (Re) Fuerza sobre alabe (1.1) FD  CD  A  1    v 2 Fuerza de arrastre 2 FL  CL  A  1    v 2 Fuerza de sustentación 2

Donde: - A, es la superficie del alabe - V, es la velocidad del fluido (aire) -  es la densidad del fluido (aire) - CD y CL, los coeficientes de arrastre y sustentación respectivamente (Función del número de Reynolds, Re) Si el ángulo de ataque varia, también lo harán los coeficientes CD y CL así como las fuerzas de sustentación y arrastre.

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La fuerza de sustentación es la componente útil de la fuerza ejercida sobre el alabe, ya que la componente de arrastre es la pérdida de energía de dicha fuerza. De esto se deduce que un buen diseño del álabe será el que posea una relación elevada entre componente de sustentación y arrastre. La fuerza de sustentación es creada por la forma de la parte superior del alabe, que origina un incremento en la velocidad local del fluido, y por lo tanto una reducción en la presión estática. La velocidad local en la parte inferior del alabe sufrirá pocas variaciones, y la fuerza de sustentación se originara. La mayor parte de dicha fuerza de sustentación se originara en el primer 20 % de esta superficie, el resto de esta superficie tendrá una forma tal que proporcione la menor resistencia posible. Cuando el ángulo de ataque se incrementa en exceso, se producirá un desprendimiento brusco de fluido que no recorrerá toda la superficie del alabe de manera uniforme, incrementando de esta forma la fuerza de arrastre y reduciendo la fuerza de sustentación. Se produce entonces un fenómeno de cavitación, que se conoce en el mundo de los ventiladores como fenómeno de “bombeo”. Si un ventilador opera en bombeo, es debido a que el caudal es demasiado bajo para el ángulo de ataque de los álabes regulado es ese momento. Este caudal pudiera haber disminuido debido a un incremento de resistencia en el circuito asociado a ese sistema, produciéndose un incremento de presión, ya que el punto de funcionamiento se desplaza a lo largo de la curva de funcionamiento del ventilador.

Álabes Cubo del ventilador

Por tanto, el trabajo del ventilador en bombeo debido a la resistencia del circuito, se puede evitar desde el origen definiendo apropiadamente la forma del alabe.

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Para la selección de un rodete se ha de tener en cuenta lo siguiente: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 3.2

Perfil aerodinámico del álabe Perfil aerodinámico de la directriz Número de álabes Diámetro del rodete Diámetro del cubo Velocidad de giro del motor Temperatura máxima del fluido (aire) que va a movilizar Comprobación de resistencia mecánica del diseño final Cómo se produce presión en ventiladores

Un ventilador, haciendo la suposición de flujo incompresible, produce un incremento de presión total al paso del aire por él. El teorema fundamental de las turbomáquinas dice que entre dos puntos de una línea de corriente H=U V, donde H es la entalpía, U es la velocidad de rotación y Ves la componente tangencial de la velocidad del aire. Esto parece muy complicado pero con los triángulos de velocidades y supuesto el caso incompresible se vuelve muy sencillo. En flujo incompresible H se transforma en Ptotal/ donde  es la densidad. W2 Vx2= Vx1 V2

W2 V2

U W1

U=-W1

V1= Vx1

En el triángulo de velocidades se toma el aire que va por la línea media del ventilador. U a la entrada y a la salida es igual a la velocidad de giro por el radio. Como el radio no cambia, U no cambia. Esto no es el caso en máquinas radiales, donde la presión se aumenta por el cambio de radio. En el gráfico anterior: V velocidades absolutas W velocidades relativas x componente axial  componente tangencial.

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A la entrada del ventilador, el aire entra axialmente, su componente tangencial es nula. El producto de UVa la entrada es 0. El rodete, aunque el flujo entre axial, ve una componente tangencial relativa al álabe, que es igual a la velocidad de rotación. El álabe guía el flujo de manera que la componente tangencial relativa es diferente a la salida de la velocidad de rotación. V que se obtiene al componer la velocidad relativa con la velocidad de rotación no va a ser nula, y el producto UV se hace distinto de 0 y produce aumento de presión. Se justifica también que cuanto más alto sea el radio (relación cubo carcasa mayor para el mismo diámetro exterior, o mayor diámetro exterior) mayor es el aumento de presión. Si no tenemos directriz aerodinámica, todo este aumento de presión total no se transforma en aumento de presión estática, aunque el flujo sea incompresible. La razón es la componente tangencial de la velocidad que produce pérdidas de mezclado al empujar el aire. La misión de la directriz o álabe guía es “guiar” al flujo para que todo el incremento de presión total vaya en la dirección axial. En la directriz se pierde algo de presión total por la fricción con la pala y el espesor del borde de salida, pero se gana presión estática, ya que toda la velocidad tangencial se elimina, y suponiendo que el flujo es incompresible, la velocidad a la salida debe ser igual a la de entrada por continuidad, “no se crea aire en el ventilador”. El diseño óptimo de la directriz se da cuando toda la componente tangencial de la velocidad es eliminada, y las pérdidas de presión total se reducen al reducirse el espesor, y con una elección de la cuerda y el número de ellas óptimas. 3.3

Número de álabes

El número de álabes de un rodete esta relacionado con la presión total que este generará. Un incremento en el número total de álabes, implicará que el ventilador genere un impórtate incremento de presión con un moderado incremento de caudal de aire, siempre y cuando se mantenga la misma velocidad de rotación del motor y no se cambie el diámetro del ventilador. 3.4

Diámetro del rodete

El diámetro del rodete esta relacionado con el caudal que este moverá. Un incremento del diámetro total del rodete, implicará que el ventilador entregue un caudal de aire mayor mientras que se mantenga la velocidad de rotación y mismo diseño a cantidad de álabes. 3.5

Velocidad de giro del motor

Con el resto de parámetros fijados, en función de la velocidad y a medida que se incrementa ésta, conseguimos más presión y más caudal. Por tanto, con un rodete con cierta configuración de álabes, si el motor eléctrico es de 2 polos (3000 rpm. a 50Hz) 18 de 180

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tendrá más capacidad que si se utiliza un motor de mayor número de polos (menor velocidad). Como consecuencia para cada velocidad se tendrán unas curvas características en distinta posición. Realmente se mantienen, pero estas se desplazan a lo largo de la curva resistente. El caudal se incrementa proporcionalmente a la velocidad de rotación y la presión al cuadrado:

Q2  Q1 

u2 u1

P2  P1 

u22 u12

Donde u es la velocidad de rotación. 3.6

Diámetro del cubo

El diámetro del cubo esta relacionado con el caudal y con la presión del mismo. Un incremento del diámetro del cubo manteniendo constante el diámetro del rodete, implicará que el ventilador entregue un caudal inferior con un incremento de presión de aire elevado. Del mismo modo, si el diámetro del cubo se disminuye, el caudal incrementara y la presión disminuirá.

Diámetro del cubo

Diámetro del rodete

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4

EL VENTILADOR AXIAL Y SUS ACCESORIOS MAS FRECUENTES.

En función de los objetivos que se desean alcanzar con la instalación de un ventilador, este puede tener un diseño u otro, así como llevar diferentes accesorios. En este apartado repasaremos las configuraciones más frecuentes, así como los accesorios más comunes, explicando su función y ámbito de aplicación. 4.1

Ventilador

Se considera ventilador, propiamente dicho, la parte activa del conjunto, y está compuesto por carcasa, rodete y motor.

Carcasa Es la envolvente que protege el rodete y el motor del ventilador. Normalmente está construida por acero al carbono. Si las condiciones de trabajo del ventilador son de una exigencia baja suele hacerse un tratamiento de chorreado, mientras que si hay una exigencia mayor, el tratamiento será de galvanizado en caliente. Para facilitar el transporte, montaje y mantenimiento, pueden fabricarse carcasas independientes para motor y rodete. Por el mismo motivo, si el diámetro de ventilador es muy grande (más de 1800mm), la carcasa o carcasas se fabrican partidas en dos piezas para facilitar el montaje y transporte

Rodete El rodete del ventilador es la parte móvil del mismo. Como hemos visto, se compone de álabes y cubo o soporte de los álabes. En función de las necesidades, el rodete puede ser de álabes regulables o no regulables. En el caso de álabes regulables, pueden serlo por diversos sistemas: -

Álabes regulables manualmente por regulación individual, álabe a álabe. Álabes regulables manualmente por regulación central. Álabes regulables hidráulicamente. En este caso existe la posibilidad de que dicha regulación se haga con el ventilador en marcha. 20 de 180

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Veremos más adelante una descripción más detallada de estos sistemas de regulación.

Motor El tipo de motor del ventilador depende de las características del mismo. Algunas características a reseñar son: o La forma constructiva varía entre B3, B5 y B8 si el ventilador es horizontal, y V1 y V3 en caso de ventiladores verticales.

motor

o Ventiladores para trabajar en atmósfera explosiva, necesitan motores antideflagrantes o que los motores estén encapsulados. o Si el ventilador ha de ser resistente a temperatura, por ejemplo, 400ºC durante 2 horas, el motor lógicamente también debe serlo, salvo que éste no este bañado por el flujo del aire que moviliza el ventilador. o En cuanto a los rodamientos del motor, suele exigirse que tengan una vida L10 mayor de 20000 horas. o El motor debe ir preparado para llevar sondas de temperatura si así se requiere. o En la selección del motor se considerará también el tipo de arranque que se proyecte para el mismo (variador de frecuencia, arrancador suave, arranque directo o arranque estrella triángulo). o Si el ventilador va a trabajar a grandes altitudes (mayor de 1000m), en atmósferas con grandes humedades relativas (mayores del 90%) y temperaturas mayores de 40ºC o menores de -20ºC, hay que transmitir estos factores al fabricante para que dimensione adecuadamente el motor. o En cuanto a la ubicación del motor, éste puede ir dentro de la parte activa del ventilador, en la carcasa del ventilador o puede ir fuera del mismo,

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con transmisión por eje cardan. Este tipo de accionamientos se usa en ventiladores para minería cuando se da alguno de los siguientes supuestos :  El aire que pasa por el ventilador es corrosivo, y por tanto el motor se desea instalar fuera de la influencia del circuito de aire para una mayor duración de los rodamientos.  En caso de atmósfera potencialmente explosiva, donde se desea instalar el motor fuera del circuito de aire para evitar tener que utilizar un motor antideflagrante.  Se desea instalar el motor fuera del circuito porque así se optimizan las labores de mantenimiento o reemplazo del motor. Los ventiladores con accionamiento por eje cardan suelen ser máquinas de mayores dimensiones, y por tanto estructuras más complejas y que requieren de más obra civil de cara a su instalación. No obstante a lo anteriormente expuesto, los ventiladores accionados por eje cardan tienen una serie de desventajas que no aconsejan su instalación a no ser que sea estrictamente necesario. Estas desventajas son:  

Motor menos refrigerado, ya que no le baña el aire que pasa por el ventilador (lo que implica un menor rendimiento y por tanto mayor consumo). La potencia absorbida de la red por el motor será la potencia necesaria en el eje (debido a los parámetros aerodinámicos) afectada por el rendimiento del motor más el rendimiento mecánico debido a la transmisión. Si no tenemos esta transmisión cardan, debido a un acoplamiento directo del motor al rodete, la potencia absorbida será mayor: Peje P Pabsobida ( cardan )   eje  Pabsobida ( directo ) motor  cardam motor



Habrá más puntos de inspección en el mantenimiento (no todos accesibles) debido a que tendremos mayor número de rodamientos y puntos de engrase.



Como hemos comentado, se requiere un mayor espacio requerido para la instalación / cimentación. Está claro que el instalar el motor fuera del propio ventilador implica un espacio necesario para la ubicación del motor, así como una bancada especial para el motor, la cual, si no tiene una buena ejecución traerá problemas de vibraciones y deterioro de rodamientos a largo plazo.



Dado que el ventilador será más complejo, la fabricación será más cara a igualdad de calidad.



El ventilador con accionamiento mediante transmisión cardan, necesita más elementos mecánicos que el ventilador con acoplamiento directo. 22 de 180

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Adicionalmente, para que el motor no entorpezca el paso del aire a veces se requieren configuraciones de ventilador que implica codos a la salida del difusor, cardan más largo para separa motor de la admisión de ventilador, etc. 

Mayor nivel de ruido debido a tener el motor fuera. Cuando el motor está dentro del ventilador, el ventilador puede insonorizarse, con la correspondiente reducción de ruido. Si la instalación va con cardan, por un lado tendremos el ruido aerodinámico del ventilador y por otro lado tendremos el ruido mecánico del motor y de su transmisión. Si hubiese que reducir el nivel de ruido, sería necesario una insonorización del ventilador y una insonorización del motor.



Resonancia. Se produce resonancia cuando una frecuencia de vibración coincide con la frecuencia natural del sistema, y puede ocasionar una ampliación espectacular de la amplitud que a su ver, podría dar lugar a un fallo prematuro o incluso catastrófico. Puede tratarse de una frecuencia natural del rotor, pero en muchos casos puede tener su origen en el bastidor de soporte, bancada, soporte caballete. Con la instalación de un eje cardan se multiplica por tanto el riesgo de resonancia.



Mayor probabilidad de desalineación del eje.



Mayor probabilidad de flexión del eje

Estas desventajas pueden ser asumibles, ya que aunque la instalación sea más cara y puede requerir más puntos de mantenimiento, esta diferencia en el coste, dependiendo de las circunstancias en cada caso, puede ser favorable a la elección del cardan en caso de cambio de motor, que será más rápido, en caso de posible deterioro del motor por afectarle la mala calidad del aire que extrae el ventilador, etc.

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4.2

Accesorios

Tobera de admisión

La misión de la tobera es la de minimizar la pérdida de carga producida a la entrada del aire en el ventilador. Salvo en el caso de los ventiladores reversibles con dos difusores, la mayoría de los ventiladores llevan acoplado este elemento si no están conectados al circuito de ventilación por un codo a pozo o directamente a un tabique mediante una pieza de conexión Rejilla

Este elemento sirve para proteger el rodete de la entrada de elementos no deseados que puedan entorpecer el buen funcionamiento del rejilla ventilador. Normalmente se coloca en la zona tobera de aspiración del ventilador, aunque si el ventilador fuese reversible, debería colocarse tanto en aspiración como en impulsión. Soportes antivibratorios

Los soportes antivibratorios están destinados a reducir la vibración que se transmite desde el ventilador hacia la cimentación. Se trata de unos amortiguadores de muelle o caucho que se colocan en las patas del ventilador. En ventiladores de mina se utilizan poco. Generalmente, los ventiladores van apoyados directamente a la cimentación con un anclaje robusto, de manera que sea la cimentación quien absorba las vibraciones. Compensador textil

El compensador textil es un elemento que se conecta normalmente a ambos lados de la parte activa del ventilador. Su objetivo es aislar el ventilador del resto de elementos, de manera que les transmita las vibraciones que se generan en él. Por otro lado, permite extraer la parte activa del ventilador si fuese necesario, sin más que quitarle los anclajes de la cimentación. Difusor

El difusor es un elemento que se acopla a la descarga del ventilador para reducir su presión dinámica de salida. La presión dinámica con la que el aire sale del ventilador es una pérdida de energía, es decir, es una energía que el ventilador genera, pero que no realiza

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trabajo. Por tanto, para un caudal dado si conseguimos un área de salida mayor la velocidad de salida y por tanto la presión dinámica serán menores, consiguiendo así que el ventilador realice más trabajo útil. Cabría pensar entonces que cuanto mayor sea el tamaño de difusor sería mejor para el rendimiento del ventilador, pero para el buen diseño de un difusor se han detener en cuenta varios aspectos: 1. El máximo semiángulo de apertura del aire es de aproximadamente 7º, por lo que no se debería diseñar un difusor con un ángulo de apertura mayor. Se puede establecer como límite práctico de apertura 15º. 2. Llegará un punto en que el gasto en material debido a la instalación de un difusor mayor no compensa la reducción de presión dinámica derivada del aumento de sección de salida. 3. Los condicionantes para el transporte de dichos elementos también han de tenerse en cuenta (si va ir a su destino por camión, barco o avión). Cada uno de estos medios de transporte tendrá sus limitaciones, ya que elementos muy grandes representan un sobrecoste que no compensará la ganancia en rendimiento del ventilador. Por ejemplo, un transporte especial por carretera y un contenedor mayor de lo normal en un barco o avión serían prohibitivos en la mayor parte de los casos. Esta es la razón por la que a partir de 1800 o 2000mm de diámetro los difusores se fabrican partidos, y en ocasiones, si estos son muy largos, se fabricarán como dos difusores partidos que se acoplarán uno tras otro en la instalación final. Normalmente, los difusores se construyen de chapa de acero, y su tratamiento anticorrosivo normalmente es el chorreado con arena de sílice. Válvulas tipo damper y tipo guillotina.

Los ventiladores pueden llevar válvulas que corten el paso de aire a través de los mismos por dos motivos: 1. Existe una instalación con varios ventiladores en paralelo, pero es posible que no todos funcionen al mismo tiempo. Por tanto, para evitar recirculaciones de aire, los ventiladores que no están funcionando han de ser “cerrados” por dicha válvula de cierre. 2. Si existe un fuerte tiro natural o hay influencia en el circuito de otro ventilador que dificulta el arranque del ventilador. Para evitar la influencia de dicho tiro natural, los ventiladores usan estas válvulas que van abriendo a medida que el ventilador arranca. Esto es un caso muy típico en las minas profundas y con varios pozos de ventilación.

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Los dampers son válvulas que consisten de un bastidor donde se acoplan unas lamas horizontales montadas sobre ejes, que son accionados por un actuador para cerrar o abrir el paso de aire. Se colocan normalmente a la salida del ventilador, acopladas normalmente en la zona de descarga del difusor. Este tipo de elemento ha de ser resistente a temperatura si las exigencias del circuito así lo requieren. Por su parte, el actuador eléctrico deberá ser encapsulado o protegido si va a trabajar en ambientes con mucho polvo, como es el caso de las minas.

Las guillotinas, como su propio nombre indica, son válvulas con tal disposición. Se trata de una chapa de cierre que se desliza por un bastidor hasta cerrar completamente el paso de aire por el ventilador. Es normalmente accionada por un actuador eléctrico, aunque frecuentemente tienen un volante de accionamiento manual para emergencias. Generalmente se instalan en el lado de aspiración del ventilador, al contrario de los dampers. En la figura se representa una guillotina vertical, en una instalación con codo y difusor vertical.

Ventilador de Mina con guillotina, codo y difusor de salida

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Generalmente las guillotinas suelen ser verticales, pero en ocasiones debido al eje cardan y el motor en la zona de aspiración, obligan a un buscar una instalación horizontal ubicándola en la base del codo que conecta al pozo. Codos

En ocasiones la salida del flujo de aire es vertical, como por ejemplo en las minas cuando este sale de un pozo vertical y hay una instalación con ventilador horizontal. Para estos casos se necesita una estructura en forma de codo que oriente el flujo de modo que éste entre horizontalmente en el ventilador

La instalación de estos codos puede evitarse utilizando ventiladores verticales, y además se evitaría así la pérdida de carga derivada de los mismos, con lo que la potencia de ventilador podría ser menor. De todos modos, en el caso de que se tenga que instalar un codo, con el fin de que la pérdida de carga del mismo sea mínima, es muy recomendable la instalación de chapas deflectoras de flujo en el interior del mismo, de manera que ayuden a direccional el aire. Un detalle de estas chapas se aprecia en la figura siguiente.

Codo con chapas deflectoras.

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Con la instalación de estas chapas deflectoras puede llegar a reducirse la pérdida del codo más de un 50 %. Otras ocasiones en las que es necesario un codo es cuando se instala un motor externo con accionamiento por eje cardan, y por cualquier motivo no se puede sacar el eje hacia la zona de aspiración. Este supuesto, por tanto, obliga a instalar el eje en impulsión. Para que el aire no salga a chocar contra el motor, suele ponerse un codo deflector de manera que el aire se expulse al exterior de forma vertical. Tras el codo suele colocarse un difusor vertical.

Piezas de adaptación

Cuando el ventilador va conectado a conductos de diferente sección a la del propio ventilador o en su caso el difusor, se necesita una pieza de adaptación. Esta pieza de adaptación será diferente en función de las secciones de ventilador y conducto, pudiendo incluso transformar la sección de cuadrado a redondo o viceversa.

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5

CURVA CARACTERÍSTICA DEL VENTILADOR.

Un ventilador podemos caracterizarlo por su curva, que es el lugar geométrico de los puntos de funcionamiento del mismo. Para cada ángulo de regulación de los álabes tendremos una curva distinta. El punto de corte de la curva del ventilador con la resistencia del circuito es el punto de funcionamiento del ventilador, (Po,Qo). Con un punto de funcionamiento, estamos definiendo el punto de corte de la curva característica del ventilador con la curva resistente del circuito de ventilación. Por tanto, el punto P0 y Q0 pertenece a la curva resistente de la mina.

Re = Po

P0 Q0

2

Po

CAUDAL

Qo

Qo

Realmente, tendremos definido con este punto la resistencia equivalente de la mina, o lo que es lo mismo, el orificio equivalente: Re =

P0 Q0

2

(K  ) =

y además:   0.38

P0  1000 Q0

2

(  );

1000 2 (m ) Re

Curvas de Rendimiento

Curvas del Ventilador

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5.1

Acoplamiento de ventiladores

En instalaciones importantes de ventilación, cuando es necesario disponer de caudales o presiones con grandes variaciones, puede resultar conveniente de dotarlas de equipos acoplados de forma que trabajando en conjunto o bien separados proporcionen la prestación exigida en cada momento. Si las variaciones necesarias son discretas puede bastar un único ventilador con un sistema de regulación, pero cuando sean precisas unas capacidades muy elevadas, hay que recurrir a un sistema de acoplamiento de equipos, tanto en serie como en paralelo. Trabajo en serie de 2 ventiladores Con el trabajo en serie de dos ventiladores, el caudal de aire que pasa por ambos ventiladores debe ser igual, de valor Q1 y la depresión total es igual a la suma de las depresiones producidas por cada ventilador PT = PT/2 + PT/2.

El caudal total de dos ventiladores iguales, instalados en serie y que giran con igual número de revoluciones, es mayor que cada caudal parcial, pero, siempre inferior a la suma de los caudales del trabajo individual. Es decir, Q1< QT < Q1+Q2 =2xQ1

PT PORCENTAJE DE PRESIÓN ESTÁTICA

En consecuencia, la curva característica totalizada de ambos ventiladores se construye sumando las ordenadas de sus curvas características individuales.

Curva de 2 ventiladores en serie

Resistencia del sistema

PT /2 P1 Curva de 1 ventilador

PT /2

O O

Q1

QT

CAUDAL

Para una resistencia dada, como podemos ver en el gráfico adjunto, un solo ventilador podría trabajar en un punto próximo al bombeo, en cambio, al acoplarle otro ventilador, se puede observar que (PT, QT), está bastante alejado del régimen inestable. Trabajo en paralelo de 2 ventiladores En un sistema de trabajo de dos ventiladores en paralelo, cada ventilador es concebido para la mitad del caudal de diseño. Cuando dos ventiladores trabajan en paralelo, forman un sistema que estará caracterizado por la curva resultante de la suma las abscisas de sus curvas características individuales.

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La resistencia del circuito corta la curva del sistema en un punto (PT,QT). El punto de funcionamiento de cada ventilador, como se puede ver en el gráfico anexo, corresponde a (PT,Q1=Q2), tal que Q1+Q2= QT para el caso de dos ventiladores idénticos. Si sólo uno de los ventiladores trabajase, su punto de funcionamiento sería distinto, con una presión más baja y con un caudal de aire mayor, (PT1,QT1). Zona de inestabilidad

Resistencia del sistema

PORCENTAJE DE PRESIÓN ESTÁTICA

100

PT Curva de 2 ventiladores

PT1

O O

Q1 Q2

QT1

QT

CAUDAL

Al contrario del trabajo en serie de 2 ventiladores, si la resistencia del circuito de ventilación es importante, si se arrancan 2 ventiladores en paralelo, estos pueden entrar en régimen inestable a pesar de que individualmente trabajen bien. 5.2

Fenómeno de Bombeo

Los mayores problemas con la inestabilidad de los ventiladores se producen en el trabajo de múltiples ventiladores en paralelo. Incluso, aunque la resistencia sea apta para poder trabajar en paralelo dos ventiladores, debido al sistema o la secuencia de arranque, se pudiera no alcanzar nunca la estabilidad, (Efecto Eck). Para un solo ventilador en funcionamiento, si la resistencia del circuito fuese mayor de lo estimado, el punto de funcionamiento se desplazaría hacia caudales mayores, pero, si la resistencia fuese más elevada en punto de funcionamiento tendería a caudales inferiores, llegando incluso a hacer que el ventilador trabajase en régimen inestable, es decir en bombeo. Este fenómeno se evita ya en fase de diseño calculando un tipo de álabe que defina una curva del ventilador, tal que el corte con la curva resistente esté fuera de la zona inestable del ventilador. Para cada curva característica del ventilador tendremos un punto de bombeo, por tanto, si tenemos en cuenta que un ventilador tiene un haz de curvas que abarca el rango de

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regulación de los álabes, definimos la curva formada por los puntos de bombeo del haz como “curva límite de bombeo”. Un ventilador operando cerca del punto de bombeo tendrá un severo incremento de ruido. En algunos ventiladores sonará casi como si el rodete estuviese siendo impactado por un objeto sólido (“hammering”). Un ventilador trabajando continuamente en bombeo puede provocar una fatiga estructural de los álabes. Esto es especialmente cierto para ventiladores axiales que tienen álabes largos, como es el caso de los ventiladores que entregan un alto caudal a presiones moderadas. Resistencia real Zona inestable del ventilador

PRESIÓN

Resistencia estimada

PRESIÓN

Resistencia estimada

Zona inestable del ventilador

Po Po

CAUDAL

Qo

Resistencia real

Curva Ventilador

Curva Ventilador

Rreal > Rdiseño

Qo

CAUDAL

Rreal < Rdiseño

En el pasado, en ciertas minas el punto de bombeo se medía, ya que era un dato que debía ser conocido por los responsables de la ventilación de la mina. El valor de catálogo del límite de bombeo desciende con el uso del ventilador, a medida que los álabes sufren desgaste y el perfil va cambiando. Medición artesanal del punto de bombeo Antiguamente, se preparaba en una sección P del acceso al ventilador, algo alejada para que el flujo en la aspiración sea uniforme, un cierre regulable que obstaculice el paso del aire. Se medía el caudal Q, bien cerca de la sección P o en el propio ventilador en anillo de medición (depende de la técnica de medida que se desee aplicar). Se medía a la vez la depresión del ventilador h = Pt, para lo cual la sonda de lectura (tubo de pitot) ha de estar dirigida frente al flujo del aire. Cuando el ventilador entra en bombeo, se observa:  Un cambio de ruido aerodinámico. Si el observador se encuentra dentro de la mina observa que el aire avanza y se para periódicamente.  En el manómetro la columna de agua oscila continuamente.

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VENTILACION DE MINAS

 

En el amperímetro, la aguja oscila. Todo ello corresponde a que, pasando el punto de bombeo, el régimen es inestable y el punto de funcionamiento "pendulea" sobre la concavidad de la curva característica.

Detección del régimen inestable. Sonda Petermann

Espigas en carcasa rodete

Sonda Petermann

Presostato de bombeo

Actualmente, los ventiladores, que suelen ser equipados con un armario de control, gestionan las presiones medidas mediante una sonda Petermann en la “carcasa rodete” y que mediante un presostato detecta el régimen inestable, evitando que el ventilador se dañe. Se pretende resaltar el efecto del bombeo en las dimensiones del sistema, tipo de ventilador, sistema de control, así como en el tiempo y tipo de arranque. Influencia del arranque en el bombeo El trabajo del ventilador en bombeo debido a la resistencia del circuito, se puede evitar desde el origen definiendo apropiadamente la configuración del álabe, pero hemos de tener muy en cuenta, que además, un ventilador puede estar en bombeo por más motivos:  

Durante el arranque de un ventilador. Durante el arranque de dos ventiladores en paralelo.

Si tenemos una estación de ventilación de dos ventiladores en paralelo, con un solo ventilador funcionando y en cierto momento hay que arrancar el segundo ventilador, para caudal cero de éste último, ya se parte de una presión de valor PT, la cual está generando el ventilador ya en funcionamiento, por tanto la situación será más complicada. En el gráfico siguiente, se ve la evolución durante el arranque del segundo ventilador, una vez ya en funcionamiento el primero. Hasta cierta velocidad de rotación la curva del 2º ventilador estará por debajo de la presión PT(1). A partir de cierta velocidad, representada por la curva verde, el ventilador entra en zona de estabilidad y la evolución teórica de los puntos de funcionamiento tiende hasta (PT(2),Q1(2)). Este punto es el que corresponde al régimen permanente, en el cual el sistema moviliza un caudal QT(2).

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VENTILACION DE MINAS Resistencia del sistema

Puntos de funcionamiento en el arranque del 2º ventilador

PORCENTAJE DE PRESIÓN ESTÁTICA

100

PT(2) Curva de 2 ventiladores

PT(1)

O O

Q1(2)

QT(1)

CAUDAL

QT(2)

Zona de inestabilidad durante el arranque.

En las curvas siguientes, donde se representa la evolución de los puntos de funcionamiento, podemos distinguir un fenómeno que se dará con toda seguridad, y es que en el momento que el segundo ventilador arranca, tiene una diferencia de presión de partida desfavorable de valor PT(1) que provocará en los momento iniciales una recirculación de aire del primer ventilador, por lo que la presión PT(1) tenderá a disminuir hasta que el fenómeno de recirculación cese. Dependiendo del tipo de inestabilidad de la curva, puede que haya una recirculación intermitentemente, de forma pulsatoria. A partir del momento que finaliza la recirculación comenzará a incrementarse la presión hasta el momento en que llegue al régimen permanente. 100%

100%

PT(2

PT(2

PT(1

PT(1

Teórica

O O

Zona de inestabilidad durante el arranque.

Real

O

Q1(2)

CAUDAL

O

Q1(2)

CAUDAL

Zona de inestabilidad durante el arranque.

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VENTILACION DE MINAS

Arranque de un ventilador

El funcionamiento de un ventilador en bombeo debe de evitarse. Un ventilador trabaja en bombeo si el caudal volumétrico real está por debajo del “Caudal de bombeo”. Durante este funcionamiento en régimen inestable, pueden aparecer altas cargas dinámicas en los álabes, así como un aumento de los niveles de vibración en el ventilador.

P [Pa]

Qbombeo

Q [m³/s]

Durante el arranque, un ventilador axial trabajará en bombeo durante un periodo corto, sin embargo este periodo del bombeo aumenta significantemente si ha de acelerarse una masa grande de aire, con una inercia importante, sobre

todo cuando se tiene un circuito muy resistente. En el caso de estudio considerado, se observa que hasta que no transcurre un tiempo de aproximadamente 30 segundos, el ventilador no sale del bombeo. Hasta entonces, el caudal que mueve el ventilador no se corresponde con el teórico que debería dar el ventilador a la velocidad de rotación correspondiente debido, entre otras cosas, a que se produce una diferencia entre la presión del sistema y la de ventilador, que será la que acelerará la masa del aire a través del circuito. P ventilador n

Q [m³/s]

P [Pa] / n [rpm]

Q

P bombeo

t [s]

Como consecuencia, en el arranque, cualquier protección del ventilador que pueda estar afectada por este fenómeno deberá ser desconectado, al menos hasta que se termine el arranque, donde pasará del régimen transitorio al régimen permanente. Principalmente se verán afectados cualquier sistema de detección de vibraciones, así como los sistemas antibombeo, que son indicados para proteger el ventilador ya en régimen permanente.

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Como se puede ver en la figura siguiente, en el ejemplo que estamos tratando, cuando el ventilador llega a su velocidad de funcionamiento, el caudal de aire comienza a estabilizar. El ventilador del ejemplo es un ventilador axial ZVN 1-25-500/6 de 2500 mm de diámetro y 500kW de potencia instalada, por lo que los resultados nos sirven perfectamente para sacar conclusiones aplicables a los ventiladores principales de minas. Una vez que pasa la fase de funcionamiento inestable, es decir el bombeo, el ventilador comienza a tener ya más presión disponible, ya que ha acelerado la masa de aire, con lo que el caudal que moviliza el ventilador se incrementa con más celeridad. Es a partir de ese momento cuando se empieza a mantener una proporcionalidad entre la velocidad de rotación del rodete y del caudal que está moviendo. Este fenómeno descrito anteriormente es referido a un solo ventilador en funcionamiento. Arranque de dos ventiladores en paralelo

Para dos ventiladores idénticos, con arranque simultaneo, ocurre que siempre uno de los dos ventiladores tiene un bombeo más prolongado. Para el ventilador que va en mejores condiciones, su bombeo en el arranque podría superar los 40 s (frente a 30s de un solo ventilador), pero el otro ventilador tiene un tiempo de bombeo superior, que podría pasar de los 55s, dependiendo de la resistencia del circuito. Este bombeo se da en el transitorio del ventilador, en el arranque, y cuando alcanza el régimen permanente, los dos ventiladores han de tener el mismo punto de funcionamiento. P ventilador n

Q [m³/s]

P [Pa] / n [rpm]

Q P bombeo

Arranque simultáneo: Ventilador 1 t [s]

En el gráfico siguiente se puede observar ausencia de caudal hasta poco después de los 30 segundos, así como también entre los 45 y 50 segundos. El motivo es que el sistema de medición de caudal empleado no medía valores negativos de caudal, es decir, el primer ventilador estaba provocando un recirculación de aire, que cesó aproximadamente cuando alcanza las 750 rpm del segundo ventilador.

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VENTILACION DE MINAS

P ventilador n

Q [m³/s]

P [Pa] / n [rpm]

Q P bombeo

Arranque simultáneo: Ventilador 2 t [s]

En el caso de que el segundo ventilador se ponga en marcha ya con el primero funcionando, éste tendrá un arranque en peores condiciones, prolongándose el bombeo incluso hasta 72s.

P ventilador

Q Q [m³/s]

P [Pa] / n [rpm]

n

P bombeo

Arranque diferido: Ventilador 2

t [s]

Como se puede apreciar la recirculación es más importante y el fenómeno de bombeo más prolongado. En muchos casos un ventilador si entra en régimen inestable, puede ocurrir, como es bien conocido que no recupere y se mantenga en bombeo. No es el caso de ejemplo que estamos manejando, pero si acoplásemos a estos dos ventiladores otros dos más trabajando en paralelo, se puede deducir con facilidad, que el fenómeno se agudizará, más aún si los puntos de funcionamiento en régimen permanente son distintos. El problema ya no sería solamente en el arranque, sino que en el funcionamiento normal, a medida que los ventiladores vayan ajustando su régimen según las necesidades de aire en el túnel, estarán gran parte del tiempo en el transitorio.

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VENTILACION DE MINAS

Si las condiciones de arranque no son controladas, puede que el segundo ventilador no salga del bombeo. Este análisis descrito anteriormente se refiere a dos ventiladores similares trabajando en paralelo, de condiciones aerodinámicas idénticas y trabajando a la misma velocidad de rotación. Soluciones adoptadas para el bombeo Teniendo en cuenta los conceptos anteriores, cabe pensar que el trabajo en paralelo de 2 o más ventiladores es un tema que hay que estudiar muy detenidamente y en conjunto con el suministrador de equipos para poder garantizar que los ventiladores no trabajen en régimen inestable. Se ha visto que el fenómeno de bombeo puede aparecer en dos situaciones  

En el arranque Durante el funcionamiento.

Los ventiladores para evitar su deterioro debido al trabajo en régimen inestable, están dotados de una sonda Petermann, que en conjunto con un presostato adecuado forman el sistema antibombeo. Si entra en bombeo el ventilador, esta protección lo detectará con el consiguiente paro del ventilador. Esta protección es necesaria sobretodo cuando por motivos extraordinarios la resistencia del circuito se incrementa por encima de los valores de diseño evitando la rotura de los álabes. Esta protección servirá al ventilador ya en funcionamiento y en régimen permanente Para el arranque de varios ventiladores en paralelo, mientras uno ya está en operación, podemos evitar la inestabilidad bajando la velocidad del ventilador que ya esté funcionando a una velocidad que denominaremos de acoplamiento y se arrancarán el resto de ventiladores hasta la misma velocidad. A continuación se iniciará un incremento simultáneo de la velocidad hasta que lleguen todos los ventiladores a la capacidad requerida. Como es evidente, se ha de disponer de variadores de frecuencia para poder realizar este tipo de arranque. Por tanto, también las características aerodinámicas de los equipos en relación con la resistencia de la mina, pueden condicionar la elección del tipo de arranque y control de una instalación. El conocimiento del fenómeno de bombeo, si es bien entendido, minimiza sus consecuencias negativas. El conocimiento del transitorio del arranque o del cambio de régimen de ventiladores en paralelo, evita problemas “a posteriori” en el conjunto del sistema de ventilación, garantizando el correcto funcionamiento del mismo. 5.3

Trabajo en conjunto de ventilador y del tiro natural

La ventilación por la acción conjunta del ventilador y del tiro natural es semejante a la ventilación de la mina mediante dos ventiladores instalados en serie, de los cuales uno representa la ventilación natural.

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VENTILACION DE MINAS

Este problema se resuelve gráficamente por el procedimiento ya conocido; la diferencia consiste en que, en vista de la constancia del valor de la ventilación natural, en la construcción de la característica totalizada, la ordenada de la característica de la ventilación natural se agrega a la ordenada de la característica del ventilador, en forma del segmento constante. Naturalmente, si la dirección de la ventilación natural es inversa a la dirección de la depresión del ventilador (tiro natural desfavorable), entonces, la ventilación natural se resta de la depresión del ventilador.

PORCENTAJE DE PRESIÓN ESTÁTICA

Curva trabajo conjunto PT Tiro Natural

P1 Curva de 1 ventilador

PV

PORCENTAJE DE PRESIÓN ESTÁTICA

Resistencia del sistema Resistencia del sistema Curva de 1 ventilador

P1

Tiro Natural

PT Curva trabajo conjunto

PV

O

O O

Q1 QT

CAUDAL

Tiro Natural favorable

O

CAUDAL

QT Q1 Tiro Natural desfavorable

Este fenómeno es importante tenerlo en cuenta, ya que ventiladores que tengan un dimensionamiento muy ajustado sin considerar el tiro natural, si éste es desfavorable, puede hacer trabajar al ventilador en régimen inestable. Es muy frecuente en minas que tienen ventiladores viejos en las que la resistencia del circuito es ahora más resistente y que en verano los ventiladores trabajan en bombeo durante el día. Si vemos los gráficos anteriores, en esta última situación el ventilador pasa de trabajar en (P1,Q1) a (PV,QT) que ya está prácticamente en bombeo. Por tanto, si tenemos un tiro natural favorable, el ventilador irá más desahogado, pero en cambio, si el tiro natural trabaja en contra, si éste es importante o el ventilador ya estaba cercano al bombeo, entonces el ventilador finalmente trabajará en régimen inestable. 5.4

Regulación del rodete del ventilador

Con la regulación de los álabes se consigue cambiar de curva característica dentro del haz por el que está definido el ventilador. Existen diferentes tipos de regulación de álabes de un ventilador axial: En líneas generales podemos distinguir:  

Regulación con ventilador en marcha Regulación a ventilador parado 39 de 180

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La regulación con el ventilador en marcha es un sistema que se utiliza pocas veces debido principalmente tanto a su coste de adquisición como al coste de mantenimiento. Permite una regulación muy fina, y se puede ajustar el caudal de aire a las necesidades de cada momento con el ventilador en marcha. Esto se conseguiría con variadores de frecuencia, pero si tenemos un motor de media tensión, para el cual, conseguir un variador es actualmente tarea imposible, esta sería la solución.

Suspension del álabe

álabe

cubo

Engrasador

Eje de acoplamiento

Con este sistema, los arranque se realizan con el ángulo mínimo de regulación, así minimizamos el par de arranque, facilitando la puesta en marcha del equipo.

Disco

Evidentemente, se necesita un armario de control para su manejo. Hoy día, con el uso de los variadores de frecuencia está más en desuso, pero si se necesita una variación de caudal en marcha y no se pueden utilizar estos debido a alguna limitación, este sistema es la mejor solución. La regulación a ventilador parado, principalmente es de dos tipos, individual o central: regulación En la individual de rodete, esta operación se realiza álabe a álabe. Se procede a aflojar todos los tornillos de fijación hasta que permita cambiar el ángulo de posición de trabajo. Para ello se tendrá como referencia la escala de ángulos de cada álabe.

Requiere un tiempo importante para la regulación debido al gran número de tornillos a manejar.

Alabe

Cubo

Tornillos de fijación

Escala Alabe

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La regulación central permite el ajuste de todos los álabes simultáneamente. Con la ayuda de un llave de regulación y teniendo de referencia un álabe guía, que tiene escala de ángulos, se regulan todos. Escala de referencia Tornillo de regulación

Escotilla de regulación

álabes

La ventaja de este sistema es principalmente la rapidez de regulación. Esta es importante si hay que regular frecuentemente y no se dispone de mucho tiempo, debido a entre otras cosas de dejar sin ventilación la mina. Tiene, en cambio, la desventaja de la pérdida de precisión si no se hace el adecuado mantenimiento, ya que se acumula suciedad y entorpece la transmisión de los engranajes que lleva el sistema.

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6 6.1

MANTENIMIENTO DE LOS VENTILADORES Introducción al mantenimiento

Los ventiladores, a pesar de la robustez y fiabilidad que les caracteriza, se someten frecuentemente a grandes esfuerzos – también inesperados. Los ventiladores deben ser revisados y mantenidos regularmente por personal especializado cualificado para evitar daños y accidentes. Especialmente rodamientos defectuosos y vibraciones excesivas pueden originar roturas y daños graves en consecuencia. A pesar de los altos estándares en seguridad de los rodamientos y su, hasta cierto punto, larguísima vida útil, falla todo rodamiento llegado un momento. Se debe supervisar la instalación regularmente, en función de las condiciones de trabajo dadas, ya que daños mínimos, p. ej. en las vías de rodadura, se agravan rápidamente. Rodamientos estropeados pueden provocar roturas del eje y destrozo total. Las vibraciones son un enemigo de toda máquina rotativa, ya que se pueden presentar roturas por vibración difícilmente predecibles. La mejor protección consiste en minimizar la energía de vibración. De fábrica viene el ventilador con una alta calidad en vibración. Se pueden originar desequilibrios peligrosos debidos, entre otras razones, a agarrotamientos, desgaste, rodamientos deteriorados y sobre-temperaturas. Conjuntamente con la revisión de cojinetes se debe, por tanto, revisar el factor de vibración regularmente. Previamente a los trabajos en el ventilador se tiene que quitar la conexión eléctrica. Se debe evitar una puesta en marcha involuntaria señalando y bloqueando el dispositivo eléctrico de conexiones. El rotor se tiene que retener con medios mecánicos. La frecuencia del mantenimiento depende esencialmente del modo de funcionamiento, de las condiciones ambientales y de la disponibilidad requerida. El usuario debe determinar la misma conjuntamente con la concepción global del equipo, ateniéndose a las especificaciones dadas por el fabricante del equipo. Se debe contar con piezas de repuesto suficientes. Todos los rodetes de los ventiladores vienen bien equilibrados de fábrica. Debido al polvo, rozamientos o almacenajes se puede presentar un desequilibrado que origine una marcha no suave o daños en los cojinetes. Aunque el mantenimiento que necesita un motor en jaula de ardilla es mínimo, se debe prestar una atención periódica a lo siguiente para, de esta forma, mantener un alto rendimiento de operación.  Muchos motores pequeños se escogen con rodamientos sellados y blindados como estándar. Cuando los rodamientos deban ser engrasados, debe hacerse de acuerdo con las instrucciones del fabricante y sustituidos siempre con los componentes adecuados.  Un buen alineamiento del eje del motor con la carga reduce las pérdidas en funcionamiento, el desgaste de los rodamientos, ruido y vibración.

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 La limpieza del conjunto es importante para asegurar que el calor generado dentro del motor se elimina con efectividad. Los ventiladores de admisión y las superficies del armazón deberían mantenerse sin suciedad. También asegurarse de que el aire que circula sobre el motor no encuentra impedimentos, especialmente la parte cercana al ventilador. Un incremento en la temperatura del bobinado del estator de 1oC puede producir un incremento de al menos el 0.5% sobre las pérdidas I2R , además de acortar la vida del aislamiento del motor. 6.2

Trabajos de mantenimiento

La frecuencia del mantenimiento depende esencialmente del modo de funcionamiento, de las condiciones ambientales y de la disponibilidad requerida. El usuario debe determinar la misma conjuntamente con la concepción global del equipo, ateniéndose a las especificaciones dadas por el fabricante. Todos los rotores de los ventiladores vienen esmeradamente equilibrados de fábrica. Debido al polvo, rozamientos o almacenajes se puede presentar un desequilibrado que origine una marcha no suave o daños en los cojinetes. Se debe velar, por consiguiente, por un servicio libre de sacudidas. El mantenimiento debe ser ejecutado por personal cualificado usando las herramientas y equipamientos apropiados para tal fin. Se ha de establecer una lista de inspecciones de mantenimiento y dichas acciones deben ser registradas en un archivo de históricos. Cuando el medio es especialmente insalubre, es necesaria una reducción de los intervalos. Las superficies internas y externas deben ser limpiadas con agua a baja presión y aditivos no abrasivos. Se debe evitar cualquier aplicación directa de agua hacia el motor. Se ha de verificar que todos los elementos de fijación estén bien asegurados. Aquellos elementos que estén pintados o bien tengan dispositivos de bloqueo de seguridad como arandelas Grower no necesitan ser verificados si mediante una inspección visual esta parece satisfactoria. Cualquier elemento de bloqueo que se haya dañado durante el mantenimiento ha de ser remplazado. A aquellos elementos que no estén pintados o tengan elementos de bloqueo se les ha de aplicar el 95% del par de apriete recomendado en su día durante el proceso de instalación. Si tiene alguna duda sobre el par de apriete necesario para un elemento de fijación, se debe contactar con el servicio técnico apropiado. Como ya se ha comentado, los rodamientos del motor han de ser engrasados en caso de necesidad conforme a las especificaciones del fabricante, tanto para el tipo de grasa a utilizar como para los periodos de engrase necesarios. Se debe evitar cualquier tipo de suciedad tanto en el exterior de los engrasadores como en la pistola de aplicación de grasa. Lo lógico es que se necesite una presión leve en el engrasador para introducir la grasa, en caso contrario se ha de buscar el motivo de la obstrucción. Generalmente los engrasadores se encuentran sobre la carcasa en el lado donde se encuentran las cajas de bornas.

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6.2.1

Control de vibraciones

Vibraciones elevadas son siempre un síntoma de peligro. El mejor modo de definir las variaciones dadas en la suavidad de marcha es la medición de las vibraciones mecánicas en los rodamientos. La manera más segura de definir estas variaciones es comparando los valores medidos durante largos períodos de tiempo. Si los valores varían notablemente se deben investigar las causas posibles, como por ejemplo suciedad en el rotor. Dado el caso se debe realizar una limpieza y reequilibrado. Salvo especificación contraria definida por el cliente, el nivel de vibraciones máximo en funcionamiento in-situ vendrá definido por los valores especificados en la norma AMCA Standard 204-05 Balance Quality and Vibration Levels for Fans. En ella se clasifican los ventiladores y se especifican los niveles de vibración. Tabla 4.1 -Fan application categories for balance and vibration

AMCA Standard 204-05 Balance Quality and Vibration Levels for Fans. APPLICATION

EXAMPLES

INDUSTRIAL PROCESS & POWER GENERATION, ETC.

Baghouse, scrubber, MINE, conveying, boilers, combustion air, pollution control, wind tunnels

TRANSIT / TUNEL

Situación

Alarma

Parada

DRIVER POWER KW (HP) LIMITS

FAN APPLICATION CATEGORY, BV

 298 (400)

BV-3

> 298 (400)

BV-4

Subway emergency ventilation, tunnel fans, garage ventilation

 75 (100)

BV-3

> 75 (100)

BV-4

Tunnel Jet fans

ALL

BV-4

Categoría del Ventilador BV-1 BV-2 BV-3 BV-4 BV-5 BV-1 BV-2 BV-3 BV-4 BV-5

Fijación rígida (mm/s) 15.2 12.7 10.2 6.4 5.7 NOTA NOTA 12.7 10.2 7.6

Fijación flexible (mm/s) 19.1 19.1 16.5 10.2 7.6 NOTA NOTA 17.8 15.2 10.2

NOTA: Los valores de parada para ventiladores de categoría BV-1 y BV-2 deben ser establecidos de acuerdo a registros históricos.

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Como ejemplo, de un ventilador de mina de 400kW, que tiene una anclaje flexible, silentblocks, obtendremos de la tablas anteriores ya que la potencia es mayor que 298 kW, (400>289), que el ventilador estará clasificado como BV-4. Puesto que el apoyo es flexible, no rígido, los valores de alarma y parada serán 10.2mm/s y 15.2mm/s respectivamente. No debemos olvidar que estos valores son los medidos en cada uno de los rodamientos del motor. En ningún momento estas referencias son válidas para mediciones en carcasas de ventilador. 6.2.2

Control de Rodamientos

Se debe realizar un control de cada uno de los rodamientos con regularidad. Para evitar averías o paradas antes de tiempo, no deben penetrar suciedad, cuerpos extraños ni humedad. Durante el relubrificado, cambio del lubricante y cambio de los cojinetes se debe obrar con una pulcritud concienzuda. Resulta altamente beneficioso un sistema de control de estado de los cojinetes mediante medición electrónica de impulsos de choque o de vibraciones (p. ej., método de medición SPM). La medición ha de hacerse directamente sobre los rodamientos. Más del 90% de los fallos mecánicos se anuncian mediante un aumento de la vibración o de los niveles de impulsos de choque. Con estos sistemas obtendremos un aviso temprano en caso de lubricación pobre del rodamiento, inicio del daño, o de rodamiento dañado, así como realizará un mantenimiento de alerta en caso de un incremento significativo de la severidad de la vibración. Deberá observar las indicaciones especiales del fabricante del aparato de medición. No sólo los valores registrados en el momento son de relevancia, sino mayormente el contrastado de los datos a lo largo de un período de tiempo más largo, pues ello es el mejor recurso para reconocer variaciones en cojinetes. El método SPM conducirá muy raramente a error. Particularmente en máquinas de especial importancia se debe observar también la formación de ruidos y la temperatura. Valores en aumento pronunciado son una señal de alarma a tomar en serio. Este sistema de trabajo es realmente un sistema de mantenimiento predictivo. Los plazos para lubrificado son válidos para cojinetes de máquinas con emplazamiento fijo, para una carga normal y para grasas líticas resistentes al envejecimiento, cuando la temperatura medida en el anillo exterior es menor a + 70°C. Para temperaturas de cojinetes mayores, el plazo para lubrificado es inferior. Se debe en todo momento, tener en cuenta las recomendaciones de cada suministrador en función del ambiente de trabajo. Asimismo no se puede sobrepasar el valor máximo tolerable de trabajo de la grasa. No se puede sobrepasar el valor máximo tolerable de trabajo de la grasa. Se ha de engrasar tal y como indica el fabricante.

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En lo subsiguiente dependerá la vida útil de los cojinetes de las condiciones de funcionamiento y de las características del lugar de aplicación. Recomendamos un control regular de los cojinetes. La frecuencia se corresponderá con la importancia del equipo. 6.2.3

Inspección del rotor

Si es probable que el rotor del ventilador sufra desgaste debido a abrasión o corrosión o contaminación, se debe realizar regularmente, por razones de seguridad, una inspección, limpieza y reequilibrado; al menos una vez por año. Se recomienda tener un segundo rotor destinado a los trabajos de reacondicionamiento alternados. Después de cualquier desmontaje de álabes, del reemplazo del cubo, o de cualquier acción sobre el rodete, es en parte necesario proceder a un reequilibrio de éste según el grado de equilibrado especificado por ZITRON: (G 6.3 o G 2.5). Una vez rodete reinstalado, una nueva medida de las vibraciones debe ser hecha. Si las vibraciones siguen siendo altas, es necesario entrar en contacto con el servicio después de la venta del fabricante. 6.2.4

Emplazamiento. Resistencias de Caldeo.

En determinadas condiciones ambientales puede darse condensación en la caja del motor. Ello se puede evitar con una calefacción para momentos de parada o aplicando una tensión pequeña en el arrollamiento del motor. Es lo que denominamos resistencias de caldeo o “space heaters”. Se trata de unas resistencias que están dentro del propio motor, que suelen estar alimentadas por defecto a 220V, y que generan una potencia que dependerá del tamaño del motor. En la foto de la placa que hay a la derecha, se observa que la para un intervalo de voltaje de 220-240V tendremos una potencia generada por las resistencias de caldeo de 65-94W. Podemos ver adicionalmente que nos indica que lleva dos sondas PTC en el que la pre-alarma se producirá cuando el bobinado del motor alcance 155ºC y que la alarma que producirá el paro del motor ocurrirá cuando la temperatura sea de 180ºC. Se deben abrir regularmente los orificios para purga de condensados del motor, y además comprobar su apertura.

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6.2.5

Conexión eléctrica

Es importarte revisión del apriete de los terminales en la caja de bornas, ya que con el funcionamiento podrían aflojarse y hacer mal contacto, lo que podría producir un arco eléctrico en ciertas condiciones. Importantísimo es la verificación del estado de las tierras. Es muy importante asegurarse de que el radio de curvatura de llegada de los cables a la caja de bornas impide que penetre agua a través del prensaestopas. Adaptar el prensaestopas y su posible reductor al diámetro de cable utilizado. Para conservar en la caja de bornas del motor su protección IP 55 original, es indispensable asegurar la estanqueidad del prensaestopas apretándolo correctamente (para desatornillarlo es imprescindible una herramienta). En el caso de que haya varios prensaestopas y de que no se utilicen algunos, asegurarse de que siguen estando cerrados y reapretarlos para que asimismo sólo puedan soltarse empleando una herramienta. Hay que comprobar el estado de los cables en detalle en la caja de bornas. Evitar que haya cables sueltos o pelados que puedan producir un cortocircuito. A continuación se observa una placa característica de un motor donde se puede observar datos que son de importancia en el mantenimiento del motor.

Por un lado para la frecuencia de red de nuestro suministro eléctrico, tendremos un tipo de conexión adecuado, que ha de ser en estrella o en triángulo. Para cada opción hemos de tener la tensión de trabajo adecuada, con lo que dos parámetros claves, la tensión y la intensidad de corriente de trabajo. Se ha de comprobar que la tensión está en unos valores que no difieran más de un 10% de la requerida y que la intensidad de trabajo esté por debajo de la intensidad nominal. Con la denominación DE y NDE nos referimos al rodamiento delantero, (DRIVE END) y al rodamiento trasero, (NON DRIVE END), que en caso de este ejemplo son rodamientos idénticos, tipo 6316 C3. Como podemos observar la información que aporta, aparte del tipo de rodamiento, es la cantidad de grasa que hay que poner

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en cada uno, (35g) y cada cuanto tiempo, (2900h), además del tipo de grasa, (ESSO UNIREX N3). En el caso de uso de convertidor de frecuencia, éste debe estar reglado de tal modo que se eviten cargas innecesarias debidas a altas aceleraciones positivas o negativas. Ello se cumple por lo general si el tiempo de aceleración para rotores con un diámetro hasta 1000 mm dura al menos 30 segundos, para diámetros entre 1000 y 2000 mm 60 segundos y para diámetros mayores 120 segundos. En la puesta en marcha se deben ajustar estos valores acorde evoluciones las condiciones de funcionamiento. La regulación debería reglarse lo más pausada posible, para evitar cargas innecesarias durante el funcionamiento, con aceleraciones y frenados persistentes, que podrían originar roturas por fatiga. Las aceleraciones ordenadas por el control del proceso no deberían ser mayores que 0,45 rad/s², excepto al pasar por las frecuencias características. Se tiene constancia de que se presentan roturas por fatiga del material cuando se modifica repetidamente el número de revoluciones con el convertidor de frecuencia. Si durante la modificación del número de revoluciones se pasa habitualmente por las frecuencias de resonancia (las cuales deben estar bloqueadas en el convertidor de frecuencia), puede ser apropiado un período de vida aún menor. Tras cortar el suministro de corriente al convertidor de frecuencia se debe esperar un tiempo mínimo de 10 minutos antes de tocar los cables o componentes del convertidor, ya que existe riesgo de graves lesiones debido a la energía acumulada en los condensadores. Incluso las tarjetas de control pueden estar en el potencial del circuito eléctrico principal. Medir siempre la tensión y conectar a tierra antes de tocar los componentes. Además deben tenerse en cuenta las indicaciones de seguridad específicas del fabricante del convertidor de frecuencia antes del montaje y la puesta en funcionamiento. Como recomendaciones muy generales:    

El motor y el convertidor de frecuencia deben emplazarse lo más próximos posibles el uno del otro para minimizar las interferencias electromagnéticas. Los cables deben estar revestidos y no pueden tener mayor longitud que la prevista por el fabricante. Se deben conectar a tierra cables, regletas protectoras de cables, el convertidor de frecuencia y el motor. Para minimizar las interferencias de radio puede hacerse necesario el uso de filtros suplementarios.

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6.3

Revisiones de seguridad necesarias

Aparte de todas las indicaciones citadas para los equipos de ventilación, al tratarse este equipamiento de máquinas que trabajan cerca de personas y vehículos y pueden ser dañados con facilidad, las siguientes indicaciones han de ser tenidas en cuenta. Se han de realizar como mínimo cada seis meses, si bien se recomienda realizar inspecciones de seguridad más frecuentemente. Estas inspecciones se producen para localizar si algún ventilador tiene daños o deficiencias en su exterior, debiéndose cambiar inmediatamente todas las piezas dañadas. Es necesario vigilar el umbral de vibración registrada en el ventilador en los puntos de medición elegidos o bien a través de los sensores suministrados. La manera más fiable de verificar estos niveles es a través de un registro histórico durante periodos largos de tiempo. Si los valores han variado notablemente, se han de investigar las causas posibles de dicha incidencia. En ese caso se procederá a su corrección mediante por ejemplo una limpieza o un reequilibrado. Valores de vibración elevados pueden originar la destrucción del ventilador, representando un riesgo grave para las personas. Cuando existan en el lugar de emplazamiento de los ventiladores, amenazas suplementarias como altos índices de corrosión, contaminación elevada, ambientes agresivos, etc. se deben llevar a cabo inspecciones de control y limpieza con intervalos reducidos. 6.3.1

Cada 2 meses

Verificar los arranques de los ventiladores. Hacerlo de uno en uno comprobando los consumos eléctricos, que se mantengan en los límites normales. (Por debajo de la Intensidad nominal) Hay que recordar que si los ventiladores llevan mucho tiempo parados, el consumo eléctrico al inicio es un poco más alto, hasta que se estabiliza en valores ligeramente inferiores. 6.3.2

Cada 6 meses

Verificar los arranques de los ventiladores. Hacerlo de uno en uno comprobando los consumos eléctricos, que se mantengan en los límites normales. (Por debajo de la Intensidad nominal) Hay que recordar que si los ventiladores llevan mucho tiempo parados, el consumo eléctrico al inicio es un poco más alto, hasta que se estabiliza en valores ligeramente inferiores. Observar que no haya ningún ruido extraño de origen mecánico. La formación de ruidos y el calentamiento permiten llegar a conclusiones acerca del funcionamiento correcto. Los ruidos de marcha y detención progresiva se pueden comparar al objeto con otros ventiladores. 49 de 180

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Adicionalmente, verificar el nivel de vibraciones, ya que estarán monitorizadas, ver que no se han incrementado desde la última revisión. La manera más segura de definir estas variaciones es comparando los valores medidos durante largos períodos de tiempo. Si los valores varían notablemente se deben investigar las causas posibles, como por ejemplo, suciedad en el rotor, dado el caso se debe realizar una limpieza y reequilibrado o en su caso, deterioro de los rodamientos. 6.3.3

Cada 12 meses

Revisión minuciosa: daños y corrosión de aislamientos sonoros, rotor, carcasa tubular, motor, cables, conexiones, suspensión y amortiguación de vibraciones. Se deben subsanar los daños antes de que la gravedad de los mismos aumente, particularmente los daños en la protección de superficie. Revisión detallada de todas las partes portantes y uniones atornilladas de la sustentación o de los apoyos. Todas las tuercas deben estar aseguradas contra el aflojamiento y apretadas con el par de apriete correcto, especialmente la tuerca indicada en el croquis. Se debe regenerar la protección de superficie que estuviera dañada en las uniones atornilladas. En resumen:      

Verificar el estado del rodete Verificar el consumo eléctrico Verificar apriete de los terminales de las cajas de bornas Verificar que el rodete no roza con la carcasa Verificar que no haya ruidos extraños Verificar que los atenuadores acústicos estén en buenas condiciones, sin agujero, que no acumulen humedad.  Verificar el nivel de vibraciones  Verificar el estado de los anclajes, verificando los aprietes, que haya nada flojo.  Verificar el estado de los muelles de los apoyos, que hagan su trabajo, que no estén trabados.

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6.4

Puesta en funcionamiento

Se deben observar escrupulosamente las normas de seguridad para aparatos e instalaciones eléctricas así como las de las compañías eléctricas. Sólo personal cualificado y conocedor de los riesgos relacionados con equipamientos de ventilación, y con las herramientas necesarias y adecuadas para realizar los trabajos, debería operar con el ventilador. El personal será supervisado por el responsable de seguridad de la instalación. Se debe revisar que no haya cuerpos extraños en el ventilador y en los atenuadores de ruido previamente a la puesta en funcionamiento del ventilador. Piezas que estén flojas o sueltas pueden ser arrastradas por la corriente de aire y provocar lesiones. ¡Nunca debe haber personas en el flujo de aire! El sentido de giro correcto del ventilador será el que desde el lado de aspiración del ventilador se vería girar el rodete en sentido antihorario o desde el lado de impulsión del ventilador se vería girar el rodete en sentido horario. Mediante una breve conexión del motor y observación de las partes rotativas se puede supervisar el sentido de giro. Si fuese el incorrecto se deben cambiar los terminales de las conexiones eléctricas. Se debe medir la toma de corriente y comparar con la intensidad nominal del motor. ¡No se puede conmutar del sentido de giro de un ventilador al opuesto sin pasar por el estado de reposo, pues se pueden producir daños mecánicos debido al alto momento de inercia!. Sólo son tolerables 6 procesos de arranque por hora, con objeto de evitar un calentamiento excesivo y una sobrecarga del acoplamiento. Entre dos arranques debe mediar una fase de enfriamiento de al menos 5-10 minutos. Antes de arrancar cualquier equipo o accesorio de ventilación:  Retirar cualquier objeto extraño que pudiera haber en el interior de la carcasa del ventilador.  Verificar que tanto las protecciones mecánicas como eléctricas están instaladas y funcionan correctamente.  Si el ventilador está equipado con equipos de protección o medición externos (termoresistores, sensores de vibración, etc) asegurarse de que están conectados y funcionan correctamente.

Antes de comenzar ningún trabajo de mantenimiento asegurarse que el ventilador ha sido desconectado de la red eléctrica y de que ninguna persona no autorizada pueda conectarlo accidentalmente. Las protecciones de seguridad sólo pueden desconectarse si el equipo de ventilación está fuera de servicio. En ningún caso se permiten modificaciones y cambios que afecten a la seguridad el equipo de ventilación.

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Para trabajos en el interior del ventilador, el rodete tiene que ser bloqueado mecánicamente para impedir giros accidentales del mismo. Sólo está permitido abrir escotillas o puertas de inspección si el ventilador está parado. El usuario ha de tomar las medidas pertinentes y proveer los elementos apropiados para impedir una llegada involuntaria de energía al ventilador y a las piezas accesorias, particularmente durante los trabajos de montaje y mantenimiento. Para ello debe tomarse en consideración, además de la eléctrica, otras fuentes de energía como la hidráulica, neumática, energía potencial, tensión en muelles/resortes y corrientes/tiros de aire en el sistema. El usuario debe proveer elementos de separación, desconexión, tomas a tierra y de bloqueo, asegurándolas además visiblemente contra una reconexión involuntaria. 6.5

Transporte y manipulación

Para el transporte de los ventiladores se ha de tener en cuenta: Evitar golpes de cualquier tipo durante el movimiento teniendo en cuenta donde está el centro de gravedad del ventilador, no sujetándolo por un extremo. Se ha de evitar que en la descarga del ventilador el ventilador no sea golpeado, haciendo llegar a suelo al ventilador suavemente con un equipo adecuado, con esto evitaremos que se dañe el rodete, la carcasa del ventilador y los rodamientos. Para evitar daños debidos a una rotura una carga y descarga no cuidadosa todo este proceso deberá hacerlo personal adecuado y capacitado para ello.

El sistema de carga y descarga del ventilador ha de ser dimensionado atendiendo a la carga que ha de soportar, es decir habrá que tener en cuenta el peso del ventilador y sus dimensiones.

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Si el equipo de ventilación está montado sobre un palé, se ha de utilizar una carretilla elevadora para moverlo. No debe utilizarse el palé como un instrumento de elevación a no ser que se indique lo contrario. Para el transporte mediante grúas, enganchar únicamente el equipo en los puntos adecuados indicados por el fabricante y mediante las argollas de transporte o cáncamos de elevación previstos para tal fin. Se ha de tener en cuenta que el conjunto de ventilación ventilador se debe levantar usando las argollas de transporte en el armazón de base y no usando los enganches de componentes específicos como cajas de bornas o motor.

Durante el transporte, y también durante el almacenaje, se debe cuidar que no penetre agua (por ejemplo de lluvia) en el motor, los cojinetes u otros componentes delicados. Durante transportes cortos al descubierto, o durante almacenajes provisionales al aire libre, los equipos de ventilación se deben disponer bajo un toldo, preferiblemente en posición horizontal, para que no penetre agua al motor a lo largo del eje. Recomendamos sólo transportes cubiertos y almacenajes en locales cerrados. Los medios de manutención elegidos para la manipulación del ventilador deben ser acordes al peso indicado para el equipo de ventilación. Se ha de comprobar que la unión entre el ventilador y el medio de elevación sea segura, teniendo en cuenta los centros de gravedad del conjunto, sin posicionar sobre el canto ni volcar y no pasar ni permanecer en ningún caso bajo la carga. Descargar y mover el ventilador cuidadosamente con el fin de evitar daños o deformaciones en las carcasas, rodetes, silenciadores o cojinetes del motor eléctrico. Si el ventilador va a ser almacenado, se ha de verificar inmediatamente en el momento de la recepción si existe algún daño causado por el transporte o alguna anomalía respecto al equipamiento que se había pedido originalmente e informar inmediatamente al fabricante. El ventilador debe ser almacenado en una sala limpia, seca y libre de vibraciones. Si estas condiciones no cumplen, deberían conectarse la resistencia de caldeo del motor eléctrico a

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la fuente de alimentación adecuada, con el fin de evitar problemas de condensación, y además apoyar el equipo sobre una base antivibratoria para evitar daños en los rodamientos. Se aconseja girar el rodete al menos una vez al mes con el fin de evitar que la grasa de los rodamientos del motor se endurezca y dañe los rodamientos. El rodete no debe quedar en la misma posición angular después del giro. Si el ventilador es almacenado por un periodo de doce meses o superior, se aconseja que antes de su puesta en marcha sea revisado por personal técnico de ZITRON. 6.6

Almacenaje y tiempos de parada / Mantenimiento

Se debe atender a que se asegure una protección contra polvo y humedad. Se deben evitar cambios bruscos de temperatura. Si no se observa ello en justa medida pueden resultar dañados, como consecuencia, motores eléctricos, cajas de cables, rodamientos, capas de pintura y juntas. Sobre todo lo que nos ha de preocupar es el estado del motor, que no haya humedad en los bobinados. La grasa o el aceite pueden perder capacidad lubricante debido al tiempo de parada. Se puede formar óxido en los cojinetes. Los rodamientos de bolas pueden quedar mellados. Para evitar esto debería ponerse el ventilador en funcionamiento cada 1 a 2 meses por 10 minutos aprox., o al menos hacer girar el rotor. Si el equipo de ventilación va a ser usado menos de una vez al mes, o por uso de emergencia solamente, los procedimientos de mantenimiento siguientes deben ser respetados y se ha de confeccionar el siguiente registro de mantenimiento:  La resistencia de los devanados debe ser medida cada mes. Si la lectura es menor de 10 megaohmios, el motor debe ser secado con un flujo de aire (normalmente 40ºC) y comprobado antes del funcionamiento del motor.  El motor debe operar durante al menos dos horas al mes para asegurar el correcto funcionamiento ante las condiciones de lubricación de los rodamientos.  El sistema de emergencia debe ponerse en funcionamiento al menos durante quince minutos al mes para asegurar la correcta función de todos los interruptores y controles.  Si se ha suministrado alguna resistencia de caldeo, comprobar cada mes que se enciende dicha resistencia cuando el motor se apaga.

Los dos factores fundamentales a controlar son las vibraciones que puedan soportar el ventilador parado ante ciertas condiciones y la humedad ambiental del aire en el lugar de almacenamiento. Cuando un ventilador está parado, y sus rodamientos no se mueven, se está soportando vibraciones, los propios rodamientos se deterioran por el golpeteo de las bolas sobre las pistas, es decir se forman huellas de presión debido a la carga estática. De esta manera, se está machacando un mismo punto todo el tiempo, de manera que cuando se vaya a utilizar, tendrá unos valores de vibración que podrían implicar el cambio de dichos rodamientos.

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Como actuación preventiva, como ya se ha dicho anteriormente, el ventilador debería apoyarse sobre un suelo regular y nivelado, pero además entre el suelo y el apoyo del ventilador intercalar una plancha de goma que atenúe la transmisión del las vibraciones. Por otro lado, si el lugar de almacenamiento es exterior, se debería eliminar cualquier obstrucción al paso del aire por el ventilador, ya que de esta manera, evitamos que se machaquen las pistas de los rodamientos ya que los álabes del ventilador estarían moviéndose de vez en cuando. Si no fuese posible que pase aire por el ventilador, es necesario girar periódicamente (más o menos una vez al mes), un poco los álabes para que el rodamiento gire, y las vibraciones residuales que recibe no machaque siempre el mismo punto. El otro parámetro importante a tener en cuenta es la humedad ambiental. Si esta es importante, como es el caso, conviene que periódicamente se conecten las resistencias de caldeo, que mantendrá algo más caliente el bobinado que el aire del lugar de almacenamiento y evitamos problemas de condensación de agua. Esto es muy importante cuando se producen en muy poco tiempo variaciones de temperatura ambiente o variaciones del grado de humedad. En la situación de que el lugar del almacenaje del ventilador, tuviese las características de que una circulación del aire por ella no moviese periódicamente los álabes, (para evitar el deterioro prematuro de los rodamientos), puesto que el rodete se ha de mover a mano (mensualmente, más a menos), la mejor opción es cerrar las dos bocas del ventilador con plástico, lo más hermético posible, e introducir alguna bolsa deshidratante. En caso de que el ventilador vaya a instalarse, después de un periodo largo en almacenaje, es conveniente que se mida la resistencia del aislamiento de cada fase con relación a tierra. Si tiene valores bajos de resistencia, hay que “secar” el devanado. 6.7

Desmontaje y reinstalación de equipos de ventilación

En determinadas ocasiones, los equipos de ventilación grandes se deben dividir en submódulos independientes, para posibilitar su instalación a través de apertura de montaje o puertas, o bien para facilitar su transporte. Estos trabajos deben ser llevados a cabo sólo por personal especializado con formación técnica y profesional. Los medios para el montaje han de hallarse disponibles. Se deben marcar todas las piezas que se correspondan recíprocamente antes de su desmontaje. 6.8

Instalación y montaje mecánico

Antes de instalar el equipo de ventilación, se debe comprobar que no ha sido dañado en el transporte, que no hay ningún tipo de deformación en la carcasa ni en los silenciadores, que el rodete gira sin oposición alguna, y que el ventilador y el motor cumple con los requerimientos de uso.

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Se recuerda que el peso de los ventiladores puede variar entre 200 kg y 12000 kg, dependiendo del ventilador y de la potencia de su motor estando equipado además con silenciadores, difusores, etc. Este equipo ha de ser manipulado siempre utilizando los puntos de elevación indicados en él, con ligeros movimientos y velocidad reducida para evitar cualquier daño sobre el equipo. El ventilador ha de ser colocado en la posición adecuada de acuerdo con la dirección del aire requerida. En la carcasa del ventilador se encuentran unas flechas que indican esta dirección. Todos los componentes del equipo de ventilación (amortiguadores, silenciadores, difusores, compensadores textiles, bridas, sustentaciones, cadenas de protección, etc.) deben ser correctamente alineados antes de ser fijados con el fin de no añadir ninguna distorsión ni tensión al conjunto. Cuando se usen amortiguadores para evitar vibraciones, se deben disponer los mismos de manera que se obtenga una carga uniforme (elongación del amortiguador uniforme); según el caso, si es necesario, se colocarán bajo el amortiguador forros para alinear y ajustar su alineación. El equipo de ventilación no debe ser arrastrado con los amortiguadores fijados a su estructura, ya que esto dañaría la goma o los muelles. En ningún caso se deben utilizar los amortiguadores para corregir posibles desalineaciones. Los compensadores textiles se han de montar permitiendo que el ventilador tenga suficiente libertad de movimiento, sobre todo durante el arranque y durante la parada . Por otro lado no pueden desplazarse o comprimirse tanto como para que se formen pliegues que dificulten el flujo de aire. En ningún caso se deben usar los compensadores textiles para corregir posibles desalineaciones Los anclajes del ventilador han de ser los apropiados para su peso y para los esfuerzos a los que se ve sometido: sobre ellos se aplicará el par de apriete adecuado. Si se tiene alguna duda sobre el par a aplicar a algún anclaje determinado, se debe consultar con el fabricante. La realización de los trabajos se permite sólo a personal autorizado, bajo la consulta de las normas de seguridad.

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VENTILACIÓN PRINCIPAL

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1

INTRODUCCIÓN

La ventilación de una mina consiste en un proceso de hacer pasar un flujo de aire considerable para crear las condiciones necesarias para que los trabajadores se encuentren en una atmósfera agradable. Este proceso se realiza mediante un circuito con el objetivo de que en todas las áreas de trabajo se lleve a cabo de igual manera. Para esto es necesario que la mina tenga dos puertas de acceso independiente, dos pozos, un pozo y un socavón y dos socavones. La ventilación secundaria se lleva a cabo en aquellos espacios donde solo hay un acceso para ello se colocan tubos de ventilación cuya longitud debe de abarcar la puerta de entrada hasta la puerta de la salida. La ventilación de una mina subterránea es muy importante para preservar la vida de los trabajadores, hay que asegurar que debajo de la mina exista una porción necesaria de oxigeno para la respiración de los trabajadores. También una causa por la cual se necesita de mas ventilación de oxigeno dentro de la mina es que en muchas ocasiones los minerales que se están explotando pueden ser tóxicos al igual que puede resultar alguna emanación peligrosa por parte de las maquinas que se utilizan para explotar el mineral. Además hay que considerar que mientras mas profunda es una mina la temperatura tiende a aumentar por lo que es necesaria la climatización adecuada del ambiente. En todas las minas se produce polvo, y su inhalación puede causar diversas enfermedades de los pulmones, como la silicosis o neumoconiosis en las minas de carbón, la asbestosis y otras. Además, en las minas pueden aparecer gases tóxicos, como sulfuro de hidrógeno o monóxido de carbono. En algunos casos se pueden presentar problemas de radiación por las emanaciones de radón procedentes de la roca. El objetivo del equipo responsable de la ventilación es analizar los parámetros del comportamiento del circuito de ventilación principal y el reparto de caudales de aire en las distintas labores de la mina, y con la utilización de los diferentes programas informáticos de cálculo de redes, “modelizar” el circuito de manera que el “modelo” sea lo suficientemente representativo de la evolución del aire dentro de las labores a ventilar. De esta manera, se podrá utilizar el “modelo” que representa el circuito de ventilación primaria, y se podrá “prever” comportamientos y tendencias de la ventilación principal ante modificaciones futuras de dicho circuito real, como pueden ser el cierre o apertura de puertas o esclusas de ventilación, la instalación de un nuevo ventilador o la supresión de otro existente, la disminución de las fugas de caudal por las exclusas tras un acondicionamiento de las mismas, el acondicionamiento de un retorno de ventilación, etc. Para hacer un diagnóstico del sistema de ventilación, se ha de sustentar en una serie de mediciones de los distintos parámetros que conforman la ventilación de la mina. Esto permitirá conocer las condiciones presentes de ventilación, tanto principal como secundaria, y de allí determinar las futuras posibles correcciones necesarias, basándose los cálculos (teóricos) de éstas en los resultados obtenidos con las aplicaciones informáticas adecuadas.

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1.1

La atmósfera de la mina

El aire es una mezcla de varios gases, cuya composición es aproximadamente: Oxigeno (O2 ) 20,93% Dióxido de carbono (CO2 ) 0,03% Helio (He) 0,0005%

Nitrógeno (N2 ) 78,10% Hidrogeno (H2 ) 0,01% Kriptón (Kr) 0,0001%

Argón (Ar) 0,9325% Neón (Ne) 0,0018% Xenón (Xe) 0,000009%

Cuando el aire se introduce en la mina, sufre un deterioro y se necesitan técnicas para hacer que el aire sea lo más parecido al del exterior. Para este deterioro del aire varias son las razones entre las que se destacan: Oxidaciones y descomposición de hierro, madera, carbón.... Humos de explosivos y de maquinas. Polvo en suspensión, contaminación sólida.

Dióxido de carbono (CO2) Dióxido de azufre (SO2) Grisú (CH4)

Emanaciones de grisú, anhídrido carbónico, hidrogeno. Respiración humana, y antiguamente también animal.

Gases procedentes de aguas subterráneas. Elevación del nivel de humedad.

Los gases más comunes en el interior son: Monóxido de carbono (CO) Sulfuro de hidrogeno (SH2) Hidrogeno (H2) Nitrosos (NO+NO2) También hay que considerar el polvo en suspensión como otro contaminante más.

Dióxido de carbono (CO2)

Es el resultado final de la combustión completa del carbono. Es un gas asfixiante, incoloro, es soluble en el agua, tiene un sabor y un olor (en altas concentraciones) ligeramente ácido, es incombustible y pesa más que el aire. Para su detección se usa la lámpara de seguridad, detectores automáticos de lectura digital y tubos colorimétricos. Se forma en grandes cantidades en los incendios de mina y en las explosiones de grisú y polvo de carbón. Se tiende a acumular en los lugares bajos de las labores. Monóxido de carbono (CO).

Es el resultado de la combustión incompleta del carbono. Es altamente toxico, incoloro, inodoro, insípido y es combustible. Se detecta con detectores automáticos de lectura digital y tubos colorimétricos. Suele aparecer por rozamientos, calentamientos, explosiones o cualquier proceso en el que falte el oxigeno. Rara vez se presenta en solitario ya que suele venir acompañado de otros gases. Sulfuro de hidrogeno (SH2).

Se origina en la descomposición de piritas y sustancias que contengan azufre. Es un gas muy toxico, provoca irritaciones en las mucosas de los ojos y conductos respiratorios, inflamación del aparato respiratorio, edema pulmonar y parálisis respiratoria irreversible. Es incoloro, tiene un sabor azucarado y un olor a huevos podridos, pesa más que el aire y 59 de 180

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por encima de una concentración del 4 % es explosivo. Se detecta con detectores automáticos de lectura digital y tubos colorimétricos. Dióxido de azufre (SO2).

Se produce por la combustión de compuestos de azufre. Es toxico, puede producir edemas pulmonares muy graves y quemaduras en ojos y piel. Es un gas incoloro con un olor picante y a -10º C (10 bajo cero) es liquido. Detección por medio de tubos colorimétricos. Es el causante de la llamada "lluvia ácida". Hidrógeno (H2)

En la minería aparece en estado libre, también lo encontramos en la descomposición del ácido sulfúrico en las salas de baterías. Si se apaga con agua el carbón incandescente también se puede formar hidrogeno. Al reaccionar con el oxigeno es explosivo en algunas ocasiones, siendo la concentración mas peligrosa la compuesta por 71 % de aire y 28 % de hidrogeno, siendo en este caso mas inflamable que el grisú. Es también un gas asfixiante, incoloro, inodoro, insípido y más ligero que el aire. Los toxímetros y los tubos colorimétricos se usan para detectarlo. Óxidos Nitrosos (NO+NO2).

Son gases que raramente se presentan separados NO+NO2. Son óxidos de nitrógeno que son habituales en las voladuras. Son tóxicos y pueden llegar a producir la muerte por edema pulmonar. Son de color pardo rojizo (en elevadas proporciones) y de olor acre. Los tubos colorimétricos son los usados para detectarlos. Hay que poner especial cuidado en disolverlos bien después de la pega. Grisú (CH4).

Es una mezcla de metano y aire con algún gas más, pero el que determina sus características es el metano. Dependiendo de los porcentajes se comporta de distinta manera: 0-5 % el grisú arde

5-15 % es altamente explosivo

>15 % es asfixiante

Es un gas incoloro, inodoro, insípido, altamente combustible ardiendo con llama azulada y más ligero que el aire. La lámpara de gasolina (de seguridad) y los grisúmetros o metanómetros son los usados para detectarlo. Es también conocido como gas de los pantanos y tiende a acumularse en los lugares altos de las labores con poca ventilación. En el tajo aparece de distintas maneras: Con un desprendimiento lento al liberarse entre el carbón y los hastiales.

Desprendimiento ocasional audible sin violencia en grietas o fallas.

Desprendimientos instantáneos y violentos con proyección de sólidos.

La temperatura aproximada de inflamación es de unos 600º C, y la explosión puede venir provocada por fuego directo, choque entre metales, chispa eléctrica....

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Polvo en suspensión.

Tiene diversos orígenes en su generación: Material transportado por vía o cinta.

Corriente de ventilación demasiado fuerte.

Perforación de roca.

Arranque de carbón.

Carga de materiales en la bocarrampa, frente de preparación... Evacuación del carbón en los talleres.

Rellenos.....

Aparte del peligro de enfermedades como la silicosis también existe el riesgo de explosión, ya que este polvo arde con mucha facilidad y en caso de explosión el efecto se multiplicaría ya que la explosión ocasionaría más polvo en suspensión. 1.2

Reglamentación y límites

1.2.1

Concentraciones límites de gases

En España, acorde a Reglamento General de Normas Básicas de Seguridad Minera, las concentraciones volumétricas admisibles para los distintos gases peligrosos, a lo largo de una jornada de ocho horas, son las siguientes: 

50 p.p.m. de monóxido de carbono (CO).



5.000 p.p.m. de dióxido de carbono (CO2).



10 p.p.m. de óxidos de nitrógeno (NO + NO2).



10 p.p.m. de sulfuro de hidrógeno (SH2).



5 p.p.m. de óxido de azufre (SO2).



1.000 p.p.m. de hidrógeno (H2).

No obstante, durante períodos cortos y de acuerdo con la peligrosidad del gas, podrán admitirse contenidos superiores sin que se sobrepasen nunca los siguientes: 

100 p.p.m. de dióxido de carbono (CO2).



12.500 p.p.m. de óxidos de nitrógeno (NO + NO2).



25 p.p.m. de sulfuro de hidrógeno (SH2).



50 p.p.m. de óxido de azufre (SO2).



10 p.p.m. de hidrógeno (H2).



10.000 p.p.m. de hidrógeno (H2).

Las labores en que se alcancen concentraciones superiores a estos valores serán desalojadas de modo inmediato, adoptándose por la Dirección Facultativa las medidas

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destinadas a disminuir dichas concentraciones. En ninguna labor en actividad la proporción de oxigeno será inferior al 19% en volumen. 1.2.2

Definición de índices de peligrosidad de los gases

Índice MAC

El índice más conocido es el llamado MAC (Máximum Allovable Concentration), o bien MAK (Maximal Arbeizplace Concentration), que define las concentraciones de materias tóxicas en el aire que no producen ninguna alteración a un trabajador que permanezca durante 48h. a la semana y 8 horas al día en el ambiente de trabajo. Índice TLV (Threshold Limit Value)

Tiene en cuenta el parámetro tiempo “t” en la forma de medición. Indica las concentraciones de diversos gases tóxicos por debajo de las cuales el trabajador puede actuar todos los días sin sufrir efecto alguno. Sé usa en EEUU y Canadá, siendo revisado cada año por la American Conference of Governmental lndustrial Hygienists. En él cabe distinguir otros tres: 

T.W.A, si se considera un trabajo de 40 horas semanales con jornada de 8 horas.



T.L.V.-S.T.E.L., límite que no debe ser rebasado durante más de 15 minutos.



T.L.V.C., que fija un valor techo que no debe ser sobrepasado en ningún momento.

Índice de Haber

Considera el producto de la Concentración c por el tiempo de exposición t, estableciendo un índice de isotoxicidad T, definido por T=cxt Se puede observar que entre el índice de Haber y el TWA se cumple: C x t = T.W.A. x 8 Si la permanencia del trabajador en el lugar de los gases tóxicos no es continuada, se cumplirá:

Ci x ti < T.W.A. x 8 con Ci < T.LV. – C El concepto del índice T.L.V.- S.T.E.L. en los valores admisibles "durante periodos cortos", y que corresponde, por ejemplo, al paso de un tapón de gases de una voladura. 62 de 180

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Índice AQI (Air Quality lndex)

Este índice valora en conjunto todas las materias tóxicas que pueden existir en el ambiente y vale: NO2 RCD CO NO  SO2 RCD    1,5    AQI    1,2 50 25 2  3 2  3 RCD = partículas respirables procedentes del combustible, en mg/m3. CO, NO, SO2 y NO2 en ppm. Si los contenidos de SO2 y NO2 son nulos, los paréntesis son nulos también. El índice AQI no es generalmente usado como criterio limitativo, sino como indicativo de la contaminación general de la atmósfera. En el cuadro AM-1, se resume el significativo de estos índices y en AM-2, algunos valores significativos. CUADRO AM-1 Tipo de índices

Características

T.W.A. Límite máximo para un trabajo de 40h semanales con jornadas de 8 h. T.LV.

STEL

Límite para no ser rebasado durante más de 15 minutos.

TLV-C Límite para no ser sobrepasado. Límite máximo para un trabajo de 48 h a la semana y 8 h diarias.

MAC

AQI 

TLV MAC AQI RCD

NO2 RCD CO NO  SO2 RCD    1,5      1,2 3 2 2  50 25  3

ThreshoId Limit Value. Maximal Allowable Concentration. Air Ouality Index. 3 Sólidos procedentes del combustible (mg/m ).

CUADRO AM-2 GAS O2 CO CO2 NO NO2 NOx SH2 SO2

TLV-TWA [ppm]

50 5000 25 3 5 10 3

[%] 19 50 0.5 0.0025 0.0003 0.0005 0.0010 0.0003

OBSERVACIONES P.e. en Canada tiene valores entre 20 y 35 ppm en función de la provincia.

Según MSHA, es 5 para minas no metálicas y 2 ppm para minas de carbón.

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1.3

Objetivo de la ventilación

El objetivo de la ventilación es proporcionar una cantidad de aire suficientemente rica en oxigeno para alimentar todas las formas de combustión. Una mala ventilación puede ser debida a: 

La profundidad de la mina (alta temperatura), donde llega aire caliente y no se hace confortable el ambiente de trabajo para el trabajador.



Las malas condiciones del circuito de ventilación: Longitud, sección, irregularidades, etc. que incrementan la resistencia de la mina y por tanto se disminuye la cantidad de aire en las áreas de trabajo.



La mala utilización de las puertas de ventilación o de los reguladores de caudal, no consiguiendo una distribución apropiada del aire en el área de trabajo.



La presencia de cantidades anormales de gases nocivos que impiden el trabajo.



Humedad del aire, ya que un valor alto de la misma nos da una temperatura equivalente que la hace menos soportable.



No respetar los reglamentos y consignas establecidas haciendo llegar menor cantidad de caudal de aire que lo que nos indica la legislación.

Para obtener una corriente de aire se precisan:  Entrada de aire  Salida de aire  Diferencia de presión

La corriente de aire va hacia donde la presión es menor. El circuito que seguirá esta corriente dependerá de la distribución de las resistencias aerodinámicas acorde a las leyes de Kirchhoff. Si queremos cambiar esta distribución, no tenemos más que alterar estas resistencias, (compuertas, reguladores, tabiques,…) y modificar las presiones que generan los ventiladores.

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2

CONCEPTO DE RESISTENCIA AERODINÁMICA

Consideremos una labor minera, en la que no existen aportaciones ni escapes de aire. Aceptemos la aproximación, válida normalmente en los problemas de ventilación de minas, de que el peso específico del aire  no varía a lo largo de la labor: El caudal de aire que recorre la labor está definido y es Q m3/s. Se define la carga X de la corriente de aire en una sección de la labor, por la expresión: X  p 

V2    Z (Kg/m2 o mmca) 2g

Se demuestra que X es una función potencial o función de punto. La pérdida de carga entre los puntos, 1 y 2, será 

V2

 

V2



X  X 1  X 2   p1    1    Z1    p 2    2    Z 2  2g 2g     Se define la resistencia R de esta labor minera (galería, pozo, taller, etc.) por la expresión R

X (kilomurgues ) Q2

o bien

R

10 3 X (murgues) 1 2 Q

Si en lugar de Q consideramos este mismo caudal referido a condiciones de 15°C y 760 mmHg, para el cual o = 1,226, tendremos el llamado caudal normal Qo, a partir del cual se X define la resistencia normal como R o  2 Qo Es importante recordar que: La resistencia de una labor minera sólo depende de sus características geométricas y del peso, específico del aire. Se define la resistencia específica (Rs) la que tendría una labor minera recorrida por aire de peso específico o = 1,226 kg/m³. Se cumple que: 2

  Ro  o  Q o R    R ; ;     ;   ; X  R s Q 2 y X  o R s Qo2 Qo  Ro   o  Rs  o Rs  o  1

1 Kilomurgue (1K) = 1 Weis bach (Wb);

Ns 2 3 = 9.81  10  1 8 m

donde

R[

Ns 2 P[ Pa ] ] 8 3 m Q[m ] s

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2.1

Expresión general de la resistencia de una galería

La fórmula general de la resistencia de una galería es: R

  P L 10 3     P  L  12 ,74 ; si  o  1,226 3 8g S S3

R s  15 ,6

 P L S3

donde:  g es la aceleración de la gravedad (9.81 m/s)  λ es el coeficiente de frotamiento  γ es la densidad del fluido (Kg/m3), aproximadamente:   0 ,462

P (mmHg/ºK) Ts

 P = perímetro de la galería (m).  L = longitud de la galería (m).  S = sección recta (m2). Si la galería está sostenida por cuadros, S es la sección interior del cuadro.

Si las características de la galería varían entre sus extremos, se la puede descomponer en tramos Li y la resistencia total vale:     P L R   R i   12 ,74 i i 3 i i Si 

   

Coeficiente de forma Se define el coeficiente de forma de una galería por la expresión:



P 2 S

 0 ,282

P S

En función del cual la resistencia viene dada por: R  45   

R s  55  

L S 2 ,5

y

L S 2 ,5

Si la galería está ocupada con material y/o obstáculos, (tuberías, cintas transportadoras, trenes, etc.) su resistencia aumenta. El nuevo valor se obtiene multiplicando la resistencia de la galería vacía por un coeficiente de obstáculos E, con lo cual: R s  55  

L E S 2 ,5

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Algunos valores prácticos de  pueden obtenerse en las tablas que siguen más abajo. 2.2

Resistencia de galerías (Valores del coeficiente de frotamiento)

El coeficiente de frotamiento de una galería se obtiene por la expresión:

  0 ,7  p  0 ,3  s donde: p = coeficiente de frotamiento de las paredes s = coeficiente de frotamiento del suelo

p 0,058 0,084 0,108 p 0,058 0,084 0,108 0,130 p 0,022 0,025 0,030 0,040

ROCA DESNUDA Pared bien recortada Pared media Pared irregular GALERÍAS BULONADAS Pared bien recortada Pared media Pared irregular Pared con tela metálica GALERÍAS REVESTIDAS Hormigón liso Albañilería

Buen estado Estado medio Irregular

Los valores de  que se exponen, corresponden a una galería de 10 m2 de sección. Para valores distintos, el valor correspondiente puede obtenerse por la expresión:



10

0 ,75  0 ,25 log S 2

Ejemplo: Para S = 15 m2  15 = 0,9 10 Para S = 5 m2  5 = 1,15 10

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VENTILACION DE MINAS

NOTA:  S10  1,76  2 log  E  La expresión completa es   10   1,76  2 log S  E   Para E = 0 (galería lisa)   = 10

Para E = 0,15 (galería con entibación)   

      

2

10

0 ,75  0 ,25 log S 2

Se define: i = Profundidad de las irregularidades de la pared (cm) d = Desfase entre cuadros consecutivos (cm), medido perpendicularmente al eje de la galería. Si las distintas tuvieran guarnecidos diferentes, el valor de p se obtendría por la expresión:

p 

2.3

 p1 l1   p 2 l 2   p 3 l 3 l1  l 2  l 3

Galerías con obstáculos

Consideremos una galería vacía de resistencia Rg. Si en ella existen diversos materiales, tales como tuberías, transportadores, trenes, etc. éstos introducen resistencias suplementarias R1, R2, Rn. La resistencia total de la galería será:  R R R  R g  R1  ....  R n  R g 1  1  ....  n  R2 Rg 

   

R g 1   1  ....   n   R g  E

Llamaremos coeficiente E coeficiente de obstáculos y al término 1 tasa de obstáculos. A continuación veremos cómo se determina la resistencia introducida por los siguientes obstáculos:      

Tuberías y canalizaciones. Puntales de refuerzo. Barreras de polvo y de agua Instalaciones o depósitos de materiales. Cintas transportadoras. Casos singulares.

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2.4

Resistencia adicional debida a las tuberías

R  Rg  E k  S E k    S   Sk

  

3

  k  Pk    1   P  

Donde S y P son la sección y el perímetro de la galería y Sk y Pk son la sección y el perímetro de cada tubería. Valores de k k = 0,025 para las tuberías de ventilación secundaria. k = puede alcanzar 0,055 para las tuberías con bridas muy sobresalientes y con suspensiones frecuentes. Si llamamos dk al diámetro de la tubería, la expresión anterior toma la siguiente forma para el caso de galerías de tipo normal ( = 0,1,  = 1,15): 2

 dk   dk  E k  1  2 ,4     0 ,2   , si  k  0 ,025 S  S  2

 dk   dk  E k  1  2 ,4     0 ,4   , si  k  0 ,055 S  S 

El valor medio es: 2

 dk   dk  E k  1  2 ,4     0 ,3    S  S 

FORMULA SIMPLIFICADA De forma simplificada puede tomarse: E k  1  0 ,15  d k   k  0 ,15  d k  2.5

Resistencia de las cintas transportadoras

Este es un caso particular de obstáculo en una galería, en el cual el aire se filtra a través de la estructura de la cinta de sección S. Si llamamos Q al caudal de aire total que circula por la galería y Q’ al que lo hace por la sección libre S' = S -s, se tiene: Q = m · Q’

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Figura ilustrativa de las secciones. La resistencia complementaria Rc debida a dos cintas existentes en una galería se obtiene por la expresión:

1

2

3

 S  Rc      Rg m1 m 2  S   s 

Si sólo existiese una cinta m2 = 1; y 2 = 1. El coeficiente de obstáculos es:

1  2

 S   Ec   m1 m2  S   s 

3

Valores de m: Cinta colocada sobre el suelo m = 1,08. Cinta suspendida m = 1,16. Valor de : En su cálculo interviene el coeficiente de frotamiento c del aire contra la estructura del transportador. Se tomará c = 0,21. VALORES NORMALES DE Ec (S = 10 m2 cinta de 1,2 1,2)) Cintas en posición lateral Cintas en posición lateral Cintas en posición central

2.6

1,8 2,2 2,6

Resistencias locales

Estas resistencias, muy localizadas en puntos singulares tales como estrechamientos o ensanchamientos bruscos, cambios de dirección pronunciados, etc. se deben a las pérdidas de carga en la corriente de aire por torbellinos y turbulencias internas. Normalmente, su valor es pequeño y no se tiene en cuenta para el cálculo si las secciones de paso son grandes. Solamente es preciso tomarlas en consideración cuando se producen en los conductos de entrada y sobre todo de retorno general de la corriente de aire, en los cuales el valor de Q puede ser muy elevado y, en consecuencia, el de X = R Q2.

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3

UNIDADES DE RESISTENCIA

Como ya se había comentado, la fórmula general de la resistencia de una galería es: 10 3     P  L , donde: R[  ]  8g S3

R es la resistencia de la galería expresada en murgues [] g es la aceleración de la gravedad (9.81 m/s) λ es el coeficiente de frotamiento (Adimensional) γ es la densidad del aire (Kg/m3), cambiamos a la notación P = perímetro de la galería (m). L = longitud de la galería (m). S = sección recta (m2).

Si

 [ Kg / m 3 ]

P[mmca]  R[ K ]  Q 2 [m 3 / s ]  10 3  R[  ]  Q 2 [m 3 / s ]

Además,

P[ Pa]  g[m / s 2 ]  P[mmca]

Entonces:

P[ Pa]  g  10 3  R[  ]  Q 2 [m 3 / s ]  g  10 3  P[ Pa]  g  10 3  R[  ]  Q 2 [m 3 / s ]  g  10 3 

Por tanto:

10 3   ( )  P  L  Q2 3 8g S

10 3   { }  P  L Q2 8g S3

1  PL  Q2 P[ Pa]   3 8 S

Por otro lado, la ecuación de de Chezy Darzy: P u2 P[ Pa]  f  L     , donde 2 S f: factor de fricción (acorde al diagrama de Moody) L: longitud de conducto u: velocidad del fluido y ya que Atkinson, agrupa el factor de fricción y la densidad mediante la relación: f  de tal manera que da paso a un coeficiente k que se denomina Factor de 2 fricción de Atkinson. K

Esto implica un cambio en la expresión de la presión que dando: P[ Pa]  k  L 

P P  u 2  k  L  3  Q 2 Ecuación de Atkinson. S S

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VENTILACION DE MINAS

Por lo tanto, podemos observar en primer lugar que hay una relación directa entre el f  coeficiente de Atkinson y el factor de fricción. K  2 Por tanto, igualando las dos expresiones 1  PL  Q2 P[ Pa]   3 8 S P P f  P P[ Pa ]  k  L   u 2  k  L  3  Q 2   L  3 Q2 S 2 S S

Tenemos que: 1  PL f  P  Q2   L  3  Q2 P[ Pa]   3 8 2 S S

De aquí se concluye que: f   2 8

o lo que es lo mismo, que

y puesto que: finalmente:

K



f 

 4

f  2

8 k



Por otro lado podemos relacionar este coeficiente f con la rugosidad relativa e/D de las paredes del conducto mediante la expresión de Von Kármán, donde e es la altura media de de las irregularidades y D es el diámetro hidráulico del conducto o galería, expresados tanto e como D en las mismas unidades.

f 

K 2





1 2 42 log10 (d / e)  1.14

Ecuación de Von Kármán

O lo que es lo mismo,

f  4 

K 2





donde se puede ver la relación entre

1 2 log10 (d / e)  1.142 f,k y

y su dependencia con la densidad.

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VENTILACION DE MINAS

Actualmente se tiende a utilizar los coeficientes de Atkinson y factor de fricción f, frente al coeficiente de fricción , ya que estos primeros coeficientes son los que se incorporan en la mayoría de los programas de cálculo de redes de ventilación. Realmente son comparables  y f, ya que estos son adimensionales. El factor k de Atkinson, tiene unidades de densidad: f  K 2 Las unidades de k las podremos encontrar en dos formas indistintas, en kg/m³ y en Ns2/m4 kg N  s2  m  s2   kg 2   4  3 4 m m  s  m

Por otro lado, tanto  , f y k son factores o coeficientes de fricción, no unidades de resistencia. A este nivel serán comparables unidades de resistencia murgue,  y la unidad N  s2 m8 En la mayoría de Europa y de la antigua URSS, se utilizaba como unidad de resistencia aerodinámica minera el murgue [] o kilomurgue [k]. Para un caudal de 1 m³/s y 1 mmca de presión, tendremos una resistencia de valor 1, entonces como unidad de resistencia se define: la resistencia que opone al paso del aire una labor por la cual 1 m³/s de aire circula con una depresión de 1 mmca. El caudal siempre lo consideramos en unidades de [m³/s], entonces, en función de cómo se considere las unidades de Presión tendremos: N  s2 P[ Pa]  R[ ]  Q 2 [m 3 / s ] 8 m P[mmca]  R[k ]  Q 2 [m 3 / s ] En caso de considerar la presión en mm de columna de agua (mmca), la resistencia tendrá unidades de kilomurgue [k], por tanto, para tener la resistencia en unidades de murgue[]: P[mmca]  10 3 R[  ]  Q 2 [m 3 / s ] Puesto que relacionamos las unidades de presión Pa y mmca mediante g=9.81[m/s2] P[ Pa]  g[m / s 2 ]  P[mmca] Con lo que concluimos que P[ Pa]  g[m / s 2 ]  10 3  R[  ]  Q 2 [m 3 / s ]  R[

N  s2 ]  Q 2 [m 3 / s ] 8 m

o lo que es lo mismo: N  s2 R[ ]  g[m / s 2 ]  10 3  R[  ]  9.81 10 3  R[  ] 8 m

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VENTILACION DE MINAS

3.1

Orificio Equivalente

Por orificio equivalente de una mina se entiende la apertura ω en una pared delgada por la cual, bajo la influencia de la diferencia d presiones en ambos lados de la pared, igual a la depresión de la mina, pasa una cantidad de aire a la que pasa por la mina. El orificio equivalente caracteriza claramente las minas respecto al grado de dificultad de su ventilación. . 1 1000  0.38  . [m 2 ]  0.38  R[k ] R[  ] Como ejemplo, en un circuito de ventilación donde tenemos el punto de funcionamiento de un ventilador siguiente: P=1000 Pa = 101.94 mmca Q=50 m3/s R = 40.775 murge [  ]; con  =1.88 [m2 ] Este valor se utiliza frecuentemente como referencia de la evolución de la resistencia de la mina. Dicha resistencia cambia a medida que las minas evolucionan en sus desarrollos y labores, por lo que se incrementa la resistencia y disminuye por tanto el orificio equivalente. Esto implica que para el mismo requerimiento de aire, la presión que se va a necesitar será superior con efectos negativos para el sistema:  Se va a necesitar más potencia en los ventiladores para conseguir el caudal requerido.  Podría hacer inservible el ventilador al no tener las características apropiadas  Al trabajar a más presión en la mina, el nivel de fugas de aire incrementa importantemente, lo que redunda en mayor cantidad de movilizado por el ventilador, y por tanto, mayor consumo energético.  Las puertas, exclusas y tabiques han de estar en muy buenas condiciones sobre todo en la proximidad de los ventiladores.

En la mayoría de las minas de carbón subterráneas clásicas de Europa, los valores de orificio equivalente se encuentran comprendidos entre 1.8 m² y 2.8 m². Minería metálica, con amplias secciones de galerías, tendrán mayor orificio equivalente, y éste será aún mayor cuanto mas “ramas en paralelo” tenga la explotación.

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VENTILACION DE MINAS

4

PLANIFICACIÓN DE LA VENTILACIÓN

Siempre que se ha de planificar la ventilación de la mina hay que pensar en que consiste la misma, es decir ver que lugares existen, que procesos se llevan a cabo en ellos, que tipo de singularidades se tendrán allí, etc. Por tanto, será conveniente hacer un listado de variables que se van a estudiar para poder tener una visión de conjunto:            

Fuentes de calor natural y artificial en la mina. Equipos en uso y para usar. Emisiones de los gases productos de combustión (Diesel). Exposición de sustancias dañinas. Tiempos de permanencia de los contaminantes. Control del fuego. Complejidad del circuito y costes de desarrollo. Flexibilidad del control del circuito. Sistemas de ventilación auxiliar. Velocidad en pozos y accesos de transporte. Requerimientos legislativos. Nivel de comodidad.

Las fuentes de calor incrementarán la temperatura del aire, por lo que habrá que distinguir las que se encuentren en el propio frente de trabajo y las que se encuentran a lo largo de la mina. Las máquinas de trabajan, los transformadores eléctricos, iluminación, etc. son fuentes artificiales de calor, pero la temperatura de la roca es una fuente natural. Evidentemente, los frentes de trabajo, donde tendremos roca “virgen” y donde tendremos gran parte de la maquinaria, (tanto con motores de combustión interna como eléctricos), serán zonas donde se genere calor, y en concreto, donde se concentrará personal expuesto a temperaturas importantes si no se dimensiona adecuadamente la ventilación. En los que se refiere a las posibilidades de reducción de calor, la mayor influencia de las condiciones climáticas de las minas horizontales es la de la temperatura de la roca y las fuentes de calor locales, como pueden ser:   

Pozo de extracción y equipos de transporte, especialmente los autopropulsados por máquinas de combustión interna, así como también turbinas, ventiladores, bombas y las instalaciones de alumbrado entre otras. Mineral ya extraído y transportado a lo largo de las galerías. Calor latente de la humedad que se evapora durante el trabajo.

Debido al intercambio de calor entre la roca y el aire que circula por la mina, será favorable mantener la sección d e menor área posible de contacto entre aire y la roca. Una máquina Diesel utiliza aproximadamente 0.254 Kg de combustible por hora de trabajo y por KW de potencia y el valor calorífico del combustible Diesel es 45.6 MJ/Kg ó 34 MJ/l. Esto significa que por 1 KW de potencia Diesel se utiliza 3.21 KW.

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VENTILACION DE MINAS

Esta energía en forma de calor y de productos de reacción, incluido vapor de agua, se transfiere al ambiente, pero además la energía eficaz pasa a calor durante los procesos de fricción. Por tanto, la máquina de combustión emite al ambiente alrededor de 3 veces más calor que una máquina de motor eléctrico con la misma potencia efectiva. Uno de los problemas es la relación entre la corriente de aire y la capacidad de refrigeración necesaria. Lo normal es asumir que la temperatura del aire en las zonas más marginales de trabajo, no exceda del valor estimado como aceptable. Si esto no se consiguiese, se podría aumentar el “poder refrigerante”, aumentando la cantidad de aire fresco en circulación. Además, conviene reducir la superficie de contacto entre la infraestructura de explotación y el aire, para que la cesión de calor sea menor, por lo que, además de por otras causas, interesa llevar a cabo una buena campaña de reducción de fugas, evidentemente dentro de los límites racionales. Además de la temperatura, tenemos gases y polvo que se generan durante las labores de trabajo, que en función del tiempo de exposición hemos de garantizar unos caudales de aire acorde a recomendaciones o en su caso a los requerimientos legislativo que afectan a cada tipo de mina y país. Los caudales de aire necesarios han de ser acordes a los accesos galerías, labores de trabajo y retornos de ventilación, de manera que en cada caso las velocidades de paso de aire estén dentro de los límites también establecidos como adecuados, por un lado por criterios de seguridad para evitar daños al personal y por otro lado económicos, ya que velocidades altas implican presiones importantes, lo que redunda en un consumo eléctrico alto. Por otro lado, la organización de galerías, pozos, entradas y salidas de aire, etc., se ha de hacer de tal manera, que ante la necesidad de cambio de necesidades de ventilación en cada parte de la mina debido por ejemplo a una situación de emergencia (fuego, concentración de gases tóxicos,…) o por necesidades puntuales de concentración de producción (y por tanto por necesidades mayores de aire), se pueda hacer la gestión mediante un cambio de resistencias (puertas, reguladores, tabiques, etc..), evidentemente, todo esto soportado con un software adecuado para tener unas estimación más reales. Una cosa es el caudal total necesario para ventilar una mina y otra cosa es hacer su reparto, llevando el aire necesario a cada punto de trabajo. El próximo paso es trabajar con los “diseñadores” planificadores y asignar un caudal de aire considerando el calor, emisión de gas, legislación... de cada zona de trabajo, evaluando lo que se va a encontrar en ella. Es decir necesidad de aire solo por presencia de personal, como puede ser el caso de comedores, oficinas subterráneas, áreas de espera, etc., o por el contrario las necesidades por producción de polvo, gases y temperatura. En el caso de los fondos de saco hay que tener en cuanta que se necesita un caudal de aire en el frente de trabajo, debido a las fugas de las tuberías, se va a tener una caudal superior en el ventilador auxiliar. Además, para evitar que ingrese de nuevo en el fondo de saco aire recirculado, se dimensiona generalmente el caudal mínimo por la galería principal un 30% más de caudal.

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VENTILACION DE MINAS

4.1

Áreas de estudio

 Fijar áreas de producción:  Equipamiento en uso en cada área  Dimensiones y esquema de acceso y rutas de transporte  Áreas de desarrollo (preparación) fijadas  Equipos en uso en cada área  Dimensión y esquema de acceso y rutas de transporte  Ventilación secundaria  Rutas de transporte (camiones/ cintas)  Equipo en uso en cada área  Dimensión y esquema de acceso y rutas  Trituradoras y Molinos (Primarios)  Quebrantadoras, trituradoras  Estaciones de carga  Izamiento o extracción del mineral al exterior  Zonas de almacenamiento:  Explosivos  Gasoil  Consumibles en general  Comedores y Áreas de espera

Finalmente, una revisión razonable de los circuitos de ventilación y de los ventiladores existentes, con el fin de analizar los puntos sensibles de cada parte 4.2

Ventiladores       

Caudal Presión total Potencia requerida Capacidad de repuestos “in situ” Condición mecánica Coste de mantenimiento (preventivo y avería) Repuestos disponibles

Esto nos permitirá una mejor gestión que nos permitirá planificar teniendo en cuenta los recursos de los que disponemos, previendo con antelación las necesidades. La presión, 77 de 180

VENTILACION DE MINAS

caudal y potencia de cada equipo, junto con los accesorios nos define cada máquina, el resto de parámetros nos indicará la “disponibilidad” en el tiempo de cada equipo en cada labor, ya que un mal mantenimiento y falta de repuestos, implicara que ante una avería esa labor dejará de estar ventilada, con todos los problemas que traerá consigo. 4.3

Circuito de aire     

Aire utilizado efectivamente Aire no utilizado efectivamente Control sobre las infraestructura de ventilación Ventiladores propulsores (Booster fan) (condiciones y situación) Áreas de problemas

El análisis de la ventilación es un trabajo que se debe realizar continuamente, el control de fugas, tanto en la ventilación secundaria como en la ventilación principal, implicarán un ahorro energético y de equipos importantes, además con las mediciones de distribución de aire y control depresiomérico del sistema, permitirán dimensionar y tomar decisiones con gran acierto.  Entrada y Salida de Aire     4.4

Dimensiones físicas Equipamiento en el pozo Caudal de aire en cada sección Pérdidas de carga entre secciones

Cantidad de aire necesario

Conviene cuestionarse la cantidad de aire necesario para la ventilación de la mina en cada momento, ya que generalmente, se toma como referencia la cantidad de KW Diesel de la máquinas presentes en los trabajos en la explotación, con los consiguiente coeficientes de simultaneidad, de manera que multiplicado por la cantidad de aire específico según la legislación, nos da el caudal necesario que ha de movilizar el ventilador. Esto tiene un problema, ya que a pesar de que los coeficientes de utilización de las máquinas diesel cambian en función de la organización, planificación, y sobre todo de la evolución de la mina, siempre se consideran estos coeficientes constantes en los libros de ventilación, por lo que debería incidir en este tema, ya que a pesar de que se superen los 0.05 m3/s/CV Diesel, puede ser que la ventilación pueda ser demasiado justa. Según la experiencia de otras minas se recomienda empezar a cuantificar las necesidades de caudal en los propios puntos de trabajo, en los fondos de saco.

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VENTILACION DE MINAS

En base en la recomendaciones de la Norma Suiza, SIA 196 (1998), para la dilución de los gases de las máquinas diesel en una labor subterránea, en la que se hace distinción de si las máquinas están o no catalizadas, se clasifica:  Para máquinas No Catalizadas: o 6 m³/min por KW de potencia Diesel para máquinas grandes de excavación y carga. Esto corresponde a un ratio 0.075 m³/s/CV. o 3 m³/min por KW de potencia Diesel para máquinas de transporte de mineral y de hormigón. Esto corresponde a un ratio 0.037 m³/s/CV.  Para máquinas Catalizadas: o 4 m³/min por KW de potencia Diesel para máquinas grandes de excavación y carga. Esto corresponde a un ratio 0.0497 m³/s/CV. o 2 m³/min por KW de potencia Diesel para máquinas de transporte de mineral y de hormigón. Esto corresponde a un ratio 0.025 m³/s/CV.

De una manera simplista, se suele agrupar todas las máquinas catalizadas, con un coeficiente 0.03 m³/s/CV y para las no catalizadas 0.05 m³/s/CV, pero esto debe hacerse en fases iniciales de proyectos. Sin entrar en detalle en fase de planificación y proyectos de una labor, se puede utilizar 0.05 m³/s/CV como ratio de referencia. Evidentemente, cada país tiene sus reglas, sus normas, que son las que se deben cumplir, ya que el objetivo principal de determinar el caudal necesario es que en cada parte de la mina en la trabaje personal, este tenga unas condiciones de trabajo adecuadas y que estén dentro de los límites de exposición.

Según la experiencia, se estima entre un 10% y un 25% el caudal de fugas de aire limpio que pasa directamente al retorno, sin entrar en contacto con el equipamiento Diesel. De aquí concluimos que si sumamos el caudal necesario de todos los fondos de saco, más el que es necesario para labores en corriente de ventilación principal, y le sumamos el 25% de las fugas, entonces obtendremos aproximadamente el caudal necesario que nos tiene que movilizar el ventilador principal. 4.5 4.1.1

Velocidades de aire Velocidades mínimas

Las velocidades de aire es un parámetro importante a tener en cuanta paralelamente a la necesidad de caudal debido a la dilución de gases. Por lo general, en la minería se recomiendan unas velocidades mínimas a cumplir, pero variará en función del tipo de mina. En minería de carbón se establece una velocidad de 0.2 m/s en galerías en fondo de saco y 0,3 m/s si es en niveles en carbón con avance con minador. Si una labor está recorrida por la corriente de ventilación principal se establece como velocidad mínima 0.5 m/s.

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En minas en que se utilizan máquinas diesel, se establecen velocidades mínimas comprendidas entre 0.5 y 1 m/s en función de cada país o recomendaciones particulares de cada mina. 4.1.2

Velocidades máximas

Se limitan, por motivos diversos, las velocidades de aire dentro de una mina, los principales motivos pueden ser por seguridad hacia el personal que circula dentro de la mina y por la generación de polvo, como por ejemplo, utilizar velocidades no superiores a 5m/s en caso de rampas de entrada para no introducir polvo a la mina. Por otro lado, se pueden establecer criterios económicos que hacen a nivel de proyecto, pensar el las dimensiones de las galerías y de los pozos de ventilación, de manera que las pérdidas de carga no se disparen y que provoque un incremento de consumo de energía evitable con un buen diseño. Además, para un buen mantenimiento de los pozo de ventilación, se recomienda no exceder de velocidad superior a 22 m/s, ya que la superficie del conducto, sufrirá una erosión muy importante, con los consiguientes efectos negativos como pueden ser el aumentos del coeficiente de fricción, el arrastre de material que provoca daños en los ventiladores extractores y elementos que pueda encontrarse a su paso, etc. Área Pozo de ventilación Pozos de transporte personal y material Áreas de Trabajo Acceso por plano inclinado (decline) Galerías personal y transporte material Galerías con cinta transportadora Galerías de retorno de ventilación

Entrada/retorno de ventilación Entrada/retorno Entrada Entrada Retorno

Velocidad óptima 18 m/s 10 m/s 5 m/s 4 m/s 1-3 m/s 8 m/s

Velocidad Máxima 22 m/s 15 m/s 4 m/s 8m/s 6m/s 5 m/s 12 m/s

Con presencia de agua en pozos de ventilación, se debe evitar velocidades entre 7 y 12 m/s, ya que el agua tapona el pozo (se produce una especie de nebulización) que bloquea el paso del aire, este efecto es conocido como “Blanket effect”.

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5

CAMPAÑA DE MEDICIONES. ANALISIS

5.1

El control de la ventilación en las minas

Una de las principales responsabilidades del Director de una mina es el control de la ventilación. No sólo tiene que cuidar de que el aire circule en todo momento por las galerías y por las explotaciones en cantidades suficientes para procurar la seguridad, salud y bienestar del personal; sino que deberá procurar también que los costes de ventilación sean tan bajos como sea posible. Para que esto se lleve a cabo eficientemente y de manera fácil, deberán cumplirse tres requisitos esenciales: 

La corriente de ventilación tiene que ser medida con exactitud.



El sistema de ventilación y sus dispositivos deberán ser eficientes y seguros.



Será preciso establecer un sistema para registrar las medidas de la ventilación, diseñado de manera tal que proporcione toda la información que se necesita para ejercitar un control estrecho del sistema de ventilación en la mina.

En muchas minas, el sistema de ventilación se ha desarrollado en cierta manera al azar; por consiguiente, es posible que puedan hacerse frecuentemente mejoras importantes en la ventilación sin grandes desembolsos, mediante una reorganización de las galerías de ventilación; pero ninguna reorganización del sistema de ventilación, excepto si es de pequeña importancia deberá ser llevada a cabo a menos que haya sido determinado previamente su efecto exacto sobre la distribución del aire. Esto exige frecuentemente una inspección sobre la presión de la zona o de la mina y ciertos conocimientos especiales. Todo Director que piense que el sistema de ventilación de su mina pueda ser ventajosamente reorganizado, deberá pedir ayuda al Ingeniero de Ventilación en su zona, el cual deberá estar disponible para llevar a efecto las investigaciones necesarias y hacer los cálculos precisos que conduzcan a la mejora de la ventilación. 5.2

Las mediciones de la ventilación

En todas las minas deberían hacerse regularmente mediciones de la corriente de aire, de la presión del aire, del contenido de polvo, y de la temperatura y humedad del aire de ventilación. Estas mediciones tendrán poco valor a menos que sean hechas con cierta exactitud. La medición de la corriente de aire es una de las de mayor importancia entre las que tienen que ser hechas, pero frecuentemente es la que se hace con menor exactitud. Las mediciones de la corriente de aire son hechas casi siempre por medio de un anemómetro de paletas. Se puede decir que un anemómetro de paletas en buenas condiciones y apropiado podrá medir velocidades de aire hasta con menos de un 3% de error. Muchas de las mediciones de aire corrientes hechas en la mina no se aproximan a este grado de exactitud, siendo las principales razones: 

El empleo de anemómetros mal calibrados o que han perdido su calibración.



Manipulación inadecuada del instrumento.

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VENTILACION DE MINAS



Inexactitud en el cómputo del tiempo de las mediciones.



Medición inexacta de la superficie transversal de la galería de ventilación.

5.3

Los Ingenieros de ventilación de las zonas

Aún cuando el Director es el responsable de la seguridad y de la eficiencia de la ventilación en su mina, puede serle de mucha ayuda un buen Ingeniero de Ventilación de la zona. El Ingeniero de Ventilación de la zona debiera ayudar al Director en la siguiente forma: 

Cuidando que las mediciones necesarias de la ventilación sean tomadas con exactitud en el momento oportuno y en lugares convenientes.



Cuidando que los instrumentos empleados se encuentren siempre en perfecto estado de conservación.



Avisando al Director sobre cualquier punto de trabajo o zona donde la ventilación es continuamente insatisfactoria, y haciendo las correspondientes recomendaciones sobre la mejor manera de mejorarla.



Advirtiendo al Director sobre cualquier tendencia que sea indicio de posibles dificultades futuras en la ventilación y aconsejándole sobre lo que convenga hacer para evitarlas.



Mediante la colaboración con el departamento de planificación, para asegurar que los frentes futuros y las secciones sean desarrollados de tal manera que puedan ser adecuada y eficientemente ventilados. Con frecuencia, la falta de un planteamiento conveniente de la ventilación ha dado como resultado el desarrollo de frentes con insuficiente aire disponible, o el que nuevas galerías de aire fuesen hechas y que resultaran demasiado pequeñas para los servicios a que se las destinan o que estuviesen situadas sin tener en cuenta los futuros desarrollos a largo plazo.



Estudiando el sistema de ventilación de la mina para ver si puede ser mejorado mediante una reorganización o reparación general; tomando también las medidas necesarias, haciendo inspecciones y cálculos de manera que pueda aconsejar al Director sobre el efecto preciso de cualquier alteración propuesta.



Dar su consejo de experto sobre problemas especiales de la ventilación, tales como el control de la ventilación en caso de incendio o la reapertura de secciones abandonadas.



Para que el Ingeniero de Ventilación de la zona pueda ayudar al Director de la mina de las diferentes maneras que acaban de ser enumeradas, deberá coger una amplia y general experiencia minera y también haber recibido una capacitación especializada que le permita poseer buenos conocimientos técnicos de la materia de ventilación. Por tanto debiera, para su correcto desempeño, ser una persona con dedicación

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exclusiva, que pueda formarse en esta materia de forma continuada y capaz de gestionar los recursos a su alcance para poder llevar a cabo el mantenimiento y la planificación del sistema de ventilación. Además, sería conveniente, cierta formación en programas específicos de cálculo de redes, para así poder cuantificar y predecir tendencias de la ventilación ante cambios futuros en la mina. 5.4

Servicio de ventilación en las minas

La obligación básica del personal de ventilación consiste en suministrar a las minas un caudal de aire conforme con las exigencias de la producción y los reglamentos de seguridad. Las tareas del servicio de ventilación son:  Control sistemático del estado de la ventilación y abastecimiento de todos los frentes de trabajo con cantidad necesaria de aire.  Preparación y conservación al día de planos, esquemas y proyectos de ventilación.  Mantenimiento de un registro de ventilación.  Cumplimiento de regímenes respecto al polvo en el aire de mina.  Construcción de las instalaciones de ventilación (puertas, tabiques...), y su control y reparación.  Vigilancia de los ventiladores y turbinas.  Lucha sistemática contra las pérdidas de aire.  Abastecimiento de la mina con materiales y maquinas de ventilación.

El servicio de ventilación suele estar encabezado por el encargado de la ventilación “Ingeniero o ingeniero técnico de minas”, de manera que junto con una brigada a su cargo, pueda llevar a cabo las labores de mantenimiento de la ventilación, como puede ser la disminución de las fugas de caudal, revisiones de las instalaciones de ventilación secundaria, etc. 5.5

Medición de caudal de aire

El cálculo de los caudales de ventilación en las galerías se realiza a partir de las mediciones de velocidad del aire y de la sección de la galería Q = v * S Medición de la velocidad del aire Pueden realizarse:  Mediante anemómetros  Mediante sondas de medida de la presión dinámica Pd, obteniéndose V indirectamente a través de la expresión:

V 

Pd  2 g



con [Pd] en mmca o V 

Pd  2



con Pd en [Pa]

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VENTILACION DE MINAS

Los anemómetros se utilizan para rangos de valores bajos, normalmente entre 0 y 8 m/s, e incluso en algunos aparatos hasta 20 m/s, con lo que son de uso casi exclusivo en galerías, pozos y talleres. Los de rango más alto (10 a 20 m/s), se utilizan también en tuberías de ventilación secundaria. Las sondas de medida (tubos de Pitot y antenas de Prandtl), sólo pueden emplearse con velocidades elevadas como se deduce del siguiente cuadro (para ρ = 1,2 kg/m3). V (m/s) Pd (mm.c.a.) Pd (Pa)

1 0.06 0.6

5 1.53 15

8 3.91 38.4

10 6.12 60

15 13.76 135

20 24.46 240

30 55.05 540

En este cuadro, se ve que para que la precisión sea suficiente, ha de ser V > 10 m/s. Se emplean, sobre todo en la proximidad e interior de los ventiladores principales y en algunas ocasiones en los conductos de ventilación secundaria.

Anemómetros con molinete

Los Anemómetros difieren según el tipo de captador utilizado y por la transformación realizada de la señal de medida. Los tipos más conocidos son: 

Molinete



Termistancia, o hilo caliente.



Vórtice o Vortex

Anemómetro de Termistancia

Anemómetro de Vórtice

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VENTILACION DE MINAS

5.6

Sondas de medida. Tubo de Pitot

Con las dos tomas de presión conectadas a un manómetro mediré la presión dinámica. De aquí puedo calcular la velocidad de paso del aire por la tubería.

 V2  V2   pe   pd   pe   2  2 

Medida de la velocidad del aire con tubo de Pitot Puesto que conoceremos el área del conducto, S[m²] , y la presión dinámica la medimos directamente en el manómetro, conociendo la densidad del aire que pasa por el conducto, la velocidad de paso es: V [m / s ] 

2  [kg

m3 Pd [ Pa]

]

Por lo que el caudal que circula por el conducto es: Q[m / s ]  S [m ]  3

2

2  [kg

m3 Pd [ Pa]

]

Las dos sondas (presión estática y presión total), se agrupan con frecuencia con una sola, tal como se observa en las figuras. La medida realizada con una sonda, es un valor puntual.

Tubo de Pitot y manómetro

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VENTILACION DE MINAS

Método de barrido Consiste en circular el aparato a lo largo de la sección, efectuando un barrido lo más amplio y completo posible. Requiere que el anemómetro acumule los valores y dé una medida integrada. Una variante de este método es lo que actualmente se está empleando en la mina, pero realmente no se están haciendo las cosas correctamente debido a que los puntos escogidos para la toma de muestras están mayoritariamente en zonas de baja velocidad, cosa que no se pondera en la fórmula de cálculo de velocidad media. Por otra parte, el citado anemómetro actualmente en uso no es integrador. Para tener en cuenta la diferente velocidad que presenta la corriente de aire entre el centro de la galería y la periferia de la misma, se puede tomar como una buena aproximación a la velocidad media real el siguiente método. Método Polar Vm V1 V2 V3 V4

V3

V2

V1

L/10 L/4 L/2

V4

L

V3 V2

V1

Se basa en el conocimiento del perfil de velocidades en una galería. Requiere utilizar anemómetros de lectura “instantánea”. La velocidad media se obtiene por la expresión: Vm = 0.083×V4 + 0.313×V3 + 0.286×V2 + 0.282×V1, en forma simplificada: Vm = 0.07×V4 + 0.3× (V3 + V2 + V1) 86 de 180

VENTILACION DE MINAS

donde: V4 = Velocidad media en el centro de la galería. V3 = Velocidad media a una distancia del centro de la galería de aproximadamente 1/10 del ancho de la misma. V2 = Velocidad media a una distancia del centro de la galería de 1/4 del ancho de la galería. V1 = Velocidad media a una distancia del centro de la galería de 1/2 del ancho de la misma. El problema que se tiene con este método es que se requiere un número elevado de puntos, por lo que generalmente se puede utilizar, sin apenas error la fórmula: Vi  Vp Vm  4 2

, que será mejor aceptada por los tomadores de velocidad de aire.

Donde los Vi corresponden a valores de velocidad de las periferia y Vp al valor central de velocidad. Vm L/6 Vi

Vp

Vi

Vi

Vp

Vi

L/6

5.7

Vi

L

Vi

Medida de la superficie de los cortes transversales a las galerías

En labores, como es el caso de galerías o planos inclinados, sostenidas con arcos o cuadros, la sección será la interior de los mismos. Conviene disponer de estaciones de medidas fijas para efectuar los aforos, en las que se haya medido con cuidado la sección. La medida de la sección, es un problema geométrico. Si tiene una forma sencilla la medida es rápida y precisa.

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VENTILACION DE MINAS

B2 H

H B

B1

Sección de geometría trapezoidal.

Sección con cuadro metálico

B1  B2 H S  0,83  B  H 2 La fórmula para el cálculo de la sección con cuadro metálico aproximadamente es S=K×B×H. Se pueden tener diferentes perfiles, por lo que el valor K=0.83 cambiará. A continuación se muestran otros valores de K en función de la geometría aproximada de los perfiles de los cuadros metálicos. S

Valores de K para diferentes tipos de sección

Medición de velocidad de aire y secciones de conducto

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VENTILACION DE MINAS

Tanto en este caso, como en el de la galería de sección irregular, puede utilizarse el fotoperfil, con planimetrado de la sección fotografiada.

Medida de la sección con el método Fotoperfil. Este método se aconseja sólo para secciones complejas y para el establecimiento de secciones fijas. En otros casos la medida debe ser encomendada a topógrafos. Otro método que se puede utilizar es el perfilómetro, para calcular aquellas secciones que no se corresponden con ninguna otra y que por tanto no conocemos el factor K de corrección.

Esquema de funcionamiento de un perfilómetro. El principio de funcionamiento consiste en colocar el perfilómetro sobre un trípode de manera que quede horizontal en el cuadro que queremos medir, el aparato efectuará un giro parando cada xº (cuantos más puntos de medida mayor precisión) para enviar a la pared o cuadro un rayo láser, midiendo así la distancia al cuadro. A partir de estos puntos se obtiene el perfil de la zona de medida. En el caso de que existan instalaciones que dificultan el paso de aire, como por ejemplo cintas transportadoras, debe descontarse una determinada sección de la galería, a especificar en cada caso concreto.

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VENTILACION DE MINAS

Sútil  S galería  b  h 

b h

b h

Galerías con cinta transportadora que dificulta el paso de aire 5.8

Elección de los puntos de aforo

Este es un tema muy delicado, pues se trata de elegir una serie de puntos que dejen completamente definido el esquema de ventilación. Es necesario que los puntos sean los suficientes en número, pero también que estén bien situados a nivel local, ya que en la medida de lo posible, se elegirán tramos rectos, alejados de puertas de ventilación y de las bifurcaciones. Se elegirán también de manera que se puedan cuantificar el caudal de fugas para poder actuar sobre ellas de forma eficaz. Es conveniente adoptar, en cada mina, un método definido y utilizar siempre el mismo, y lo que es mejor aún, realizado por la misma persona. Tan importantes como los valores absolutos de los caudales de aire, son en ocasiones las variaciones relativas. Los operadores deben estar instruidos. Pueden utilizarse dos formas de medición: “frente al medidor” y medición “en la sección”.

Formas de medición con anemómetro. En la medición “frente al medidor”, el operador se coloca en la labor con la cara hacia la corriente y teniendo el anemómetro frente a sí con la mano tendida, moviéndolo regularmente por la sección. Este método se recomienda para labores con altura de hasta 2 metros y se introduce un coeficiente c = 1,14 que tiene en cuenta la obstrucción del operador en galería.

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VENTILACION DE MINAS

Si la labor tiene más de 2 metros de altura, se utiliza la medición “en la sección”. En ella el técnico se coloca con la espalda hacia la pared de la labor y desplaza regularmente el anemómetro con la mano tendida por toda la sección, como en el caso anterior. En este caso, la corrección es:

c

S  0 ,4 S

Siendo S la sección transversal de la labor en m2. El recorrido del anemómetro, debe iniciarse y pararse cuando esté cerca de la pared. Si la sección es importante, conviene montar el anemómetro sobre una pértiga. El caudal de aire que pasa por la sección es:

Q  S Vmed  C

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VENTILACION DE MINAS

6

CALCULO DE REDES

El objeto del cálculo de la red de ventilación es determinar el reparto del caudal total de aire que entra en la mina, entre sus distintas labores: pozos, galerías, talleres, para comprobar después que dichos caudales igualan o superan a los necesarios para que el trabajo en esas labores sea posible en las condiciones reglamentarias. Se supone, en lo que sigue, que son conocidos los caudales de aire necesarios para toda la mina y para sus diferentes labores El cálculo del reparto del aire puede realizarse según diversos métodos, en función de la mayor o menor complejidad de la mina en estudio. 6.1

Descripción de los métodos de cálculo

Se exponen diversos métodos de cálculo aplicables, como ya se dijo, según la complejidad de la mina, y, que van desde los de resolución manual a otros en los que se requiere el empleo del ordenador. Caso de minas sencillas, con una sola entrada y una sola salida. Cálculo manual Son datos del problema: El caudal de aire total necesario en la mina. Los caudales necesarios en las labores más importantes, tales como talleres de arranque, circuitos recorridos por máquinas de combustión interna y otros. Estos caudales parciales son necesarios para comprobar que una vez efectuado el reparto los valores calculados superan a los mínimos reglamentarios (Test de Coherencia). Plano de la red de ventilación, con indicación, (cuando ya estén definidas) de las puertas y los ventiladores. Resistencias aerodinámicas de las diferentes labores, tales como:    

Galerías Pozos Talleres Puertas de ventilación

Para efectuar el cálculo de estas resistencias es preciso dar datos exclusivamente geométricos, tales como sección, perímetro, longitud y tipo de revestimiento. En algunos casos, se requiere como dato el caudal que se desea circule por una determinada labor. En este caso la incógnita será su resistencia, o de otra forma, la sección abierta del “registro” que hay que dejar en una puerta de regulación.

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VENTILACION DE MINAS

Ejemplo de circuito de ventilación de una mina con una entrada y una salida 6.2

Preparación de los datos

Esquema de la red Conviene preparar un esquema simplificado, tal como el de la siguiente figura:

Circuito correspondiente a la mina de la figura anterior 6.3

Cálculo de las resistencias

El valor de la resistencia de una labor, en murgues, viene dado por la expresión: R  Donde:



PL PL  103  15,6    3 3 2 g 4S S



(1)

R es la resistencia en el sistema internacional (Kg m-3 s2) o en murgues.  es el coeficiente que depende del tipo de revestimiento. Puede obtenerse con gran exactitud de las tablas del Anexo 1. S es la sección recta de la galería, en m2 P es el perímetro de la sección recta (completo, es decir, incluyendo la base si se trata de una galería). L es la longitud de la labor o de la galería, en m  es la densidad, en Kg/m3.

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VENTILACION DE MINAS

Ejemplo

En el caso, de la mina de la figura, y supuesto que los valores de las resistencias se han determinado y valen, en murgues:

L (m) P(m)

Perímetro

S (m2)

Sección

Coeficiente de frotamiento  Sostenimiento (incluso dibujo de la sección recta) Labor agrupadas

Resistencias

Hasta Desde Ramal nº

Cálculo de las Resistencias Específicas

Longitud

/m

R100

murgues

Resistencia

R1 = 50 R2 = 9,06  R3 = 1,24 R4 = 36 R5 = 10 R6 = 6 R7 = 2 R8 = 16 R9 = 24 R10 = 25 R11 = 49 R12 = 3,175 R13 = 8,195 R14 = 23,376.

Cálculo de las resistencias específicas R

 R1  R 2  R 3

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VENTILACION DE MINAS COMPOSICIÓN DE RESISTENCIAS Valor Valor resistencia Forma de Resistencias de con la que se composición partida o calcula resultante

ESQUEMA RESULTANTE Resultado

R5 = 10 Ra = 16 Rb = 5,76 Rc = 9 Rd = 2,94

R6 = 6 R4 = 36 R3 = 1,24, R7 = 2 R8 = 16 R2 = 9,06, R9 = 24

Serie Paralelo Serie Paralelo Serie

Ra = 16 Rb = 5,76 Rc = 9 Rd = 2,94 RA = 36

RA = 36

R10 = 25 R11 = 49

Tri =ánguloestrella

R15 = 4,685 R16 = 5,825 R17 = 7,805

R12 = 3,175 R13 = 8,195 RB = 9

R16 = 5,825 R17 = 7,805 RC = 16

Serie Serie Paralelo

RB = 9 Rc = 16 RD = 2,94

RD = 2,94

R1 = 50 R17 = 7,805 R14 = 23,375

Serie

Re = 81

Composición de resistencias y esquemas resultantes Después de realizar las composiciones se obtiene un valor de la resistencia equivalente de toda la mina de:

Re  81 murgues  81  10 3

Pa

 m3    s  

2

y el orificio equivalente:

W  0 ,38

6.4

R e 1000  1,335 m 2

Elección del ventilador

Conocidos Re, o bien w. se puede calcular la presión total que ha de suministrar el ventilador principal para que circule por la mina el caudal deseado Q. Este valor viene dado por las expresiones:

X 

Re Q2 1000

X  H

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VENTILACION DE MINAS

donde:  X representa la pérdida de carga que experimenta el flujo de aire al circular por la mina2. (mm. c. a.; Kg/m2).  H es la sobrepresión que tiene que suministrar el ventilador al flujo que lo atraviesa. (mm. c. a.; Kg/m2).

Expresiones que nos dan la Presión Total. En nuestro ejemplo, si Q = 12 m3/s  H = 11, 664 mm.c.a. Re Q 2 (en unidades del Sistema Internacional), conocida como 1000 curva característica de la mina, puede representarse gráficamente por una parábola o por una recta si se utilizan coordenadas logarítmicas, como se ve en las figuras siguientes.

La ecuación X 

El ventilador instalado en el circuito, deberá suministrar un caudal igual o superior a Q. Para ello su curva deberá superar el punto (Q, H), tal como se ve en las figuras.

2

Recordar que, considerando al aire en la mina como un fluido incomprensible, es decir, con Y = cte, se puede definir la carga X como X = p +  V2/2g + Z, donde p = presión estática, es decir, presión a la que está sometida un objeto que se mueve con la corriente de aire;  V2/2g = presión dinámica, y Z presión por altitud. En tal caso: X = (p1 +  V21/2g + Z) - (p2 +  V22/2g + Z2) Además, al ser el aire un fluido viscoso, se cumple que siendo Tf el trabajo de las fuerzas de frotamiento. Se  PL 2 demuestra que:  dTf  15 ,6  o Q .  S3 

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VENTILACION DE MINAS

6.5

Cálculo del reparto de caudales

El cálculo anterior, debe ser completado con el del reparto de caudales entre los distintos ramales. Para ello se utilizarán las siguientes ecuaciones: 

Tramos en serie Q = Q1 = Q2 =··········Qn; Además X = Re Q2 = (R1 + R2 + ······+Rn)Q2



Tramos en paralelo

X  R1Q12  R 2 Q22        R n Qn2  R eQ 2 De donde Qi  

Re Q Ri

Tramos en diagonal

En este caso, la forma de proceder es algo más compleja. Partiendo de la estrella equivalente, hay que calcular la carga en sus nudos, es decir, la carga en: X1-2 , X2-3 , X3-1 y X0

Cálculo del reparto de caudales para tramos en diagonal Lo cual puede hacerse partiendo del esquema transformado. A continuación se obtienen Q1, Q2 y Q3 por las expresiones: Q1 

X 1 3  X 1 2  1000 Q2  R1

X 2 1  X 2  3  1000 Q3  R2

X 3 2  X 31  1000 R3

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VENTILACION DE MINAS

En el ejemplo de nuestro caso, se tiene: Tramo

Resistencia (murgues)

Pérdida de carga (RQ2)

1

R1

12

7,2

14

R14 = 23,376

12

2,88

15

R15 = 4,685

12

0,674

16+12

=9

6,856

0,423

17+13

= 16

5,142

0,423

12

R12 = 3,175

6,856

0,149

13

R13 = 8,195

5,142

0,217

16

R16 = 5,825

6,856

0,274

17

R17 = 7,805

5,142

0,206

10

R10 = 25

6,161

0,949

11

R11 = 49

- 1,178

0,068

4,947

0,881

2, 3, 4, 5, 6, 7, R = 36 e 8, 9

6.6

Caudal (m3/s)

2

R2 = 9,06

4,947

0,222

9

R9 = 24

4,947

0,587

8

R8 = 24

2,121

0,072

3

R3 = 1,24

2,826

0,0099

7

R7 = 2

2,826

0,0160

4

R4 = 36

1,130

0,046

5

R5 = 10

1,696

0,029

6

R6 = 6

1,696

0,017

Presión en los nudos (mmca) Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior Anterior Posterior

Atmósfera=00 7,2 -8,298 -11,664 -7,2 -7,875 -7,875 -8,298 -7,875 -8,298 -8,149 -8,298 -8,081 -8,298 -7,875 -8,149 -7,875 -8,081 -7,2 -8,149 -8,149 -8,081 -7,2 -8,081 -7,2 -7,422 -7,422 -8,081 -7,422 -7,494 -7,422 -7,432 -7,478 -7,494 -7,432 -7,478 -7,432 -7,461 -7,461 -7,478

Evaluación de los resultados

La etapa final en el cálculo de la red es la verificación de que el reparto de caudales es el deseado. Si todas las labores quedan bien ventiladas el problema puede darse por resuelto. Si alguna labor resulta infraventilada, es preciso modificar algunas resistencias y rehacer el cálculo. Rehacer una resistencia significará, en la realidad, ensanchar una galería, colocar una puerta, o, en general, realizar una labor minera que sea lo más sencilla posible. Caso particular de una mina sencilla, pero con varias entradas y una sola salida en la que se sitúa el ventilador

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VENTILACION DE MINAS

Se incluye también en este caso el de una mina con una sola entrada, en la que se sitúa un ventilador soplante y varias salidas. En este caso, puede suponerse que todas las entradas (o salidas), están unidas a un único nudo, la atmósfera, del que se derivan en paralelo, las distintas entradas E1, E2, E3, que se sitúan al mismo potencial.

Caso de una mina con una sola entrada. En consecuencia, el problema se reduce al anterior. Nota: El problema sería diferente en el caso de que se considerará la fuerza aeromotriz natural, o ventilación natural. En tal caso, las cargas en E1, E2 y E3 serían distintas. 6.7

Algunas consideraciones prácticas

 Primera: En el esquema siguiente, se representa la evolución de la pérdida de carga a lo largo de la red correspondiente a una mina tipo:

El reparto es el siguiente:  Pérdida de carga en el retorno general: 60%.  Pérdida de carga en la entrada principal: 25%.  Pérdida de carga en las explotaciones: 15%.

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VENTILACION DE MINAS

De aquí se deduce que no debe entrarse en excesivo detalle en el cálculo de las resistencias de las explotaciones: galería sobre capa, talleres, etc., pues el peso de su resistencia equivalente es reducido. Puesto de X = R·Q2, se calculará R con tanto más detalle cuando mayor se prevea que va a ser Q. Este es el caso, por ejemplo, del retorno general.

 Segunda: En las minas que dispongan de dos o más plantas de entrada de aire, son frecuentes los esquemas en diagonal, o si se quiere en triángulo, tal como se ve en la siguiente figura.

El cálculo manual en este caso se complica en exceso, por lo que es preferible o realizar simplificaciones o, mejor aún, recurrir al cálculo en el ordenador. Caso de minas más complejas, con varias entradas y salidas, y sobre todo con varios ventiladores En este caso se incluye cualquier problema de reparto del aire, en minas: 

Con una o varias entradas.



Con una o varias salidas.

 Con uno o varios ventiladores, en el interior, en el exterior o en ambos emplazamientos.

En tal caso el problema ha de resolverse recurriendo a la teoría de las redes de mallas. 100 de 180

VENTILACION DE MINAS

6.8 Datos del problema Conocido el esquema de red, esta tiene p ramales n nudos (¡ojo! Considerar siempre la atmósfera como un nudo, pues la red tiene que cerrarse sobre sí misma).

Se demuestra que en ella existirán: m = p - n + 1 mallas independientes se conocen como datos: 

La resistencia de los p ramales (Eventualmente, la resistencia de p' ramales y los caudales impuestos en los p-p' restantes).



Para cada ventilador: -

Bien el caudal Qv' que lo ha de atravesar. Bien la presión Hv’ que ha de suministrar. Incluso en algunos casos, Qv y Hv. Bien la curva del ventilador Hv = f (Qv).

Para expresar matemáticamente esta curva se suelen dar varios puntos (mínimo 3), que se interpolan mediante una poligonal. La red de la figura tiene: n = 11 nudos. p = 20 ramales. m = 20 -(11 + 1) = 8 mallas independientes. 6.9 Incógnitas del problema Las incógnitas principales son los caudales de los ramales o eventualmente la resistencia en aquellos en los que se impuso el caudal.

También deben determinarse alguno de los siguientes valores: 

Presiones de los ventiladores.



Caudales de los ventiladores.



Puntos de funcionamiento caudal / presión de los ventiladores.

Para obtener estas incógnitas, se dispone de las siguientes ecuaciones, obtenidas a partir de las leyes de Kirchhoff de la ventilación: 

Ecuaciones de los ramales: - Para los ramales activos: Xi = Ri · Qi

-

Para los ramales pasivos: Qi = Qo (o con caudal impuesto)

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VENTILACION DE MINAS

Circuito correspondiente al esquema anterior -

Para los ramales con ventilador necesitamos algunos datos, como pueden ser: Hv = Ho Qv = Qo Hv = f(Qv) En total, se pueden plantear p ecuaciones de este tipo



Ecuaciones de los nudos:

Qi,j = 0 Existen n-1 ecuaciones independientes de este tipo. 

Ecuaciones de las mallas:

 Xi,j = 0 Existen m = p-n+1 ecuaciones independientes de este tipo. Se plantea, un sistema con tantas incógnitas como ecuaciones, que siempre tienen solución

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VENTILACION DE MINAS

6.10 Soluciones informáticas

La resolución en el ordenador es muy sencilla. Sólo se necesitan disponer o poder acceder a alguno de los programas existentes, como por ejemplo: 

Programa VenPri “Ventilación Principal en Minas y Túneles” de AITEMIN



Programa VentSim “Mine Ventilation Simulation Software”, de Ventsim Software,



Programa VentPC, de Mine Ventilation Service, Inc.



Programa Ventila, de SADIM / HUNOSA.



Programa VUMA, de BBE / Miningtek.

Son programas desarrollados específicamente para trabajar en entorno Windows. 6.11 Preparación y entrada de datos El uso de un programa informático resulta cómodo y eficaz, pues los cálculos son más rápidos y fiables. Algunas de las ventajas a destacar del uso de programas informáticos son: 

Permite introducir de modo sencillo los datos significativos de redes de ventilación y representarlas de modo gráfico.



Realizan complejos cálculos para obtener la distribución de los caudales de la red de ventilación, en función de su estructura, las resistencias de las ramas, las curvas de respuesta de los ventiladores y otros factores, como puede ser el efecto del tiro natural.



Algunos de ellos permiten hacer el seguimiento de los gases que se desplazan por la red de ventilación y estimar su concentración en cualquier punto de la red, tanto en régimen transitorio como estacionario.



Pueden utilizarse como herramienta de simulación para hacer estudios de ventilación, probando distintas variantes e incluso pueden servir para hacer planes de emergencia en casos de averías o de incendios. En el caso de incendio se puede indicar en las ramas afectadas la temperatura correspondiente, con lo cual varía la ventilación natural, y hacer, además, un seguimiento de los gases desprendidos.



También puede utilizarse para hacer un control en tiempo real de la ventilación.

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VENTILACION DE MINAS

6.12 Introducción de la red de ventilación en el programa

La operación principal para la edición de redes de ventilación es la creación de ramas. Previamente deben estudiarse los planos de la mina y a partir de ellos hacer un esquema sencillo: 

Las galerías consecutivas y de características semejantes en cuanto a sostenimiento, sección,... formarán una única rama. La longitud de dicha rama será la suma de la longitud real más la equivalente, valorada según las irregularidades y curvaturas que existan en ella.



No se tendrán en cuenta los fondos de saco, pues no pertenecen a la ventilación principal. Estas labores formarán parte de un estudio de ventilación secundaria, aunque si nos definirán el caudal mínimo en la galería del circuito principal de la que se inicia este fondo de saco.



Se deben tener en cuenta las labores abandonadas y medir en ellas las posibles fugas de caudal.

6.13 Diseño de la red en el ordenador

La labor del usuario es la preparación de los datos del programa. La correcta solución del problema dependerá exclusivamente de la fiabilidad de estos datos, ya que el cálculo estará siempre bien hecho. Para preparar los datos puede procederse según el siguiente diagrama de flujo: PREPARARPARAR PLANOS DE LA MINA Plano de Ventilación Plano de las Labores Plano de detalle Partiendo de ellos haremos un esquema simplificado, eliminando aquellas ramas por las que no circule ventilación principal (fondos de saco...)

NUMERACIÓN DE LOS NUDOS Seguir criterio de numeración, para posteriormente darle un nombre a la rama cuyos extremos sean esos nudos. Es aconsejable numerar los nudos siguiendo el sentido de la corriente de aire Cubrir hoja de nudos ocupados

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VENTILACION DE MINAS

HOJAS DE CÁLCULO DE RESISTENCIAS Clasificadas por: Cañas de pozo Pozos de retorno Transversales principales Cuarteles MEDIR RESISTENCIAS De algunas labores importantes, de aquellas que pudiéramos considerar “resistencias tipo”, y de elementos como puertas, esclusas, etc.

CALCULAR RESISTENCIAS Se calculan directamente a partir de los datos de mina, o se concluyen a partir de las ya conocidas

DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS VENTILADORES Caso 1: Estimar, o mejor medir las curvas Caso 2: Fijar la depresión admisible Caso 3: Fijar el caudal a suministrar

CUBRIR HOJAS DE ENTRADA AL ORDENADOR Sin ventilación natural Con ventilación natural

CÁLCULO EN EL ORDENADOR

ESTUDIO DE LOS RESULTADOS

La obtención de los datos, para posteriormente incluirlos en los cálculos del programa, se realizará mediante la medida y/o el cálculo de los parámetros necesarios.

6.14 Proceso de cálculo

El proceso de cálculo consiste en construir mallas que cubran toda la red de ventilación. Generalmente no se tienen en cuenta los cambios debidos a compresiones y descompresiones del volumen de aire que circula. La razón es que el aire que baja a 400 m se comprime aproximadamente un 5,2%, con lo cual los caudales que atraviesan las ramas 105 de 180

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varían ligeramente, pero estas variaciones no influyen de modo importante en el cálculo de la red de ventilación. Puesto que la suma de las depresiones de todas las ramas de una malla debe ser igual a cero, se ajustan los caudales de modo iterativo hasta conseguir que esto se cumpla para todas las mallas. Este cálculo no puede resolverse con un sistema de ecuaciones por no ser un sistema lineal. Es, por tanto, necesario un software que resuelva el sistema de forma iterativa. 6.15 Datos de salida

La tarea fundamental del Ingeniero de ventilación es el análisis y escrutinio de los resultados del cálculo. Para cada rama los datos principales obtenidos son: 

El caudal, expresado en m3/s.



La pérdida de carga en cada ramal, en mm.c.a. o Pa



La presión, respecto a la atmósfera, de uno de los dos nudos extremos (normalmente, el final).



El seguimiento de gases, y flujos contaminados.



Puntos de trabajo óptimos del ventilador.



Estudio de la ventilación natural.

Si el reparto de caudales no es el deseable, se puede rehacer el cálculo planteando otras hipótesis con algunos valores de resistencia distintos, o variando la configuración de la red, o los ventiladores. La solución óptima suele obtenerse por selección entre varias posibles. 6.16 Ampliación del concepto de orificio equivalente

En caso de una mina que utiliza varios ventiladores, el concepto de resistencia u orificio equivalente no es aplicable, puesto que en la expresión: X1 – X2 = R · Q2 la carga en los distintos puntos de entrada, o en los distintos puntos de salida, puede ser diferente. Es decir, tanto X1 como X2 pueden no estar definidos. En este caso, para evaluar la abertura de la mina mediante un parámetro intuitivo, se extiende el concepto de resistencia y orificio equivalente de la siguiente forma:

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VENTILACION DE MINAS

Si teníamos:

R

X Q2

,

se puede convertir en:

R

Q  X W  3 3 Q Q

( W  potencia en Kg  m / s )

Igualmente

  0 ,38

Q3 2

(m2 )

W

Si la red es compleja, con varias entradas y salidas, y se tiene

Q   j Qej  i Qri = caudal entrante o saliente.

W   Qk  X k    R k  Qk3 = potencia aeráulica consumida en todas las ramas del circuito. entonces R Ahora bien



 R k  Qk

3



3

Q W   R k  Qk3   HV  QV 





Hv, Qv: carga y caudal de los ventiladores Con esto se obtiene una expresión más sencilla de aplicar

R

 Qv

 Hv 

 Qv 3

Qv: es la fracción del caudal Q que pasa por los ventiladores (normalmente Qv = Q), recuérdese que   0 ,38 R (R en Kilo murgues). Calculo de la depresión del ventilador mediante resolución de una malla Este método puede ser útil en algunos casos, sobre todo para efectuar primeros tanteos o llegar a, una primera aproximación del problema. Requiere conocer como datos, los caudales que previsiblemente circularán a lo largo de una cierta malla que pasa por el ventilador cuya depresión queremos calcular. Estos caudales si que son conocidos y además, durante la explotación, podemos aproximarnos más o menos a ellos regulando las puertas que existen en el circuito.

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VENTILACION DE MINAS

Supongamos una red como la de la figura:

En esta red, conocemos Q1,Q2, Q3..., e igualmente R1, R2, R3... Se cumple que i R i Qi  H v  0 Para efectuar un cálculo de este tipo, puede utilizarse una tabla modelo similar a la que se adjunta: CÁLCULO DE LA PÉRDIDA DE CARGA EN UNA MALLA

Proyecto...................................................................................................................................... ........... DENOMINACIÓN TRAMO Nº NUDO

Anterior

Posterior Resistencia R Caudal previsto Q H=RQ2 H

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VENTILACION SECUNDARIA

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1

INTRODUCCIÓN

En las obras de ejecución de túneles, así como en las labores mineras que no son ventiladas por la corriente principal (fondos de saco), es necesario una ventilación específica para asegurar que tenemos en el frente de trabajo el aire necesario para remover los gases emitidos por los vehículos, la voladura u otros como el metano. Es también necesario controlar el polvo y la temperatura. Esta ventilación es comúnmente conocida como ventilación secundaria. El volumen de aire introducido en las labores estará pues en relación con su extensión, el número de personas, el tonelaje extraído y las condiciones naturales de la mina, teniendo en cuenta la temperatura, humedad, emisión de gases mefíticos, producción de polvo y otras sustancias peligrosas. El buen conocimiento del sistema de ventilación y los parámetros del entorno que le afectan, ayudará a optimizarlo principalmente, pero colateralmente nos reportará mucho beneficios, como son el ahorro de energía, ahorro de los costos de funcionamiento y mantenimiento, etc. Este buen conocimiento comprende:

    

El análisis de la eficiencia de los sistemas existentes, así como la determinación y localización de los problemas existentes con las consiguientes soluciones a estos problemas. Optimización de los sistemas para reducir el costo energético. Optimización de los sistemas para mejorar las condicionen ambientales de los frentes de trabajo. Modificación de los sistemas de cara a adaptarlos a nuevos requerimientos. Evaluación técnica y crítica a los diseños de ventilación propuestos por otros.

El presente capítulo profundizará en el conocimiento de estos factores con vistas a poder optimizar el diseño de estas instalaciones, poniendo hincapié en los puntos sensibles, exponiendo las metodologías de cálculo más racionales y siempre sin olvidar los factores prácticos basados en la experiencia.

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2

ELEMENTOS DE UNA INSTALACIÓN DE VENTILACIÓN SECUNDARIA

Una instalación de ventilación secundaria o auxiliar estará formada principalmente por ventilador y una tubería, pero además para que funcione el sistema tenemos se necesita de otros elementos imprescindibles en ciertas situaciones como pueden ser los captadores de polvo: 2.1

Ventiladores

El ventilador para la ventilación auxiliar o secundaria tiene por objeto poner en el frente de trabajo aire limpio, procedente o bien del circuito de ventilación principal en caso de minas, o bien del exterior en el caso de ventilaciones de obra en túneles. Los ventiladores usados en este tipo de ventilación son generalmente de tipo axial. En función del tipo de galería o túnel y del ambiente de trabajo los ventiladores tienen configuraciones constructivas diversas con lo que podemos clasificarlos en: Ventiladores neumáticos Son equipos que han sido usados principalmente en minería sobre todo en lugares en que es imposible hacer llegar una red eléctrica o en los que por motivos de seguridad no se recomienda la utilización de equipos eléctricos.

Los ventiladores neumáticos son ventiladores axiales de un escalón, accionados por aire comprimido que toman de una red alimentada desde una sala de compresores en el caso e una mina o desde un compresor portátil en el caso de que la aplicación del ventilador sea para la limpieza en el ámbito de la industria naval. Es en este último caso, donde muchas veces se requiere que un único ventilador alimente más de una tubería, por lo que se le dota al ventilador de piezas de adaptación o de conexión a las tuberías que se acoplan para completar el sistema de ventilación.

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El ventilador está compuesto por una carcasa exterior cilíndrica de acero. En su interior se aloja el rodete y el mecanismo de giro que acciona a éste. Se trata de turboventiladores, es decir, una turbina y un rodete que van montadas sobre un mismo eje. Las características aerodinámicas dependen de la presión de la red en cada momento. Por otro lado, el rendimiento de estos equipos es inferior al rendimiento de los equipos eléctricos, y si además tenemos en cuenta la menor eficiencia que tiene un sistema de aire comprimido frente al eléctrico, la utilización de estos equipos sólo es recomendable por motivos de seguridad. Ventiladores eléctricos Se trata de equipos accionados mediante un motor eléctrico, el cual va acoplado directamente al rodete del ventilador. En función de las características de nuestro frente de ventilación secundaria, se distinguen los siguientes tipos de ventiladores: Ventiladores axiales para grandes túneles y minas no grisuosas: Son máquinas eléctricas que trabajan generalmente en ventilación soplante. La configuración típica para una estación de ventilación de este tipo es:  Ventilador. Un ventilador o más dependiendo de las exigencias aerodinámicas. Puede, por tanto, haber instalados varios equipos en serie.  Rejilla de protección. Para evitar que elementos susceptibles de ser aspirados pasen con el flujo a través del ventilador. Sirve además para evitar daños accidentales en el personal que trabaje en el entorno de la máquina.  Tobera de admisión. Facilita la entrada del aire, reduciendo la pérdida de carga en el sistema, mejorando el rendimiento del sistema y reduciendo el nivel de ruido aerodinámico del equipo.  Silenciosos tubulares. Son los atenuadores acústicos, de manera que se dimensionan para reducir el nivel de ruido aerodinámico a los niveles deseados.

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 Sistema de anclaje o de fijación, que puede ser al techo del túnel o galería mediante pernos, o bien mediante un bastidor anclado directamente al suelo, o mediante un pórtico, típico para túneles de gran sección.

Ventiladores axiales con motor antideflagrante: Son ventiladores eléctricos preparados para trabajar con atmósferas explosivas. Por tanto, el motor ha de tener una protección antideflagrante, cuyo grado de seguridad será el exigido para cada ambiente en particular. Este tipo de ventiladores es la solución para minas y lugares donde la atmósfera es potencialmente explosiva. La configuración típica de estos ventiladores es análoga a la vista en el caso anterior. Generalmente, en este caso peculiar, podrán usarse estos ventiladores en sistemas de ventilación impelente, ya que el aire que hacen llegar al frente será aire limpio procedente del circuito de ventilación principal, y por tanto no tiene por qué haber riesgo de explosión. En líneas impelentes se puede utilizar un ventilador con la forma constructiva convencional, así como también, fuera del ámbito minero y con concentración de metano todo tipo de instalaciones siempre y cuando el motor sea apto para trabajar con atmósferas explosivas. Ventiladores antideflagrantes de bolsillo: La legislación minera nos dice que en líneas aspirantes no se permite que el flujo de aire pase por el motor, por lo que la construcción del ventilador esta condicionada por esta circunstancia. Para tal aplicación se utilizan ventiladores eléctricos preparados para trabajar en atmósfera explosiva compuestos por una carcasa exterior cilíndrica para la carcasa motor, dentro de la cual va alojado el motor, estando este contenido en una envolvente que lo sitúa fuera del circuito de aire, como se aprecia en la siguiente figura.

Ventilador de bolsillo

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Esta configuración añade al ventilador un extra de protección frente a los axiales antideflagrantes normales, ya que el motor también suele tener también protección antideflagrante. Ventiladores contrarrotativos: Cuando se necesita vencer grandes pérdidas de carga y los caudales no son excesivamente altos, pueden usarse ventiladores contrarrotativos. Estos ventiladores son capaces de proporcionar 2 o 3 veces más presión que un ventilador normal. Se trata de ventiladores que llevan 2 rodetes girando en sentidos opuestos, y por tanto dos motores. Su uso se restringe a ocasiones en las que por exigencias de la sección del túnel, debido al gálibo, se instalan tuberías de diámetro inferior al adecuado, con los que las presiones de trabajo para poder mantener el caudal necesario en el frente nos lleva a la utilización de ventiladores de muy alta presión.

La elección del ventilador adecuado es importante de cara a maximizar el rendimiento del conjunto. Si las características del sistema así lo requieren, pueden instalarse baterías de 3 y 4 ventiladores en serie para lograr vencer presiones de más de 10.000 Pa. Cuando se trabaja con dichas presiones se ha de tener en cuenta también la resistencia de la propia tubería, ya que si no se dimensiona correctamente podría no soportar el trabajo de ventilador, sobre todo los tramos iniciales donde se alcanzan las más altas presiones. 2.2

Tubería

La tubería de ventilación está formada por un tejido textil de poliéster revestido con PVC. El poliéster proporciona al conducto su resistencia mecánica. Se utilizan varios espesores de textil en función de las diferentes calidades de la tubería. El recubrimiento del textil hace el conducto de ventilación impermeable al aire y al agua, y protege el poliéster de los rayos ultravioleta, así como de las influencias químicas. Los revestimientos gruesos proporcionan una mayor resistencia. Todas las tuberías deben de ser autoextiguibles, es decir, que en caso de incendio, el tubo continuará quemándose el tiempo que se exponga a las llamas, pero se apagará cuando se elimine la fuente de incendio. En el caso de ventilación aspirante las tuberías pueden ser también de poliéster llevando anillos de refuerzo que le proporcionan rigidez. Las tuberías totalmente rígidas de PVC o metálicas no se recomiendan por su elevado coste, su alto peso y la dificultad para salvar obstáculos tales como curvas, estrechamientos, etc. 114 de 180

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2.3

Filtros

Junto a los gases, el polvo es uno de los principales contaminantes que perjudica el ambiente de un túnel o una mina. Cuando el polvo se encuentra en el aire, forma un sistema disperso llamado "aerosol". El polvo puede permanecer en el aire durante largo tiempo, dependiendo de varios factores, entre los cuales están: tamaño, finura, forma, peso específico, velocidad del movimiento del aire, humedad y temperatura ambiental. El control del polvo se realiza principalmente mediante la supresión o atenuación del mismo, mediante su captación o mediante su dilución. Trataremos en este apartado los sistemas de captación o filtrado: Las fuentes de generación de polvo son múltiples, así como el tipo de polvo en cuanto a su nocividad o peligrosidad. En minas donde se produce polvo de carbón, la generación de este crea una atmósfera peligrosa potencialmente explosiva, en cambio la presencia de sílice hace que el ambiente sea dañino para el personal de trabajo. El polvo se puede generar en operaciones de carga, en la perforación, en el avance mecanizado de túneles o galerías, etc. Para estos casos es preciso disponer de sistemas de captación con filtros de alta eficacia para garantizar una atmósfera de seguridad y confort. El empleo de maquinas de ataque puntual comúnmente conocidas por rozadoras o minadores genera gran cantidad de polvo en la zona en la que se realiza la excavación. Este polvo presenta graves inconvenientes para las personas que trabajan en el entorno, falta absoluta de visibilidad, imposibilidad de respirar, aspiración de polvo de sílice o similares así como una disminución de la seguridad en el trabajo e incrementos de situación de accidentes. La captación de polvo es básicamente un sistema aspirante similar a los descritos anteriormente a los que se les incorpora un filtro. Este puede ser por vía húmeda y por vía seca. Los filtros en vía húmeda son mas económicos pero mucho menos eficaces que los de vía seca. Los filtros por vía seca son de alta eficacia que llega al 99.9% del polvo aspirado, es decir, de 1000 gr. de polvo aspirado se retorna al túnel 1 gr. Vía Húmeda El sistema de captación de polvo, se suelen instalar en los frentes de avance con minador en el circuito de ventilación secundaria en esquema aspirante. Este tipo de captador de polvo se emplea especialmente en minas de carbón, y que España se instalan de acuerdo con las exigencias de la ASM-52, que establece en apartado 4.1.2.-Prescripciones adicionales para avances mecanizados, que: las labores avance mecanizado dispondrán de un captador de polvo. El extremo de la tubería aspiración del captador estará situado a una distancia máxima del frente de 2 metros.

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Generalmente en los frentes de avance con minador se están usando equipos de captación que consisten básicamente en un ventilador axial de “bolsillo” que incorpora un sistema de pulverización de agua y un panel filtrante. Es necesario la correcta utilización y ubicación del sistema, ya que con cierta frecuencia se combinan los captadores con otros ventiladores en serie, creando condiciones de servicio inadecuadas, fundamentalmente debido a la circulación de un exceso de caudal a través del captador, con pérdidas de carga en el filtro muy elevadas. En otras ocasiones, y también con cierta frecuencia, ante la necesidad de mayor caudal de ventilación secundaria en el frente, se retira el panel filtrante, ocasionando por tanto una pérdida de eficacia notable en la captación y decantación del polvo respirable.

En funcionamiento aislado sobre una línea de ventilación secundaria, el conjunto se comporta como un ventilador, cuya curva de funcionamiento se asemeja a la de un ventilador con una resistencia (filtro) en serie con ella. Sin embargo, cuando el captador funciona en serie con otro ventilador, (se instala a continuación de dicho ventilador), y debido a que los ventiladores pueden suministrar un caudal nominal mayor que el del captador de polvo, el conjunto “ventilador del captador+filtro“ se comporta como una resistencia (pérdida de carga neta) insertada en el circuito de ventilación del ventilador auxiliar. Por esta razón, resulta aconsejable la ubicación de este equipo en punto de la instalación de ventilación secundaria en los que el caudal que circule no sea superior a los del caudal nominal del filtro (Se intenta que el filtro sea un elemento neutro a efectos de pérdida de carga), ya que para caudales superiores a éste aumenta notablemente la pérdida de carga y se penaliza el rendimiento de la instalación. Cuando se recurre al acoplamiento de un sistema de captación en el sistema de ventilación auxiliar, ubicar este equipo lo más cerca del frente de trabajo resulta favorable para el funcionamiento (de hecho ya no sería un elemento neutro, sino positiva, de manera que ayude al ventilador auxiliar). Se debe insistir en la necesidad de proceder a una limpieza periódica del 116 de 180

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panel filtrante para evitar obstrucciones que ocasionan disminuciones significativas del caudal efectivo en el frente. Se debe señalar también la importancia de reducir las fugas a lo largo de la tubería, teniendo en cuenta que este aspecto tiene mayor relevancia aún que en otras instalaciones, ya que al existir una importante resistencia intercalada en el circuito (captador de polvo), se trabaja con un caudal reducido en el frente de trabajo con lo que la captación se verá mermada.

Para definir el caudal necesario para los filtros acorde a una posición x de dicho captador a lo largo de una línea de ventilación, hay que tener en cuenta como se comporta dicha línea sin captador. Esta claro que el caudal en el frente será menor que el caudal que moviliza el ventilador, por lo que a lo largo de la línea vamos a tener un caudal distinto y que tendremos que estimar en función de la longitud donde lo evaluemos. De esta manera, se el caudal de diseño del filtro es igual o superior al que corresponde con la posición x, el filtro trabajará en condiciones óptimas. En el gráfico se puede ver la evolución del caudal según una parábola, pero por simplificación suponemos una recta, que es más restrictivo. Vía Seca Los filtros en vía seca con aplicación al avance de túneles o galerías, se dividen principalmente en compactos o semicompactos. A. Filtros Compactos Los filtros denominados compactos son los que se utilizan en un sistema de aspiración de tipo secundario con una ventilación soplante como principal. Básicamente el sistema de ventilación está formado por una línea soplante principal y una línea aspirante secundaria que incorpora un filtro 117 de 180

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La línea aspirante está compuesta desde el frente por: -

Tubería flexible reforzada aspirante Filtro Estación de ventilación que ha de vencer la pérdida de carga tanto de la tubería como del propio filtro.

Las ventajas de esta solución son varias: -

Ocupa poco espacio en el túnel Tramo de tubería de longitud reducida. (máx. 80 metros) Ventiladores estándar Fácil movilidad. El aire fresco llega al frente a través de la línea soplante

Las desventajas principales del sistema son: -

El filtro requiere ser adelantado con una periodicidad aproximada de una semana. Dos líneas, soplante y aspirante.

En las tuneladoras por el mismo motivo que en las rozadoras o minadores se utilizan sistemas de captación de polvo para aspirar el que se genera en la fase de corte. El volumen de polvo generado en una tuneladora es muy superior al generado en una rozadora, lo que hace del sistema de captación de polvo un elemento indispensable. En las tuneladoras se utiliza el filtro compacto para la captación de polvo. El sistema de ventilación se complementa con un sistema soplante desde el exterior.

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B. Filtros Semicompactos Los filtros denominados semicompactos se utilizan como línea general de ventilación formando un sistema aspirante con alguna salvedad. El filtro se coloca en el exterior del túnel. Los ventiladores se colocan próximos al frente con un tramo de tubería flexible aspirante por delante y el resto hasta unirse con el filtro con tubería flexible soplante. Las ventajas del sistema son: -

Solamente una línea de ventilación. El filtro no debe ser movido

Esta solución presenta las siguientes desventajas: 2.4

Filtro de gran tamaño. Ventiladores especiales con protecciones contra el polvo y antidesgaste Limitación de longitud de tramo a 800 metros (recomendado 500-600m.) Problemas de decantación del polvo en la tubería soplante con el consiguiente incremento de la pérdida de carga y disminución de caudal aspirado. El aire que llega al frente está contaminado y caliente. Cassetes

Las especiales circunstancias de los avances conseguidos con las tuneladoras que en un solo día pueden excavar 20 o más metros de túnel, genera un problema adicional que es el de colocar la tubería soplante que lleva el aire hasta el frente. Debido a esos ratios de avance es prácticamente imposible ir añadiendo tubería ya que ello supondría parar la máquina y por tanto retrasar el avance de la excavación. Para solucionar este inconveniente se ha diseñado un almacén de tubería que se incorpora en el propio back up de la tuneladora. En este almacén se acopian hasta 200 metros de tubería flexible en un reducido espacio de unos 3-4 metros de longitud. Esta tubería está unida con la que llega del ventilador. A medida que la tuneladora avanza va desplegándose tubería sin pausa alguna que obligue a suspender el trabajo de corte. Normalmente se dispone de dos unidades de cassette para minimizar los tiempos de parada.

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Esta solución tiene ventajas adicionales como son: -

Una perfecta alineación de la tubería Un muy buen tensado de la misma La instalación no sufre de roturas por intrusión en los gálibos de los vehículos que circulan por el túnel.

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3

SISTEMAS DE VENTILACIÓN

3.1 Tipos de sistemas de ventilación Soplante

El aire entra al frente del fondo de saco a través de la tubería, impulsado por un ventilador, y desplaza la masa de aire viciado hacia la corriente principal de aire, a través de la galería. Este es el sistema predominante usado en la mayoría de las minas.

La corriente de aire limpio que se genera en este sistema, a una velocidad relativamente alta, provoca al entrar en contacto con los gases que hay en el frente una mezcla turbulenta con lo que se elimina la potencial de acumulación o estratificación del gas en zonas próximas al frente. La salida del conducto debe estar situada a una distancia adecuada del frente, de modo que la zona de barrido se extienda hasta éste. Si la distancia es excesiva, se crea una zona muerta, en la que el aire no se renueva.

5.5.1.1 Características de la ventilación soplante

 Barrido del frente: En un sistema soplante la distribución de las líneas de flujo hace que la corriente de aire fresco sea efectiva a mayor distancia desde la salida del conducto que en el sistema aspirante. En frentes grisuosos, esta corriente causa una mezcla turbulenta con el grisú y evita la estratificación de éste.

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 Ambiente de trabajo y polvo: La velocidad de la corriente de aire incidente produce un efecto refrigerador en el frente. Por otra parte, esta velocidad, da lugar a una suspensión y dispersión del polvo, por lo que en el caso de ambientes muy polvorientos será necesario acoplar un ventilador de refuerzo aspirante. La misión de este ventilador será retirar el polvo del frente y llevarlo a un decantador.

 Circulación del gas: En caso de trabajar en ambientes grisuoso, el metano generado en el frente se arrastra a través de toda la galería, donde la probabilidad de encontrar fuentes de ignición podría ser en principio mayor, por lo que la elección del sistema en este caso ha de estudiarse cuidadosamente.

 Conductos de ventilación: El sistema permite el uso de conductos flexibles no reforzados, que tienen una superficie interior lisa. Estos conductos son más baratos y manejables y presentan una menor resistencia al paso del aire. Aspirante En este método, el aire contaminado del frente es succionado a través del conducto debido a la depresión creada en esta por un ventilador situado en el otro extremo. Este aire es evacuado en la corriente de ventilación principal, procedente de la cual entra aire limpio a través de la galería.

La boca de aspiración de la tubería debe situarse muy próxima al frente, pero aún así, debido a la distribución de las curvas de velocidades de aire en las zonas próximas a la aspiración, este sistema no efectúa en general un buen barrido del frente, por lo que suele ser necesario el uso de la configuración denominada mixta.

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Características de la ventilación aspirante.

 Barrido del frente: El aire fresco entra a través de la galería, de sección mucho mayor que el conducto, luego su velocidad y turbulencia será mucho menor, y su mezcla con el gas emitido por la galería y el frente mucho más pobre. Además, según el aire fresco entrante en el sistema aspirante se aproxima a la toma de aire del conducto, el flujo tiende a moverse hacia ella, creando el potencial para la formación de zonas de aire estático en el frente. Por este motivo, un sistema aspirante por si solo no es capaz, en general, de garantizar un buen barrido del frente, si este es de gran sección o si la tubería de aspiración no está situada en el mismo frente. Por ello, es conveniente adoptar una solución mixta, con un ventilador de refuerzo soplante que cree una turbulencia adecuada para garantizar la dilución del grisú.

 Ambiente de trabajo y polvo: La velocidad de la corriente de aire incidente es menor con lo que disminuye el efecto refrigerador en el frente. La suspensión y dispersión del polvo es también menor. Además debe considerarse que este ventilador retira el polvo del frente.

 Circulación del gas: El gas generado en el frente circula por la tubería, mientras que por la galería circula aire limpio. Este argumento, parece que inclinaría la balanza hacia la ventilación aspirante en el caso de frentes muy grisuosos. Pero ha de considerarse que el gas debe circular por la tubería de ventilación y a través de los ventiladores secundarios, que también son posibles fuentes de ignición. (ASM 51, ATEX, prEN).

 Conductos de ventilación:

El sistema requiere un conducto rígido (fabricado en acero, plástico o fibra de vidrio) o un conducto flexible reforzado mediante espiral. Si los sistemas requieren un gran caudal, su ejecución práctica puede ser problemática técnicamente hablando, ya que se necesitan presiones muy elevadas que conducen a la utilización de varios ventiladores en serie.

Soplante con apoyo aspirante Forma parte de los sistemas mixtos. El sistema mixto, también llamado sistema solapado, utiliza un ventilador auxiliar de refuerzo, situado frente a la labor, y con un tramo de conducto de poca longitud. Estos sistemas combinan las ventajas de cada sistema, consiguiendo el mejor efecto de ventilación en situaciones concretas de minería. Son posibles dos configuraciones en función de que la línea principal sea la aspirante o la soplante. Una línea soplante con solape aspirante consta de un sistema soplante principal con una instalación auxiliar aspirante, cuya función por lo general es la de recoger y evacuar el polvo generado en el frente.

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Aspirante con apoyo soplante Un aspirante con solape soplante tendrá el esquema opuesto, y la función del ventilador auxiliar de refuerzo (soplante) es precisamente la de asegurar un buen barrido del frente, evitando la formación de zonas muertas sin ventilación adecuada.

La ventilación aspirante, estará diseñada de forma que tome en dicho fondo de saco, en el frente, unos 2/3 del caudal que se ha calculado, de forma que el 1/3 restante regrese por el fondo de saco hacia la corriente de ventilación principal, limpiando o arrastrando a su paso los humos que se generan por el paso y el estacionamiento de los camiones. De esta forma:



Conseguimos aire limpio en el frente ya que el humo de los camiones no va hacia los trabajadores.



Se diluyen de todas formas los humos y con mayor efectividad



Se evita, como ocurre en muchas ocasiones que la velocidad del aire en el fondo de saco sea prácticamente nula en zonas alejadas del frente.



Se disminuye la temperatura, aumentan las condiciones de confort de los trabajadores, aumentando su rendimiento de trabajo.

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3.2

Configuraciones

Ventilación escalonada (Boosters) Cuando la longitud del fondo de saco es bastante grande en relación al diámetro de la tubería, en muchas ocasiones, con uno o varios ventiladores en cola no se conseguiría el objetivo propuesto de caudal en el frente de trabajo. Incluso puede que con la configuración en cola se alcancen presiones que la tubería no puede soportar. En estos casos se colocan ventiladores intercalados a lo largo de la tubería con el fin de ayudar al sistema. Estas instalaciones se pueden hacer con los dos tipos de tuberías usadas en minería, la tubería flexible lisa o con la tubería flexible reforzada.

+ 1

+ t

2

-

+ 3

Como se puede ver en el diagrama de presiones anterior, para una instalación soplante, las presiones en los ventiladores son positivas principalmente. Pero si observamos los ventiladores 2 y 3, vemos que la tubería que une los dos ventiladores tiene un tramo de la misma en sobrepresión y otro tramo en depresión. Esto trae problemas en ambos tipos de tubería: 1. Si la tubería en flexible reforzada, puesto que todas las tuberías tienen fugas, en este caso tendremos fugas entrantes y fugas salientes, lo que producirá una recirculación de aire tanto alrededor del ventilador 3 como en el punto t de la tubería donde cambia el régimen de presión.

+ 1

+ 2

t

-

+ 3

2. Si la tubería fuese flexible lisa, en el momento de que se genere depresión en el lado de aspiración del ventilador 3, la tubería se colapsará al tender a cerrarse, pues no está reforzada. Esto traerá como consecuencia que el ventilador comenzará a trabajar más forzado y podría incluso a llegar a trabar en régimen de bombeo. El operario de la ventilación, intuitivamente retrasaría la posición del ventilador para intentar corregir esta situación, pero el sistema es más complejo por que los triángulos de presiones va a depender en todo momento de la distancia del ventilador 3 hasta el frente, y esta distancia va cambiando a medida que se va avanzando, lo que obligará de nuevo a seguir añadiendo ventiladores y al final, sin un criterio racional.

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En cola Una alternativa al sistema anterior es la de colocar todos lo ventiladores necesarios en cola de la instalación. Los ventiladores necesarios se instalan en el extremo de la tubería opuesto al frente de trabajo. Para una instalación soplante se puede utilizar tubería flexible lisa. En este sistema se tiene la ventaja de no producirse la recirculación de aire viciado. Tiene la limitación en la propia tubería, ya que el utilizar varios ventiladores en serie hace que las presiones que se generan en la tubería sean muy elevadas. La tubería ha de soportar estas presiones, así como estar en buenas condiciones ya que si no las fugas que se producen en la tubería podrían hacer que apenas llegase aire al frente de trabajo.

PST

+

Separadores Cuando en un túnel con gran necesidad de caudal, la relación longitud de tubería frente a diámetro es muy grande los dos sistemas anteriores se hacen inviables. La propuesta mediante separadores consiste en instalaciones de ventiladores y tubería en serie, como si fuese una ventilación escalonada, pero cada ventilador intercalado no estaría conectado a la tubería de la instalación anterior.

tubería

tubería

Una vez ya se conoce el caudal que se necesita en frente, se calcula la instalación necesaria, que estará definido por la tubería de ventilación y uno o varios ventiladores en serie. Debido a las fugas que se generan en la tubería, el ventilador tendrá que entregar un caudal superior al que necesita en el frente de trabajo. Puesto que este ventilador tomará aire 126 de 180

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limpio de una instalación anterior, dicha instalación deberá entregar un caudal ligeramente superior de manera que la diferencia se incorpore como caudal saliente a la galería o túnel evitando que el último ventilador tome aire de retorno recirculándolo. Este sistema tiene la principal ventaja de poder utilizar tubería flexible lisa, que para longitudes de túneles importantes hace que la instalación sea mucho más económica, por otro lado al no estar conectados los ventiladores, no se producen depresiones en las tuberías que colapsen las mismas.

Varilla

tuerca

tuerca

separador Conexión a ventilador

Conexión a tubería

Distancia

Para un correcto ajuste del sistema es conveniente el uso de variares de frecuencia para el control de los ventiladores, sobre todo para reducir el caudal en el ventilador más próximo al frente, ya que si tiene menos tubería instalada en cierto momento que la de diseño, puesto que la resistencia del sistema es menor, el ventilador movilizará mucho más caudal, y si este caudal es superior al que entrega el sistema anterior, se puede producir un recirculación de aire viciado, algo que no es muy deseable, por tanto se bajará el caudal del ventilador más próximo mediante el uso de un variador de frecuencia. Recirculación controlada Una práctica habitual en otros países es la recirculación controlada de aire. Este esquema es posible tanto en las ventilaciones aspirantes como impelentes, y consiste básicamente en provocar de forma consciente y controlada la recirculación de parte del caudal de aire que retorna del frente, asegurando el caudal efectivo que marca la ASM51. Entendemos por caudal efectivo (qe) el volumen de aire en m3/s que llega al frente, menos el que recircula. Esta solución tiene la ventaja del aprovechamiento integral del aire introducido en la mina, que sale limpio, pero evidentemente requiere un estricto control de la calidad del aire recirculado, de forma que el contenido de gas en el frente nunca alcance concentraciones

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peligrosas. A priori, esta idea tiene interesantes posibilidades, pero debe analizarse su viabilidad para cada caso en concreto, teniendo en cuenta el régimen de desprendimiento de gas de la labor, la ubicación de las máquinas y del personal, y los aspectos relativos al polvo. Esta tarea exige, además, la utilización del control ambiental.

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4

CRITERIOS DE DEFINICION DE CAUDALES

La estimación de la cantidad necesaria de aire en una zona de trabajo todavía es un aspecto empírico en la planificación y diseño de un sistema de ventilación. La mayoría de las referencias están basadas en experiencias locales de emisiones de gases o de disipación de calor y aún están referidas de una manera práctica a ratios de m³/s por determinadas unidades: CV Diesel, toneladas extraídas, m² de sección de túnel, etc. Estos métodos de determinación de los caudales serán válidos siempre y cuando los métodos de trabajo propuestos, tipo de maquinaria y condiciones sean similares a los que dieron lugar a los ratios de caudal. Según la experiencia de otras minas se recomienda empezar a cuantificar las necesidades de caudal en los propios puntos de trabajo, en los fondos de saco. Para ello, se pueden utilizar numerosas formulaciones para cuantificar el caudal de aire necesario que me den:

4.1



m3/s por kilotoneladas de mineral/año.



m3/s por KW de Diesel instalado



m3/s por un KW de diesel funcionando



m3/s por litro de “Diesel” caminando dentro de la mina



m3/s por persona en la mina

Velocidad mínima

La velocidad mínima de retorno de ventilación es un valor de referencia bastante usado por simplicidad. Como referencia en todo tipo de túneles y galerías, una velocidad mínima de retorno de 0.5 m/s es suficiente. Esta velocidad define el caudal en el frente de trabajo de 0.5xS m³/s donde S es la sección del túnel en m². Si la longitud del túnel es importante, las fugas que se producirán en la tubería de ventilación incrementará progresivamente el caudal de retorno, hasta hacerse máximo a la salida del túnel con lo que la velocidad media de retorno será superior a los 0.5m/s de diseño. En minería de carbón se usa como referencia una velocidad mínima de retorno de 0.2 m/s para sus labores en roca, incrementándose a 0.3m/s para labores en carbón 4.2

Dilución de metano

La reglamentación de seguridad minera se remonta a 1825, año en el que por Real Decreto se asigna a la Dirección General de Minas las operaciones de vigilancia e inspección de las

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labores mineras. En 1897 aparece el primer Reglamento de Policía Minera, modificado en 1910 y en 1934, y posteriormente modificado para adaptarse a los progresos tecnológicos. Las ITC (Instrucciones Técnicas Complementarias) destinadas a favorecer la seguridad minera, están recogidas en el RGNBSM (Reglamento General de Normas Básicas de Seguridad Minera), publicado en el año 1985 y con competencia de las Comunidades Autónomas. En Asturias se promulgaron 52 ITCs, con los acrónimos ASM, que son prácticamente idénticas a las ITCs nacionales excepto dos que son exclusivas de Asturias:

 ASM-51 “Explotación de capas de carbón por el método de Sutirage con subniveles”.  ASM-52 “Sistemas de explotación de labores subterráneas clasificadas, respecto al riesgo de presencia de grisú y otros gases inflamables”. De todos modos el caudal requerido en el frente por motivos de dilución de grisú es generalmente menor al requerido por otros criterios. Como norma general, podrá decirse que habrá que tener una velocidad mínima de 0.3m/s en frentes grisuosos y 0.2m/s en frentes no grisuosos. 4.3

Dilución emisiones diesel

Se toma como referencia la cantidad de KW Diesel de las máquinas presentes en los trabajos en la explotación, con los consiguientes coeficientes de simultaneidad, de manera que multiplicado por la cantidad de aire específico según la legislación, nos da el caudal necesario que ha de movilizar el ventilador. Esto tiene un problema, ya que a pesar de que los coeficientes de utilización de las máquinas diesel cambian en función de la organización, planificación, y sobre todo de la evolución de la mina, siempre se consideran estos coeficientes constantes en los libros de ventilación, por lo que debería incidir en este tema, ya que a pesar de que se superen los 0.05 m3/s/CV Diesel No catalizado o 0.03 m3/s/CV Diesel Catalizado, puede ser que la ventilación pueda ser demasiado justa. Habrá que tener en cuenta otros factores como velocidad de retorno, temperatura, etc. Como referencia orientativa en fase proyecto del caudal de aire necesario en lugares con utilización de maquinas Diesel:



Para trabajos con Equipos Diesel Catalizados:

Q (m3/s) = 0.04 (m3/s) x N° de operarios + 0.03 (m3/s) CV Diesel



Para trabajos con Equipos Diesel No Catalizados:

Q (m3/s) = 0.04 (m3/s) x N° de operarios + 0.05 (m3/s) CV Diesel Con esta formulación obtengo el caudal que necesito para cada fondo de saco. A efectos prácticos, esta formulación sería suficiente para el dimensionamiento de la ventilación ya que profundizar en el origen de los coeficientes 0.03 y 0.05 no tiene sentido

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si no se tiene claro el coeficiente de simultaneidad de las máquinas que están trabajando en cada frente de trabajo. El vigente RGNBSM aborda la problemática asociada a la utilización de motores de combustión interna en el interior de la mina únicamente desde la perspectiva de exigir una suficiente dilución de los gases de partículas emitidas, para que las concentraciones ambientales se mantengan por debajo de los valores admisibles para los distintos gases peligrosos según ITC 04.7.02 “Concentraciones límites de gases”. La única especificación de caudales mínimos en la que se utilicen máquinas de combustión diesel en la normativa minera española se encuentra en el Reglamento de Policía Minera de 1934, que establecía un requerimiento de ventilación de 13 m³/s por cada 100KW de potencia nominal, que corresponde con un ratio de 0.097 m3/s/CV Diesel, que supone prácticamente el doble que lo que se considera en los reglamentos mineros internacionales vigentes. Durante los últimos 15 años, se han conseguido grande mejoras en el desarrollo de los motores diesel, sobretodo en lo que se refiere a la reducción de las emisiones de partículas. Estas mejoras específicas se han centrado en el turbo compresor, en la inyección a alta presión y en la inyección electrónica de combustible. La combustión incompleta de combustible en los motores diesel produce emisiones que están formadas por mezclas complejas de gases y partículas de carbón junto con componentes orgánicos que han adsorbido. Por lo general, en la mayoría de las minas en USA y en Canadá, los parámetros de diseño del caudal están basados en ratios tipo “m3/s/CV”, y se está empezando a tener muy en cuenta la dilución de las partículas DPM. Es en estos países donde se están centrando en el control a la exposición de estas partículas, y que sin duda marcarán una referencia qua acabarán siguiendo el resto. Considerando la cantidad de carbón total por metro cúbico de aire, se observa que en la gran mayoría de las minas en que el ambiente no era confortable para el trabajo y que en algún momento se ha tenido que parar los trabajos, implicaba tener valores por encima de los 400TC  g/m3. La mayor cantidad de emisiones son las de los equipos de producción (palas cargadoras, camiones y locomotoras). Es necesario conocer sobre que valores nos movemos en las emisiones de partículas de las máquinas atendiendo a tipo de máquina: Tipo de máquina en función de la inyección del combustible Equipos modernos de Inyección Directa Equipos Inyección Indirecta Equipos Viejos de Inyección directa

Valor inferior [g/HP-h] 0.1 0.3 0.5

Valor superior [g/HP-h] 0.4 0.5 0.9

Los valores de las emisiones dentro del rango definido por el valor inferior y el valor superior, serán tales que para máquinas con buen programa de mantenimiento que estarán

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más próximos al valor inferior mientras que en caso contrario se aproximará al otro extremo del rango. La contribución de partículas de emisiones Diesel (g/min) vendrá dada por la expresión: CED [ g / min ]  PD [ HP ]  ED [ g / HP  h]  8 [

hr  100  EC[%]   100  EF [%]  1 relevo ]  [ ]   relevo  100 100  480 min  

donde: CED: Contribución de Partículas (DPM) en las emisiones de vehículos Diesel [g / min] PD: Potencia del vehículo diesel [HP] ED: Emisión de partículas diesel (DPM) [ g / HP  h] EC: Eficiencia del catalizador [%] . EF: Eficiencia del filtro [%] El caudal necesario para la dilución de las partículas hasta el límite de carbón por m³ de aire en microgramos vendrá determinado por la expresión:









QEC / TC [m 3 / s ]  Límite EC / TC [ g / m 3 ]  10 6 [ g / g ]  1.2[ratioDPM / TC ]

1

 CED[ g / min] 

1 min [ ] 60 s

Como referencia, el límite provisional de exposición a partículas Diesel usado es 400TC  g/m3 (Recomendaciones de NIOSH y que MSHA está siguiendo), vigente pero que a partir de Mayo del 2008 pasará a ser de 160TC  g/m3. Para muchas minas, el límite de 400TC  g/m3 ha implicado el uso de maquinas más “limpias”, usando cabinas con aire acondicionado en las maquinas y equipos de respiración autónoma para los obreros que trabajan fuera de las máquinas. El pasar a un límite de 160TC  g/m3 supondrá además de estas medidas un incremento del caudal 3 o 4 veces superior al actual.

Filtro de partículas

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VENTILACION DE MINAS

Pretendemos, de una manera práctica determinar el caudal necesario de manera que sea el sistema de ventilación el encargado de asegurar el nivel de confort y seguridad a las personas. La concentración de partículas de carbón totales presente en las emisiones de una máquina Diesel, TC se asumen como el 80% de la concentración de las partículas DPM, (Diesel Particulate Matter). Las partículas totales de carbón las podemos dividir en orgánicas y en elementales, de manera que la concentración de las elementales representa casi el 70% de las totales. Por tanto, TC = EC x 1.3 = OC + EC, donde EC se refiere a las partículas de carbón elementales y OC a las orgánicas. Si la máquina Diesel tiene un convertidor catalítico, la eficiencia es generalmente del 20%. Por otro lado, el filtro, tendrá una eficiencia del 85%. Como análisis a la formulación anterior, si partimos de que todo tipo de máquina llevará filtro y catalizador, mostraremos a continuación la variación de los ratios tipo “m3/s/CV”, en función de las emisiones de las partículas diesel para los dos límites a los que hemos estado refiriéndonos, y que representaremos comparando el resultado con los ratio prácticos que se utilizan en España generalmente 0.03 m3/s/CV y 0.05 m3/s/CV: Para el cálculo del caudal necesario

AQ400TC AQ160TC

(m³/s/CV) (m³/s/CV)

0.1 [g/hp-hr] 0.0067 0.0167

0.2 [g/hp-hr] 0.0133 0.0333

0.3 [g/hp-hr] 0.0200 0.0500

0.4 [g/hp-hr] 0.0266 0.0666

0.5 [g/hp-hr] 0.0333 0.0833

0.6 [g/hp-hr] 0.0400 0.0999

0.7 [g/hp-hr] 0.0466 0.1166

0.8 [g/hp-hr] 0.0533 0.1332

0.9 [g/hp-hr] 0.0599 0.1499

Para el límite de 400TC  g/m3, comparando los ratios para motores Diesel catalizados y con filtros, se observa que 0.03 m3/s/CV nos cubre el rango de emisiones de partículas de hasta 0.5 g/HP-h, por lo que las máquinas que podríamos usar serán todas las que tengan filtro y catalizador a excepción de las viejas de inyección directa. El ratio 0.05 m3/s/CV, prácticamente nos abarca todas la maquinas, incluidas las viejas de inyección directa siempre que estén catalizadas y con un mantenimiento aceptable. Este ratio se está utilizando para maquinas No catalizadas y SIN filtros, por lo que si bien, este ratio sería suficiente para la dilución de los gases, no lo será para la dilución de las partículas carbonosas, salvo en el caso de máquinas nuevas en muy buen estado y sin catalizar. Esta situación no se daría, por otro lado, ya que todas las máquinas nuevas ya vienen con filtro y catalizador.

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Para el límite de partículas 160TC  g/m3 la restricción será tan grande que limitará el parque de maquinaría sólo a equipos nuevos de inyección directa y catalizados. Para ese caso, 0.03 m3/s/CV estará ya muy justo y solo será valido para las máquinas que estén en muy buen estado, por lo que no tendrá sentido trabajar con máquinas NO catalizadas, y cualquier otro tipo de maquina catalizada y con filtro de inyección indirecta necesitará un caudal de aire superior. Como se puede ver en el gráfico anterior, 0.05 m3/s/CV nos abarcará sólo máquinas nuevas catalizadas. Si se utilizasen motores de inyección indirecta catalizados y con filtro se necesitaría ratios de caudal del orden de 0.085 m3/s/CV. 4.4

Dilución gases de la voladuras

Es preciso, en primer lugar, conocer la composición del tapón de humos formado inmediatamente después de la voladura, para poder estudiar su evacuación mediante el sistema de ventilación. Los gases y vapores se expanden en la galería hasta detenerse bruscamente, formando un tapón, cuya longitud inicial es importante estimar para determinar la concentración que en él tienen los gases. La concentración máxima del tapón se presenta en el frente del mismo. Al desplazarse el tapón por el túnel o la galería su longitud aumenta y su concentración es gases nocivos disminuye. Para determinar el tiempo de dilución de los gases de voladura, se ha de tener en cuenta una serie de conceptos: 1. Una vez formado el tapón de humos, puesto que la instalación de ventilación está aportando aire limpio, se empieza a desplazar el tapón de humos a medida que se va mezclando con el aire limpio. Tendremos, por tanto, una concentración de gases tóxicos inicial en el tapón de humos y otra final en el momento que el tapón llegue a la salida del túnel. Podemos suponer que en el volumen del túnel tendremos una mezcla de los gases de la voladura y del aire limpio aportado que es constante a lo largo de toda la longitud, es decir, si la distancia a la que se encuentre el tapón de humos en el túnel es de la mitad de la longitud del túnel, desde esa posición hasta el frente de trabajo, la composición de los gases de la mezcla la suponemos constante. 2. Cuando el tapón llegue finalmente a la salida del túnel, la mezcla tendrá una concentración de gases tóxicos Gc(ppm), y que puede que sea superior a la concentración admisible de gases tóxicos Ga(ppm). Por consiguiente, al seguir aportando aire, la concentración de la mezcla seguirá disminuyendo por lo que tendremos un tiempo de dilución adicional que hemos de tener en cuenta.

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VENTILACION DE MINAS

La longitud del tapón de humos viene dada por la expresión: L

K M FA  D  A

, donde:

L = Longitud del tapón de humos [m] K = 25. Constante de dispersión para los avances en túneles [-] M = Masa de explosivos [kg] FA = Avance por ciclo [m] D = Densidad de la roca [t/m3] A = Área del frente de avance [m] Este tapón de humos tendrá una composición de gases nocivos y que dependerán del tipo de explosivo utilizado pero como “referencia” tenemos:

GAS

Gas producido/kg explosivo [kg/kg]

Densidad del gas (g/m3)

CO CO2 NO2

0.0163 0.1639 0.0035

1.25 1.977 1.36

Volumen de gas producido /kg de explosivo (m3) 0.01304 0.082903 0.002574

De los gases nocivos que se van a encontrar en los productos de la voladura, los más restrictivos será los NOx. El valor admisible para el NO2 oscila en un valor a 1.5 ppm. Así, teniendo en cuenta que la relación NO2/NOx aceptada en túneles es de un 10% los niveles admisibles de NOx que se puede considerar es de 15 ppm. Para calcular la concentración de gas de la voladura en el túnel, se asume que dicho gas ahora se mezcla con el aire limpio aportado ocupando finalmente todo el volumen del túnel. GTUNEL 

VGAS  Explosivos  10 6 , Volumen de túnel

donde:

GTUNEL= Concentración de gas en el túnel [ppm] VGAS= Volumen de gas / kg explosivo [m3] Explosivos=Cantidad de explosivos utilizados en cada voladura [kg] Volumen del túnel= [m3] En esta etapa vamos a asumir que la cantidad de aire que se está suministrando se mezcla perfectamente con los gases del tapón. Por tanto, podemos definir ahora el tiempo que lleva producirse la mezcla, tmezcla: t mezcla 

Area de túnel [m 2 ]  ( Longitud tunel  Longitud tapón) [m] 3 Caudal de aire aportado [m ] s

Una vez pasado el tiempo de la mezcla, pudiera ser que la concentración de gases nocivos tenga valores superiores a los admisibles. Si así fuese, aún se necesita un tiempo adicional

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de dilución durante el cual el continuo aporte de aire bajará los valores de concentración de los gases de las voladuras a los valores correctos. Se define por tanto tiempo de dilución, tdilución, como:    GTUNEL [ppm]    Volumen de túnel [m 3 ]  t dilución [ s ]     ln 3  Caudal de aire aportado [m ]   G ADMISIBLE [ppm]  s  

Por tanto, podemos decir que para un caudal dado, para llegar a una concentración de gases admisible, se necesitará un tiempo de limpieza: Tiempo de limpieza = Tiempo de mezcla + Tiempo de dilución. Este será el tiempo máximo de espera para entrar al túnel después de la voladura y poder encontrar valores admisibles de las concentraciones de los gases. Se ha supuesto que en el primero de los tiempos se produce una mezcla perfecta de los gases, cosa que no tiene por que ser del todo cierta. Si no se produjese ningún tipo de mezcla, el aire limpio desplazaría al tapón de humos hasta el final por lo que el tiempo de limpieza sería solamente el tiempo que hemos calculado como tiempo de mezcla. La realidad será una situación intermedia, por lo que podemos decir que el tiempo de limpieza será finalmente: Tiempo de mezcla < Tiempo de limpieza < (Tiempo de mezcla + Tiempo de dilución)

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5 5.1

PÉRDIDAS DE CARGA DE LA INSTALACIÓN Naturaleza de las pérdidas de un circuito de ventilación secundaria

Las pérdidas de carga de un circuito de ventilación auxiliar pueden dividirse en pérdidas por fricción, pérdidas singulares y pérdidas por presión dinámica: Pérdidas por fricción Las pérdidas por fricción son aquellas que se producen en los conductos de paso de aire debido al rozamiento con las paredes de los mismos, así como al propio rozamiento entre las partículas del fluido. Estas pérdidas se calculan a partir de la fórmula general de DarcyWeisbach, que expresada en términos de presión, tiene la forma siguiente:

Pf  λ ·

L·ρ ·u2 D H ·2

(1)

donde: ∆Pf es la pérdida de carga del aire debida a fricción [Pa]. ρ es la densidad del aire [kg/m3]. λ es el coeficiente adimensional de fricción del conducto. L es la longitud del conducto en [m]. u es la velocidad del aire en el conducto [m/s]. DH es el diámetro hidráulico del conducto [m]. En un circuito de ventilación auxiliar, las pérdidas por fricción de importancia de cara al diseño de la instalación son las de la tubería, siendo las de las galerías del túnel o mina despreciables frente a estas (suponen en general menos de un 1% en relación a las de las tuberías). Las pérdidas singulares Las pérdidas singulares son aquellas que se producen cuando el flujo de aire cambia de dirección o el conducto cambia de sección. Estas pérdidas se calculan como un porcentaje sobre la presión dinámica del fluido calculada en el punto singular:

Psin   ·

ρ· u 2 2

(2)

donde: ∆Psin es la pérdida de carga del aire [Pa]. ζ es el coeficiente de pérdida del elemento, obtenido experimentalmente. el resto de parámetros ya han sido definidos.

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En un circuito de ventilación auxiliar, esto ocurre en elementos como codos, cambios de diámetro de la tubería, puntos de bifurcación de la tubería, rejillas de protección de tubería o ventilador, etc. La única dificultad del cálculo de estas pérdidas está en usar una correcta estimación del factor ζ. Es mucha la literatura, basada principalmente en ensayos experimentales, que se ocupan de esta labor. Sin embargo, con el fin de proponer valores de referencia para las geometrías más usuales que podemos encontrarnos en un circuito de ventilación secundaria, pueden aceptarse los valores propuestos en la norma SIA 196 (1998), norma de referencia a nivel mundial en cuanto a ventilación en fondo de saco se refiere. Las geometrías de elementos singulares y valores recomendados para el factor ζ son las siguientes:



Ensanchamiento de la sección A1 A2 ζ

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1

0.7

0.4

0.2

01

0

Puede observarse en este caso como la pérdida disminuirá fuertemente si la diferencia de sección disminuye.



Estrechamiento de la sección A1 A2 ζ

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.6

0.45

0.3

0.2

0.1

0

Al igual que en el caso anterior, si la diferencia de secciones es pequeña, el factor y por tanto la pérdida de carga disminuirá.



Codos de formados por círculos concéntricos

α = 90

rm D ζ90

0.5

1

2

4

8

En 1.2 0.4 0.25 0.15 0.15 este α ≠ 90 ζ = ζ90 · α / 90º caso, una disminución del radio de curvatura provocará un brusco aumento del factor de pérdida, mientras que dicho factor varía proporcionalmente con el ángulo del codo, siempre y cuando las condiciones de radio medio y diámetro de conducto se mantengan.

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VENTILACION DE MINAS



Codos formados por segmentos rectos

α = 90

rm D ζ3seg ζ5seg

0.5 1.3 1.1

α ≠ 90

1

2

0.5 0.25 (30º / seg.) (18º / seg.) 0.4 0.2 ζ = ζ90 · α / 90º

La tabla anterior es válida para segmentos de longitud al menos igual al diámetro de la tubería. Las pérdidas de carga disminuirán cuanto más largos sean dichos segmentos.



Derivaciones de caudal

α = 90 α = 45

Q1 Q2 ζ12 ζ13 ζ12 ζ13

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1 0.1 0.9 0.1

0.9 0.1 0.7 0.1

0.9 0.1 0.5 0.1

1 0.1 0.3 0.1

1.1 0.2 0.3 0.2

1.3 0.4 0.3 0.4

La pérdida de carga en la parte recta del conducto es relativamente pequeña, mientras que en la ramificación esta depende mucho del reparto de caudales y el ángulo de derivación



Bifurcaciones

A1= 2· A2

A1 = A2 = A3 ;

α ζ

10 0.1

α = 45 ;

30 0.3

45 0.7

60 1

ζ = 0.5

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90 1.4

VENTILACION DE MINAS



Juntas de caudal (tuberías aspirantes)

α = 90 α = 45

Q1 Q2 ζ12 ζ13 ζ12 ζ13

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-1.2 -0.4 0.1 0.2 -0.9 -0.4 0.1 0.2

0.1 0.3 0 0.2

0.5 0.4 0.2 0.1

0.7 0.9 0.5 0.6 0.4 0.4 -0.2 -0.6

En este caso, los signos negativos en el factor de pérdida ζ significan que para un reparto de caudal como el que se indica, la rama a que corresponde el factor negativo se beneficia del efecto de succión provocado por la otra rama, que aporta un caudal mucho mayor.



Rejillas de protección.

Las pérdidas de carga debidas a una rejilla dependen fundamentalmente de la sección neta de la misma. Definimos el factor a’ como: a' 

seccion neta ·100 seccion total

En función de este factor se proponen los valores de ζ dados en la siguiente tabla: a’ (%) 30 ζ 8 Las rejillas usualmente usadas para secundaria suelen tener un 90% o más 0.5 o inferiores.

40 60 80 90 95 4 2 1 0.5 0.2 protección de las instalaciones en ventilación de factor a’, por lo que son frecuentes factores de

Hemos de tener en cuenta en este caso, que al calcular la pérdida de carga según (2), la velocidad del aire será considerada sobre la sección total.



Orificios de entrada

Los orificios de entrada a conductos también tienen una pérdida de carga. Si la entrada de aire al conducto es a través del ventilador, como es el caso de sistemas con tubería soplante, suelen instalarse toberas de admisión para minimizar esta pérdida. En cualquier caso, esta pérdida puede considerarse como parte de la provocada por el ventilador, y normalmente será proporcionada por el fabricante una vez conocidas las condiciones de trabajo (presión, caudal, etc).

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Si la entrada de aire al conducto se produce directamente por la tubería, como es el caso de sistemas con tubería aspirante, hemos de tener en cuenta dicha pérdida de carga, debida a que la fuerza de succión proveniente de la tubería provoca una distribución de velocidades no homogénea en el exterior, como se aprecia en la figura siguiente.

En estos casos suele considerarse un factor ζ ≈ 0.9, que puede ser disminuido de forma importante si se prepara un dispositivo de admisión adecuado (tipo tobera, etc) Las pérdidas por presión dinámica Al final del circuito, usualmente a la salida de la tubería (sistemas soplantes) o la salida del ventilador (sistemas aspirantes) se ha de tener en cuenta la presión dinámica con la que el aire sale, ya que ésta es una pérdida más. Estas pérdidas no tienen mayor complicación y se calculan por la fórmula general de la presión dinámica:

Pdin

ρ· u 2  2

(3)

donde todos los parámetros ya han sido definidos. 5.2

Metodología general para el cálculo de pérdidas de carga.

Problemática de las condiciones reales. Factor de fugas de una tubería. La ecuación de Darcy-Weisbach tiene un problema fundamental cuando el fluido es aire y se aplica en una tubería real: las fugas. Estas fugas, inicialmente, dependen de las propias características de la tubería, pero ha de tenerse en cuenta que estas tuberías están instaladas en un sistema dinámico, es decir, al mismo tiempo que se aporta aire están trabajando en el frente, por lo que es muy frecuente que las tuberías se vean deterioradas con el paso del tiempo. De cómo detectar problemas de fugas masivas debidas al deterioro de la tubería por la maquinaria o método de trabajo hablaremos más adelante. No obstante, y de cara al cálculo de las pérdidas de carga en la tubería, cabe modelizar las fugas en este apartado. Al producirse las fugas en una tubería se reduce el caudal que pasa por el mismo, y por tanto la velocidad “u” de paso del aire. Por tanto, según la fórmula de Darcy-Weisbach se producen variaciones diferenciales de presión. Esto nos lleva a que dicha fórmula no es

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VENTILACION DE MINAS

aplicable para una tubería en su conjunto, sino que debe ser tratada en elementos diferenciales considerando una ley de fugas que tenga en cuenta dichas condiciones. Se define como área relativa de fugas Ar a la relación entre la superficie geométrica de fugas y la superficie de perímetro de conducto [m2/m2]. Pero de cara a una caracterización de la tubería, no sólo se ha de tener en cuenta esta relación de áreas. Al paso del aire por estos agujeros se produce una pérdida singular, con su factor ξ correspondiente. Por tanto, el parámetro que nos interesa es la denominada superficie de fuga activa o área específica de fuga f* [mm2/m2], definida como: Ar f * ·10 6 1  Normalmente se expresa en mm2 de fugas por m2 de tubería [mm2/m2]. Factor de fricción



Superficie de fuga activa  f* = 5 mm2/m2 Clase 0 f* = 10 mm2/m2 Clase 1 f* = 20 mm2/m2 Clase 2 f* = 40 mm2/m2 Clase 3 f* = 60 mm2/m2 Clase 4

λ = 0.015 [-] Excelente Clase S

λ = 0.020 [-] Muy buena Clase A

λ = 0.025 [-] Buena Clase B

λ =0.030 [-] Normal Clase C

λ = 0.035 [-] Mala Clase D

Clase S-0 Excelente Clase S-1

Clase A-0

Clase B-0

Clase C-0

Clase D-0

Clase B-1

Clase C-1

Clase D-1

Clase S-2

Clase A-1 Muy buena Clase A-2

Clase C-2

Clase D-2

Clase S-3

Clase A-3

Clase B-2 Buena Clase B-3

Clase D-3

Clase S-4

Clase A-4

Clase B-4

Clase C-3 Normal Clase C-4

Clase D-4 Mala

Este parámetro junto con el coeficiente de rozamiento λ nos sirve para caracterizar las tuberías. Una clasificación frecuente es la que se muestra en la tabla anterior, que recopila los valores de λ (MVS 1992) y f* (Le Roux 1986) más ampliamente usados a nivel mundial. Se consideran tuberías o conductos de la clase S-0 (excelentes) a los que son nuevos, y tienen una longitud entre juntas superior a 100 metros. Aunque en principio muchos tipos de tubería podrían cumplir estos requisitos, de cara al diseño de una instalación de ventilación secundaria, sólo se considerarán de la clase S-0 los de túneles excavados mediante TBM, ya que se entiende que no existen razones para un deterioro puntual de las mismas. Los conductos de la clase A-1 (muy buenos) son conductos que si bien reúnen las condiciones para ser S-0, existe el riesgo evidente de que puedan deteriorarse en el transcurso de la obra, por motivos como paso de maquinaria. Las tuberías de la clase B-2 (buenos) son aquellas que si bien reúnen condiciones para ser S-0, existe la certeza de que van a ser deterioradas en la fase de excavación, por ejemplo, cuando se planea el uso de explosivos en el avance. 142 de 180

VENTILACION DE MINAS

Se consideran conductos clase C-3 (normales) a los conductos que llevan en servicio un cierto tiempo, reutilizados, y con alguna fuga visible a lo largo del mismo. Por último, son conductos de la clase D-1 (malos) los que tienen muchas fugas visibles a los largo de los mismos. A pesar de las consideraciones anteriores, cada caso particular debe ser analizado cuidadosamente. En ocasiones, pese a que la excavación del túnel sea con TBM, puede que se realicen labores auxiliares con explosivos. Esto suele ser frecuente cuando tenemos dos túneles paralelos y entre ambos se proyectan galerías de comunicación para emergencia. En estos casos la experiencia dice que pueden producirse agujeros en la tubería en las cercanías de estas galerías de emergencia, debido a los materiales proyectados por la voladura. Este tipo de cosas ha de tenerse muy en cuenta tanto en el diseño como en las labores de mantenimiento, y por tanto, hacemos hincapié en que cada proyecto es diferente y debe ser estudiado en profundidad. No obstante, la experiencia dice que la clasificación anterior, si es usada considerando las particularidades del proyecto, es una buena aproximación a la realidad. Ecuaciones de base y algoritmo de cálculo Teniendo en cuenta las consideraciones hechas en el apartado anterior, vamos a plantear un método de cálculo a partir del cual se puedan calcular de la forma más exacta posible las pérdidas de carga de un circuito de ventilación en fondo de saco. Para ello, vamos a modelizar un elemento diferencial de tubería en el que nos basaremos para el desarrollo del algoritmo de cálculo propuesto.

Elemento diferencial de tubería donde

A es la sección del elemento diferencial [m2] D es el diámetro del elemento diferencial [m] P es la presión existente inicialmente en el elemento [Pa] ∆P es la variación de presión existente en el elemento [Pa] x es la longitud al inicio del elemento [m] ∆x es la longitud del elemento [m] u es la velocidad de flujo a través de la sección A [m/s] v es la componente de la velocidad perpendicular al eje del conducto (causante de las fugas) [m/s] 143 de 180

VENTILACION DE MINAS

A partir de esta figura podemos obtener una ley de fugas razonando de forma lógica: La cantidad de aire fugado dependerá fuertemente de la diferencia de presión P – P0, donde P0 es la presión dinámica de salida del aire fugado. La velocidad “v” de aire fugado a través de los orificios de la tubería puede calcularse por medio de la variación de presión a través de los mismos, si tenemos en cuenta como hemos visto, el orificio se comporta como una pérdida singular de factor de pérdida ξ .

Pdentro-fuera  (P - P0 )  Porificio  0 P - Porificio  P0 ρ · v 2 ρ· v 2 P -  2 2

v

2·P ρ 1   

(4)

A medida que avanzamos hacia el final de la tubería, la presión P es menor, y por tanto “v” y consecuentemente el caudal de fugado también será cada vez menor. Por tanto, es interesante poner énfasis en reducir las fugas en las cercanías del ventilador Conocida la velocidad v del aire fugado, y estableciendo un balance de masas en el elemento diferencial de tubería de la figura, tenemos que: m  caudal fugado m  ρ · ( ·D·x)·A r ·

2·p ρ·(1   )

  ·D 2  2·p  · u  ρ · ( ·D·x)·A r · ρ  ρ·(1   )  4    ·D 2  f * 2·p  · u  ( ·D·x) · 6 ·  10 ρ  4 

u  4 · f *  2·p   · x  D · 10 6  ρ

(5)

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VENTILACION DE MINAS

Si escribimos la ecuación de Darcy-Weisbach (1) de acuerdo a nuestro elemento diferencial de tubería, tenemos que: ρ · u2 P  λ· x D H ·2

(6)

Las ecuaciones (5) y (6) representan las ecuaciones de base para el cálculo de las pérdidas de carga en una tubería. Se trata de un sistema de ecuaciones diferenciales para el que existen soluciones analíticas. Sin embargo, en los tiempos modernos, parece lógico resolver el problema de forma numérica, es decir, planteando un algoritmo iterativo de modo que pueda ser programado y resuelto por un ordenador. Para empezar, conviene expresar las ecuaciones (5) y (6) en términos de caudal, teniendo en cuenta que la velocidad u es igual al caudal Q dividido entre la sección de la tubería, supuesta redonda. Por tanto:  f * ·  · D  2·p Q   x · 6  10  ρ P  8 · λ

(7)

ρ · Q2 ·x  2 ·D 5

(8)

La ecuación (7) cuantifica las fugas producidas en el elemento diferencial de tubería, mientras que la ecuación (8) particulariza la ecuación de Darcy-Weisbach para una tubería redonda. Con esto, el algoritmo de cálculo sería como sigue: 1. División de la tubería en un número “n” de elementos diferenciales (tramos de un metro son más que suficientes para nuestros propósitos) 2. Presiones y caudales iniciales a considerar. P0: Será la presión de partida de la tubería. En tuberías soplantes, es igual a la presión dinámica (3) de salida de la tubería más la pérdida de los elementos singulares que puedan estar a la salida de la tubería, como pueden ser un cassette en caso de tuneladoras, etc. En tuberías aspirantes, será la pérdida debida a la singularidad de entrada en la tubería. Q0: Será el caudal a aportar o extraer en el frente, calculado como se indica en el apartado dedicado a tal fin. 3. Iteración p (x)  P0  f * ·  · D  2·p (x) x Q   · 6 ρ  10 

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Q (x 1)  Q (x)  Q ρ · Q (x 1)

P  8 · λ

p (x 1)  P

(x)

2

·x

 2 ·D 5  P  Psingular(x)

Así continuaríamos hasta completar la longitud total de la tubería, es decir, cuando x sea igual a “n · ∆x”. Usar un método iterativo para resolver el sistema nos permite conocer que está pasando en cada parte de la tubería, así como considerar las pérdidas por elementos singulares en el lugar que corresponde, algo que es imposible de conseguir si utilizamos las soluciones a las ecuaciones diferenciales de base, ya que desconoceríamos la velocidad de aire que hay en el punto de la singularidad. Además, este método nos permite dar diferentes propiedades a los distintos elementos de la tubería, pudiendo así realizar una mejor simulación de las fugas puntuales por grandes agujeros, las variaciones de diámetro, o cualesquiera otras propiedades de la tubería, dándonos en definitiva las herramientas para un mejor entendimiento del sistema. Análisis de los parámetros que intervienen en el cálculo. Puntos sensibles.

Para lograr el mejor diseño y la optimización de los equipos en una instalación de ventilación secundaria, es necesario conocer los parámetros que intervienen en el cálculo así como su influencia en la selección de los equipos adecuados. A modo de ejemplo, podemos imaginarnos un frente de 1000 metros de longitud, con sistema soplante, y vamos a plantearnos el problema de elegir la tubería adecuada, atendiendo a criterios estrictamente de cálculo, es decir, teniendo en cuenta las variables que influyen en el cálculo de pérdidas de carga. Como hemos visto podemos estimar los valores de λ y f* en función del tipo de excavación, por lo que a priori estos son factores sobre los que difícilmente podemos incidir (solo podríamos poner empeño en el mejor mantenimiento posible de la tubería). Consideraremos en este ejemplo una tubería de clase A-1, es decir un λ=0.02 y un f* de 10 mm2/m2 . Por otro lado, el caudal a poner en el frente vendrá determinado por otros criterios, y pese a que hay una cierta flexibilidad, consideraremos a efectos de este ejemplo que es inamovible y de un valor por ejemplo de 20 m3/s. Si realizamos el cálculo de las pérdidas de carga del circuito para diferentes diámetros de tubería, podemos llegar a resultados esclarecedores. Podemos calcular la potencia necesaria en el ventilador como: Potencia 

P·Q η ·1000

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donde P es la presión total del sistema [Pa] Q es el caudal obtenido en el ventilador [m3/s] η es el rendimiento aeráulico del ventilador, que estimaremos en un 75% para este ejemplo. Si representamos en una gráfica la potencia de ventilador necesaria frente al diámetro de tubería utilizada, puede apreciarse cuán importante es la elección del diámetro adecuado. Observando la gráfica, vemos que hay un intervalo de diámetros que no parecen lógicos para estas condiciones de frente, y sin embargo, a partir de diámetros de 1200mm y mayores, las variaciones de potencia son mucho menores. A partir de este momento, la elección del diámetro de tubería a utilizar vendrá dada por alguno de los siguientes criterios: 

La relación coste del kw de ventilador instalado frente al coste de la tubería.



El gálibo libre necesario para el paso de la maquinaria que va a trabajar en el túnel.

1.000,00 900,00

Potencia (kW)

800,00 700,00 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00 800

900

1 000

1 100

1 200

1 300

1 400

1 500

1 600

Diámetro de tubería (mm)

Evolución potencia instalada-diámetro de tubería para instalación con una sola línea de ventilación En el caso de que el gálibo necesario para paso de maquinaria nos obligue a ir a diámetros pequeños, y a priori inadecuados para la instalación existente, puede adoptarse la solución de usar dos líneas independientes de ventilación, de forma que cada una de ellas ponga tan sólo la mitad del caudal necesario en el frente. Esto tiene la desventaja de que duplicamos equipos, pero la pérdida la pérdida de carga es menor y por tanto en general la potencia instalada es más baja.

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250

Potencia (kW)

200

150

100

50

0 800

900

1 000

1 100

1 200

1 300

1 400

Diámetro de tubería (mm)

Evolución potencia instalada-diámetro de tubería para instalación con dos líneas de ventilación independientes Como se desprende del análisis de la gráfica anterior, no tendría sentido usar dos líneas para diámetros relativamente grandes, ya que el ahorro de potencia es relativamente poco en comparación con el coste de duplicar la instalación. Además, hay que tener presente que la razón fundamental de esta variante es el conseguir gálibo suficiente, luego lo lógico sería usar este sistema, cuando sea necesario, con los diámetros más pequeños posibles. Cuando las secciones del túnel son de tipo cuadrado, el sistema de dos líneas es extremadamente útil, ya que ocuparía relativamente el mismo espacio instalar una línea o dos. En caso de secciones clásicas en D o en herradura, es más complicado, y aunque es igualmente posible, la instalación de dos líneas nos reduce al mismo tiempo el gálibo efectivo.

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6 6.1

REGLAS DE ORO DE LA VENTILACIÓN Importancia del diámetro en la elección del ventilador

El diámetro suele estar limitado por el gálibo de la galería o del túnel, sobre todo cuando su sección ha quedado reducida por su convergencia, (caso de minas de carbón) o por el paso de maquinaria de grandes dimensiones a través de los túneles. Hay que definir siempre el diámetro máximo posible, y procurar utilizarlo ya que las ventajas de utilizar diámetros mayores, implica directamente un ahorro en consumo eléctrico inmediato, además de necesitar ventiladores de menor capacidad y de reducir el caudal de fugas, puesto que estos parámetros dependen directamente de la presión del sistema. En caso de que no haya espacio disponible para una tubería de un diámetro concreto, podría estudiarse la posibilidad de elegir dos tubos con un menor diámetro. Hay fabricantes que ofrecen configuraciones de tubería en este sentido, con tuberías ovaladas, dos tuberías tangentes con sustentación común, tuberías “oval lay flat”, etc. La elección del tipo de tubería es esencial. Existen proyectos de ventilación en los que se ha ahorrado entre un 2% y un 3% del costo del sistema de ventilación, y que finalmente, por la falta de calidad de la tubería se ha tenido que suspender las labores de avance. Esto finalmente ha tenido un costo muy superior al ahorro inicial. 6.2

Importancia del uso del variador de frecuencia

En los ventiladores que ventilan fondos de saco de gran longitud, es muy recomendable el uso de variadores de frecuencia. En túneles muy largos el caudal que pasa por el ventilador es sensiblemente mayor que el requerido en el frente, debido a las mencionadas fugas. A igualdad de condiciones de tubería, estas fugas será mayores cuanto menor sea el diámetro de la tubería, debido a que las presiones de trabajo son muy superiores. Cuando se está en una fase inicial de trabajo, la longitud de tubería no será muy grande por lo que la resistencia aeráulica de la instalación será más baja. Como consecuencia, el ventilador entregará mucho más aire que el necesario, que el diseño, pudiendo incluso, en ciertos casos ser un inconveniente. Puesto que el caudal que moviliza un ventilador es proporcional a la velocidad de rotación del motor, podemos ajustando dicha velocidad entregar en el frente de trabajo el caudal que queramos para todas las longitudes parciales de avance que tengamos en nuestro túnel. Como es lógico al principio de obra no será necesario que el ventilador funcione a pleno rendimiento y con el variador lograremos optimizar la velocidad de dicho ventilador, con el consiguiente ahorro energético. Este ahorro de energía compensa con creces la inversión de instalar un variador de frecuencia.

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Potencia Absorbida =

Q0  P0 1000   ventilador   motor

(KW)

Suponemos que la velocidad nominal del motor es n0. Analizaremos la repercusión de utilizar el ventilador a otra velocidad n1, tal que: n1  n0 La relación de las presiones y de los caudales respecto a la variación de velocidad es: 2

n  P1   1   P0  n0  n  Q1   1   Q0  n0  n (W) =  1  n0

Potencia aeráulica = Q1  P1 n 

3

3

 Q0  P0   1000 n 

Q P

3

0 0 =  1  Potencia en el eje (0) Potencia en el eje (1) =  1  1000   n ventilador  0  n0 

velocidad [%] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Potencia [%] 0 0.1 0.8 2.7 6.4 12.5 21.6 34.3 51.2 72.9 100

3

 Q0  P0   1000   ventilador   motor 

=

 n1  n  0

   

3

Potencia Absorbida (0)

Potencia [% ] vs Velocidad [% ] 100 90 80 Potencia [%]

Potencia Absorbida (1) =

 n1  n  0

70 60 50 40 30 20 10 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

velocidad [%]

De esta forma podemos deducir que: - Si para el 100% de la velocidad del motor tenemos el consumo del 100% de la potencia en el eje, con sólo bajar un 10% la velocidad, lo que implica bajar un 10% el caudal de aire, estamos consumiendo menos del 73% de la energía, ahorrando más del 27%. -Si la reducción de caudal es del 50%, estamos consumiendo el 12.5% de la energía, ahorrando el 87.5% de la potencia en el eje. 150 de 180

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Por todo esto, es recomendable el uso del variador de frecuencia en este tipo de instalaciones, ya que al principio de las obras al no tener mucha longitud de tubería instalada, la resistencia del circuito es muy inferior a la resistencia para la que se diseñó el ventilador, por lo que se estará entregando mucho más aire que el que se necesita, incluso llegando a ser molesto. Mediante el uso del variador, ajustamos el caudal del ventilador al caudal de diseño independientemente de la longitud que se tenga de tubería, por lo que con esta regulación se está ahorrando energía. 6.3

Importancia del número de juntas de la tubería

A mayor longitud de cada tramo de tubería, menor número de juntas, menor caudal de fugas, por tanto menor presión necesaria en el ventilador, menor capacidad del ventilador. Por otro lado, la unión entre tramos de tubería ha de ser diseñadas para minimizar las fugas, compatibles con la duración de la instalación. Este punto es mucho más importante en tuberías flexibles reforzadas ya que debido a su manejo los tramos de tubería son más cortos, por lo que tendrá muchas más juntas que una tubería flexible lisa.

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7 7.1

DISPOSICION DE LA VENTILACIÓN SECUNDARIA EN EL ENTORNO Posición relativa respecto a la ventilación principal

Para el caso de la minería, en la posición desde la que se realiza la toma de aire para la ventilación secundaria, el caudal de aire de ventilación principal que circula debe ser al menos 1,3 veces mayor que el caudal que moviliza el ventilador secundario. Con esto se trata de evitar que no se recircule de nuevo parte del aire viciado. Algo parecido ocurre en túneles en los que el ventilador está muy próximo a la boca de entrada y en donde si la velocidad de salida del aire viciado en importante, parte es aspirado por el ventilador. 7.2

Gálibos máximos

En lo que se refiere a este punto hacer hincapié en que el hecho de ir al diámetro de tubería mayor posible implicará siempre menor presión en el ventilador, y por tanto, menor cantidad de aire fugado en la instalación, reduciéndose drásticamente la potencia del ventilador. La limitación viene dada generalmente por espacio que queda libre en el túnel entre los hastiales y techo y los vehículos que circulan por él. Es importante tener en cuenta este factor ya que si no respetamos este gálibo, la tubería estará deteriorándose continuamente al paso de los vehículos. 7.3

Tuberías especiales Oval Lay flat / TWIN

Cuando se tiene problemas de gálibo con la tubería y para el caudal que se necesita se necesita un diámetro más grande, una solución que se adopta es la de utilizar una tubería oval o dos tuberías más pequeñas en paralelo.

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La solución de utilizar tubería ovalada, ha de estudiarse muy bien ya que para la misma sección de área libre de la tubería que otra circular, ésta tiene más resistencia, si es que lleva membrana separadora. Por otro lado, si se utiliza para caudales importantes generando presiones altas, la tubería sufre en los nervios de unión, por lo que puede acabar rompiendo, sobre todo en los arranques.

7.4

Instalación de tubería usada

Se procurará que la tubería esté en las mejores condiciones posibles, sobre todo se deben colocar los tramos de tubería en mejor estado y de mayor longitud lo más cerca del ventilador, puesto que de esta manera al tener un orificio equivalente de fugas más bajo, el caudal fugado será menor que si está en peor estado, ya que precisamente cuanto más cerca del ventilador se esté, más depresión soportan los tramos. En caso de que la tubería se deteriore mucho durante las voladuras, de manera que dificulte el aporte de aire al frente de trabajo, debido a las proyecciones que se producen, se recomienda usar tubería de sacrificio, de manera que cuando con esta se avance la longitud de un tramo de tubería principal, se sustituye la de sacrificio por una en buenas condiciones, avanzando también a su vez la tubería de sacrificio un tramo más para así poder continuar excavando sin deteriorar la línea principal.

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8

CONTROL Y SEGUIMIENTO DE LA VENTILACIÓN SECUNDARIA

8.1

Sistemática de control

A medida que se va desarrollando los trabajos de avance de un túnel o de una galería, el conducto de ventilación va paulatinamente deteriorándose. Al principio, se tiene menos longitud de tubería, por lo que la presión que se ejerce sobre el conducto es menor, y además la tubería, si no es reutilizada estará en muy buenas condiciones. Con el incremento de tubería paro poder llevar el aire al frente de trabajo, que cada vez estará más lejos del ventilador, también aparecen daños en el conductos debido a proyecciones de voladuras, roturas por el paso de maquinaria, etc. Estos daños, finalmente, se traducen a fugas de aire que no llegará al frente de trabajo, y puesto que la presión en la tubería irá aumentando, ya que también aumentará continuamente la longitud, las fugas se incrementarán. Será necesario para un correcto control de la instalación, establecer una metodología de control y seguimiento de la evolución de la instalación. El tipo y la velocidad de avance de la obra determinarán la frecuencia necesaria de tales inspecciones. Se debe, por tanto, establecer un control visual por parte de los encargados de la instalación, con el fin de que se actué lo más rápidamente sobre anomalías como:       

Roturas en la tubería. Mal estado de uniones y acoples de tubería. Curvas y enredos en la tubería Suspensiones defectuosas Mal estado del cable fiador o cuerda de suspensión Mal funcionamiento de los ventiladores. Distancias apropiadas de la tubería de ventilación respecto al frente de avance y solapes en caso de ventilaciones mixtas.

Todos los agujeros y defectos del conducto deben repararse cuanto antes. Un agujero se reparará más fácilmente soldando un parche mediante la soldadora de aire caliente, mientras el conducto está suspendido y con la instalación de ventilación en funcionamiento. Si el agujero tiende a aumentar, hay que coserlo primero con pequeños pedazos de tela o hilo. Conviene tener un kit reparador de tubería de ventilación siempre a mano con el fin de optimizar y no demorar esta tarea.

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Igualmente, con el objetivo de establecer un control sobre el caudal en el sentido de mantener las condiciones de confort adecuadas:  Control de caudal en el frente de avance.  Control de caudal a la salida del ventilador.  Análisis del caudal en el ventilador frente al caudal aportado por la ventilación principal. 8.2

Medidas de velocidad de aire

La velocidad del aire puede medirse en las galerías o directamente en las tuberías de ventilación secundaria. Los dispositivos a utilizar para la medición de velocidad. A continuación vamos a explicar la forma más adecuada de realizar las medidas. Tubo de Pitot

Existen varios modelos de tubos de Pitot, con boquillas de diferentes diámetros en función del diámetro del conducto donde se va a realizar la medición: Para la medición con el tubo de Pitot se utilizará el método polar simplificado. Este método consiste, de forma resumida, en seleccionar una sección transversal del conducto y medir en tres puntos (A, B y C) situados en un radio de dicha sección. Estos puntos se encuentran localizados en la intersección del radio de medición con las circunferencias medias de 3 anillos, de igual área, de acuerdo con la figura siguiente Para calcular la distancia a la que se encuentran estos puntos, se utilizarán las siguientes fórmulas:

S c    R 32 Ri  Ri21 

Sm  Sm



Sc 3

ri 

R i  R i 1 2

Donde: RC: radio del conducto, en m. SC: sección transversal del conducto, en m2. Sm: sección de cada anillo, en m2. Ri: radio de la circunferencia exterior que delimita un anillo, en m. ri: radio de la circunferencia central de cada anillo, en m.

A B C

Una vez calculadas las distancias a las que debe introducirse el tubo de Pitot, se procede a medir en cada punto de medición (A, B y C). Para cada punto se obtiene y se anotan los

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datos de la presión estática, dinámica y total, junto con los datos de las condiciones ambientales (temperatura y presión manométrica), diámetro y tipo de tubería, etc. Para diámetro grandes de tubería y en caso de requerir una gran precisión, se utiliza mayor numero de medidas en punto de medición, en ese caso podemos tener 6, 8 o 10 posiciones para cada diámetro de medida. Las posiciones en cada diámetro serán: 1 1 Número de puntos para un diámetro de conducto D 2 Posición 6 puntos 8 puntos 10 puntos diametral P1 0.032×D 0.021×D 0.019×D P2 0.135×D 0.117×D 0.077×D 1 1 P3 0.321×D 0.184×D 0.153×D 2 2 P4 0.679×D 0.345×D 0.217×D 3 P5 0.865×D 0.655×D 0.361×D 4 P6 0.968×D 0.816×D 0.639×D 3 P7 0.883×D 0.783×D P8 0.979×D 0.847×D P9 0.923×D Diferente número de diámetros para medición P10 0.981×D También hemos de elegir el número de diámetros de medición. Si se necesita medir con gran precisión se ha de elegir más de un diámetro, Como mucho 3 o 4, sobre todo para medicines donde hay una gran torsión en el flujo.

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ACCIONAMIENTO Y CONTROL DEL VENTILADOR

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1

INTRODUCCION

Los ventiladores para su funcionamiento necesitan ser accionados mediante motores, generalmente eléctricos de corriente alterna. Para gestionar el arranque y control de los mismos, utilizamos los armarios eléctricos que, básicamente, constarán de un armario de fuerza, donde tendremos el sistema de arranque de motor y de un armario de control y mando, desde donde gestionamos las señales de las protecciones del motor (sondas de temperaturas, acelerómetros, etc.) así como la protección de bombeo. Adicionalmente, en el armario de control, podemos monitorizar valores de importancia para la gestión de los ventiladores como son los valores de presión y caudal, temperaturas de los rodamientos, valores de vibración, etc., en cada momento. La conexión eléctrica debe ser realizada por personal eléctrico cualificado de acuerdo a la normativa regulada en cada país. Al respecto se deben tener en cuenta las prescripciones técnicas e instrucciones de seguridad del fabricante de los equipamientos eléctricos. Los equipos de ventilación son suministrados con cajas de bornas de conexión sobre el motor o sobre su carcasa exterior. La alimentación eléctrica debe ser suministrada por medio de dichas cajas de bornas. Es preferible tener un interruptor cerca del ventilador y tener un interruptor de marcha lejos del equipo de ventilación. Los dos interruptores permiten tener un control seguro sobre el ventilador y suministran un medio seguro durante su mantenimiento. La longitud del cable debe ser suficiente para permitir cierta flexibilidad al equipo de ventilación durante su funcionamiento debido a las diferentes vibraciones producidas. Si el equipo de ventilación ha sido almacenado, la resistencia de los devanados de tierra debe ser medida. Si cualquier medida es inferior a diez megohmios, el motor deberá ser secado y comprobado antes de su conexión. Si se utiliza un variador de frecuencia para controlar la velocidad de rotación u otro equipamiento similar, éste debe mantener al equipo de ventilación dentro de los límites de seguridad. Hay que prestar especial atención a que el ventilador esté concebido para poder ser accionado mediante un variador de frecuencia. El fabricante de los equipos debe ser consultado para verificación si el equipo suministrado puede trabajar bajo la acción de un variador de frecuencia u otro equipo de regulación de velocidad. Los equipos de ventilación montados con una caja de bornas, deben tener la entrada de la alimentación por alguna de las caras de la misma. Aquellos agujeros que no se usen para tal fin, deben ser sellados con tapones para evitar la entrada de agua. En el caso de utilizar prensaestopas para el paso del cable hacia la caja de bornas, estos deben ser dimensionados conforme el diámetro del cable utilizado y deben asegurar un correcto aislamiento ante agua y agentes externos.

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2

MOTOR

Los principales elementos de un motor de inducción en jaula son el estator y el núcleo del rotor (un conjunto de láminas de hierro), un bobinado aislado del estator y los conductores del rotor formados por una jaula de aluminio dentro del núcleo del rotor. En todos los motores de inducción cerrados como el mostrado en la figura, la ventilación se realiza mediante un ventilador montado en el eje que hace circular el aire por el armazón, enfriando así sus superficies externas. La potencia estimada de un motor es la potencia en el eje, es decir, la potencia mecánica útil que puede proporcionar para hacer girar a la carga. Pero como el motor tiene pérdidas, la potencia obtenida por el motor a plena carga será mayor que la estimada en el eje. Arrancar y desconectar los motores con mucha frecuencia puede ser una forma sencilla de ahorro de energía, pero arranques frecuentes incrementan el desgaste en correas de transmisión y en rodamientos, mientras que los sobrecalentamientos debido a las elevadas corrientes de arranque pueden acortar la vida del sistema de aislamiento del motor.

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Si la frecuencia de arranque no se conociese cuando el controlador está instalado, se recomienda que el sistema esté controlado con extremo cuidado durante el período inicial de operación para asegurar que la frecuencia de arranque está dentro de las especificaciones del fabricante. Los motores más grandes tienen límites menores de frecuencias de arranque. Es importante recordar que es la carga la que determina cuánta potencia entrega el motor. El tamaño del motor no indica necesariamente la potencia que va a entregar. Por ejemplo, un ventilador que requiere 15 kW podría manejarse con un motor de 15 kW (en caso de que pudiesen acoplarse). También podría moverse con un motor de 55 kW, y aunque podría funcionar, no sería muy eficaz. 3

PROTECCIONES Y MONITOREO

Siendo el motor una máquina robusta y de construcción simple, su vida útil depende casi exclusivamente de la vida útil del aislamiento de los bobinados. Esta es afectada por muchos factores como humedad, vibraciones, ambientes corrosivos y otros. Entre todos los factores, el más importante es, sin duda, la temperatura de trabajo de los materiales aislantes empleados. Un aumento de 8 a 10 grados en la temperatura del aislante reduce su vida útil a la mitad. Todos los equipos pueden sufrir accidentes: De origen eléctrico: – sobretensión, caída de tensión, desequilibrio o ausencia de fases que provocan un aumento de la corriente absorbida, – cortocircuitos cuya intensidad puede superar el poder de corte del contactor. De origen mecánico: – calado del rotor, sobrecarga momentánea o prolongada que provocan un aumento de la corriente que absorbe el motor, haciendo que los bobinados se calienten peligrosamente. Con el fin de que dichos accidentes no dañen los componentes ni perturben la red de alimentación, todos los arrancadores deben incluir obligatoriamente:  Protección contra los cortocircuitos, para detectar y cortar lo antes posible las corrientes anómalas superiores a 10 In,  Protección contra las sobrecargas, para detectar los aumentos de corriente hasta 10 In y cortar el arranque antes de que el recalentamiento del motor y de los conductores dañe los aislantes.  Si es necesario, se pueden añadir protecciones complementarias como el control de fallos de aislamiento, de inversión de fases, de temperatura de los bobinados, etc.

La protección corresponde a:

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 Aparatos específicos: seccionadores portafusibles, disyuntores, relés de protección y relés de medida.  A funciones específicas integradas en los aparatos de funciones múltiples.

El control de la protección térmica de los motores se efectúa por medio de termorresistencias (resistencia calibrada), termistores y termostatos. Los tipos de detectores a ser utilizados son determinados en función de la clase de temperatura del aislante empleado, de cada tipo de máquina y de la exigencia del usuario. Las protecciones eléctricas de los equipos asociados a un ventilador, además de las protecciones eléctricas del motor (sobretensión, sobreintensidad, …) y de las propias de los componentes del armario eléctrico son:    

Sondas de Temperaturas de los devanados, generalmente tipo PTC Sondas de Temperaturas de los rodamientos, generalmente tipo PT100 Sensores de vibraciones Sonda Petermann, presostato de bombeo

En lo que se refiere al monitoreo, puesto que se suele contar con un sistema de medición de presiones, con dos convertidores, podemos conocer la presión total y la presión diferencial de la que se deducirá el caudal movilizado por el ventilador. Actualmente, se implementan en los armarios de control PLCs de manera que todos los parámetros que puedan tener un valor, por ejemplo, temperaturas, velocidad de vibración (mm/s), presiones, etc., se muestren en una pantalla. Además, el PLC gestionará los fallos, como pueden ser el de bombeo, el de las sondas PTC, etc. indicando avisos con alarmas y en su caso procediendo al paro del ventilador. 3.1 3.1.1

Sondas de Temperaturas. Sondas de Temperaturas PTC

Son detectores térmicos compuestos de sensores semiconductores que varían su resistencia bruscamente al alcanzar una determinada temperatura. PTC- Coeficiente de temperatura positivo NTC- Coeficiente de temperatura negativo El tipo PTC es un termistor cuya resistencia aumenta bruscamente para un valor bien definido de temperatura, especificado para cada tipo. Esa variación brusca en la resistencia interrumpe la corriente del PTC, accionando un relé de salida, el cual desconecta el circuito principal. También se

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puede utilizar para sistemas de alarmas o de alarma y desconexión (2 por fase de motor). El termistor NTC no es normal en la aplicación en motores eléctricos. Los termistores tienen tamaño reducido, no sufren desgastes mecánicos y tiene una respuesta más rápida en relación a los otros detectores, aunque no permitan un seguimiento continuo del proceso de calentamiento de l motor. Los termistores con sus respectivos circuitos electrónicos de control ofrecen protección completa contra sobrecalentamiento producido por falta de fase, sobrecarga, sub o sobretensiones o frecuentes operaciones de inversión o conexión-desconexión. Tienen bajo costo, en relación a la sonda PT-100, pero necesitan un relé para comando de la actuación de la alarma u operación. 3.2

Sondas de Temperaturas PT100. Termorresistores

Son elementos cuya operación se basa en la característica de variación de la resistencia con la temperatura intrínseca a algunos materiales (generalmente platino, níquel o cobre). Poseen resistencia calibrada que varía linealmente con la temperatura posibilitando un seguimiento continuo del proceso de calentamiento del motor por el display del controlador, con alto grado de precisión y sensibilidad de respuesta. Su aplicación es amplia en los diversos sectores de técnicas de medición y automatización de temperatura. Generalmente, se aplica en instalaciones de gran responsabilidad. En los motores generalmente controlan la temperatura de los rodamientos. Una misma sonda puede servir para alarma y para desconexión. 3.2.1

Análisis de la problemática de las PT100 de 2 y 3 hilos

Conexión a dos hilos:

La resistencia interna de los cables representadas como R1 y R2 se suman generando un error en el dispositivo de medición, el cual en lugar de medir únicamente la resistencia del Pt100, medirá la suma de la resistencia del Pt100 más la R1 y R2. Este método de medición es poco recomendable por su escasa precisión, y la estrategia recomendada para mejorar la medición es utilizar un cable lo más grueso y corto posible para disminuir las resistencias R1 y R2.

R1

Sistema de medición

Pt100 R2

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Conexión con tres hilos:

Este tipo de conexionado resuelve el inconveniente del error generado por la resistencia interna de los cables y es el más común que se puede encontrar en las instalaciones. La única condición es que la resistencia interna de los tres cables debe ser la misma debido a que el sistema de medición por lo general utiliza un puente de Wheatstone mediante el cual se obtiene una tensión diferencial que puede ser acondicionada para llevar a cabo la medición. El tipo de conexión a 3 hilos anula la influencia R1 de la longitud del cable (resistencia óhmica) en el resultado de medición, pues mide la resistencia entre el borne 2 y 3 para luego restar este valor a la medición de Pt100 interés dada entre los bornes 1 y 2. Sistema de medición

Las PT100 de 2 hilos se utilizan para instalaciones en los que la distancia del cable es inferior a 10m. Está claro que no es el caso, ya que incluso la pareja más cercana está a más distancia de esa longitud. Por tanto habrá un error en la lectura debido a la resistencia del conductor.

R2

R3

Con una conexión de 3 hilos, que es la instalada finalmente, al llevar dos para el retorno de la señal, el modulo hace un cálculo que compensa este error, por lo que la medición se considera correcta. La solución mejor y más apropiada es la de usar un conductor de 3 hilos, ya que ese caso no haría falta hacer ningún tipo de corrección, y se considera buena la medida. Así se ha instalado en este proyecto. La salida analógica de la sonda PT100, se puede gestiona desde un PLC, ya que la gran mayoría disponen de tarjetas de entradas analógicas a las que se puede cablear directamente, haciendo dicho PLC hasta la compensación, eliminando el error de la resistencia de línea. Si no se dispone de un PLC con tarjetas de entradas analógicas capaces de gestionar directamente este tipo de señales, se puede utilizar una tarjeta de PT100 que nos da una salida analógica y que podemos “tratar” sin más que configurar las escalas y los rangos. . Para ello, las tarjetas PT100 disponen de unos DIP Switch que ajustamos a nuestras necesidades. Tarjetas de entradas analógicas y digitales

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Por ejemplo, El DIP Switch 1 tiene la configuración siguiente:

Es decir, como la PT100 es de 3 hilos, la salida es de 4 a 20mA y el rango inferior de medición es 0ºC, los valores desde 1 al 8 son: 01 010 000 El DIP Switch 2 tiene la configuración siguiente: Y puesto que vamos a poner como límite máximo del rango de medición 200ºC, los valores desde 1 al 6 son: 000101 Esto lo interpretaremos como que el valor de 4 mA corresponde a los 0ºC y los 200ºC corresponden a los 20mA, con una relación lineal. Por último, para que la señal de salida se pueda medir hay que configurar el DIP Switch 3, seleccionando la opción de mA. 10

Con esto ya podemos llevar una salida analógica de 4-20mA para gestionarla en el PLC y que nos proteja el motor acorde a las indicaciones del fabricante del motor.

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TARJETA PT100 Nombre del fabricante DIP SWITCH 3

DIP SWITCH 1 DIP SWITCH 2

3.3

Sensor de vibraciones

Los acelerómetros son los sensores más utilizados en análisis de vibraciones en maquinaria. Todos los colectores portátiles están provistos de un acelerómetro, aunque la mayoría de la gente integra la señal y trabaja en unidades de velocidad. Los sistemas de monitorizado permanente también usan acelerómetros excepto cuando se hace necesario utilizar una sonda de proximidad. Hay diferentes tipos de acelerómetros, el más común es el piezoeléctrico con un amplificador interno. Los acelerómetros piezoeléctricos se montan externamente, generalmente sobre el alojamiento de los apoyos. El método de montaje es muy importante El material piezoeléctrico (cristal) está situado bajo una masa sísmica. Cuando el sensor vibra el cristal se comprime y descomprime debido a la presión ejercida por la vibración y la masa sísmica. La carga de salida es proporcional a la fuerza y por lo tanto a la aceleración. Esa carga de salida requiere de un amplificador para convertirla en un voltaje de salida al colector. Mientras que hace 10 años lo común era utilizar un amplificador externo, actualmente el amplificador está dentro del sensor y es alimentado por el colector. Este conjunto es conocido por las siglas ICP (Integrated Circuit Piezoelectric).

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La señal se polariza produciendo una corriente continua que alimenta al amplificador, no es necesaria una instalación eléctrica aparte. Por lo tanto, el colector de datos necesita disponer de una conexión de corriente continua para trabajar con este tipo de acelerómetros. De todos modos, la mayoría de colectores disponen de una tensión de polarización con el fin de determinar si el sensor tiene algún fallo interno, o si hay un error de cable. La existencia del amplificador supone una limitación en las respuestas de baja frecuencia. La característica de baja frecuencia del amplificador es generalmente a 1 Hz para la mayoría de las unidades ICP disponibles. Hay algunos acelerómetros especialmente diseñados para trabajar a 0.1 Hz en el caso en que sea necesario recoger datos a muy baja frecuencia. Estos dispositivos necesitan 3 bornas de conexión: La primera borna es para el voltaje +24VDC, que corresponde al cable blanco. La segunda borna es para la tierra (0V), que corresponde al cable negro. La tercera borna es para la pantalla (SCREEN). Las bornas con sus topes y tapas irán en los carriles DIN que hay en las cajas de señales. Con este dispositivo se necesitará una fuente de 24VDC y una entrada a PLC para poder gestionar la señal analógica 4-20mA.

1

Blanco Negro Screen

PLC Analogue common input

2

Blanco

Analogue inputs (4-20mA)

Negro

Sensor 1

Screen

Sensor 2 . . . .

El rango de medición de este equipo es de 0 a 25mm/s RMS y la salida de 4 a 20 mA DC, con lo que los 4mA corresponden a los 0 mm/s y los 20mA corresponden a los 25mm/s. La ley es lineal.

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VENTILACION DE MINAS

En el gráfico anterior vemos la gestión de 2 acelerómetros simultáneamente, que son alimentados por una fuente de +24V. Puesto que se tendrá la fuente de alimentación común para dos acelerómetros. En el esquema, se ve que la pantalla del acelerómetro, “screen”, está puesta a tierra y no se lleva hasta el armario eléctrico. Esto no siempre es así, y en ciertas ocasiones, si se lleva al armario de control y se conecta a la tierra en él. 3.4

Resistencia de Caldeo

Las resistencias de caldeo son utilizadas cuando un motor eléctrico es instalado en ambientes muy húmedos con posibilidad de quedar desconectado por períodos largos e impiden la acumulación de agua en el interior del motor por la condensación del aire húmedo. Éstas aumentan la temperatura del motor algunos grados por encima de la temperatura ambiente cuando el motor queda apagado. La tensión de alimentación de las resistencias de caldeo deberá ser especificada por el cliente, estando disponibles en las tensiones más frecuentes de 110V, 220 V y 440 V. La potencia de las mismas dependerá del tamaño de carcasa del motor. Serán conectadas en la caja de bornas y recibirán alimentación del exterior de forma que puedan entrar en funcionamiento cuando el motor esté apagado. Cuando el motor esté en funcionamiento, estas sondas deben ser desconectadas ya que su uso simultáneo puede dañar las cabezas de las bobinas del motor. Caja de bornas auxiliar para las señales

Resistencia de caldeo

Caja de bornas de fuerza

La tensión de alimentación por defecto es a 220 V. La potencia de las mismas se ha de considerar para el dimensionamiento del cableado.

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Por otro lado, el funcionamiento será tal que mientras esté en funcionamiento el ventilador, la alimentación de las resistencias de caldeo esté desernegizada, y pasará a activarse mientras el ventilador esté parado. La misión de estas resistencias es la de elevar la temperatura de los devanado unos 10º por encima de la Temperatura ambiente, de esta manera, se evitará la condensación de la humedad.

2 Sondas PTC

2 Sondas PT100

Sensor de vibraciones

Caja de bornas auxiliar

3.5

Sonda Petermann. Presostato de bombeo

El detector de bombeo es un sistema sencillo y muy fiable. Es la protección aerodinámica del ventilador, de manera que para el ventilador cuando detecta que el ventilador está en bombeo. Consta de dos tomas de presión situadas a cierta distancia de los álabes del rodete del ventilador.

Sonda peterman n

Cuando el ventilador esta funcionando en régimen estable, se puede medir entre las dos tomas de la sonda Petermann una diferencia de presión. Si el ventilador entra en bombeo, se genera una turbulencia en el extremo de los álabes que cambia el signo de las presiones medidas, por lo que si este cambio no es puntual y se mantiene, puesto que las dos tomas están conectadas a un presostato, éste detectará el fenómeno y parará el ventilador.

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La instalación eléctrica consta de un común y dos contactos NC (Normalmente cerrado) y NO (Normalmente abierto), estos cambiaran de estado cuando la membrana en el interior del presostato detecte una variación de presión. Esta señal digital, se llevará también al armario de control a las tarjetas de entradas digitales del PLC para su gestión. ARMARIO DE CONTROL

Reles de PTC Hay 6, corresponden en este caso a 3 sondas PTC de alarma y otras 3 sondas PTC de prealarma. La señal de una sonda PTC es una señal digital, que se lleva a las tarjetas de entradas digitales del PLC a través del relé de sonda.

PLC y tarjetas de entradas y salidas de señales analógicas y digitales

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4

TIPOS DE ARRANQUE

Durante la puesta en tensión de un motor, la corriente solicitada es considerable y puede provocar una caída de tensión que afecte al funcionamiento de los receptores, especialmente en caso de insuficiencia de la sección de la línea de alimentación. En ocasiones, la caída puede llegar a ser perceptible en los aparatos de alumbrado. Para poner remedio a estos inconvenientes, ciertos reglamentos sectoriales prohíben el uso de motores de arranque directo que superen cierta potencia. Otros se limitan a imponer la relación entre la corriente de arranque y la nominal en base a la potencia de los motores. Los motores de jaula son los únicos que pueden acoplarse directamente a la red por medio de un equipo simple. Tan sólo los extremos de los devanados del estator sobresalen de la placa de bornas. Dado que el fabricante determina de manera definitiva las características del rotor, los distintos procesos de arranque consisten principalmente en hacer variar la tensión en las bornas del estator. En este tipo de motores, cuya frecuencia es constante, la reducción de la punta de corriente conlleva de manera automática una fuerte reducción del par. Arranque directo

Se trata del modo de arranque más sencillo en el que el estator se acopla directamente a la red. El motor se basa en sus características naturales para arrancar. En el momento de la puesta bajo tensión, el motor actúa como un transformador cuyo secundario, formado por la jaula muy poco resistente del rotor, está en cortocircuito. La corriente inducida en el rotor es importante. La corriente primaria y la secundaria son prácticamente proporcionales. Por tanto, se obtiene una punta de corriente importante en la red: Iarranque= 5 a 8 lnominal. El par de arranque medio es: Carranque = 0,5 a 1,5 Cnominal. A pesar de las ventajas que conlleva (sencillez del equipo, elevado par de arranque, arranque rápido, bajo coste), sólo es posible utilizar el arranque directo en los siguientes casos: – la potencia del motor es débil con respecto a la de la red, para limitar las perturbaciones que provoca la corriente solicitada, – la máquina accionada no requiere un aumento progresivo de velocidad y dispone de un dispositivo mecánico (por ejemplo, un reductor) que impide el arranque brusco,

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– el par de arranque debe ser elevado. Por el contrario, siempre que: – la caída de tensión provocada por la corriente solicitada pueda perturbar el buen funcionamiento de otros aparatos conectados a la misma línea, – la máquina accionada no pueda admitir sacudidas mecánicas Arranque estrella -triángulo

Sólo es posible utilizar este modo de arranque en motores en los que los dos extremos de cada uno de los tres devanados estatóricos vuelvan a la placa de bornas. Por otra parte, el bobinado debe realizarse de manera que el acoplamiento en triángulo corresponda con la tensión de la red: por ejemplo, en el caso de una red trifásica de 380 V, es preciso utilizar un motor bobinado a 380 V en triángulo y 660 V en estrella. El principio consiste en arrancar el motor acoplando los devanados en estrella a la tensión de la red, lo que equivale a dividir la tensión nominal del motor en estrella por 3 (en el ejemplo anterior, la tensión de la red 380 V = 660 V / 3). La punta de corriente durante el arranque se divide por 3: Id = 1,5 a 2,6 In

Un motor de 380 V/660 V acoplado en estrella a su tensión nominal de 660 V absorbe una corriente 3 veces menor que si se acopla en triángulo a 380 V. Dado que el acoplamiento en estrella se realiza a 380 V, la corriente se divide nuevamente por 3. Por tanto, se divide por un total de 3. El par de arranque se divide igualmente por 3, ya que es proporcional al cuadrado de la tensión de alimentación: Cd = 0,2 a 0,5 Cn La velocidad del motor se estabiliza cuando se equilibran el par del motor y el par resistente, normalmente entre el 75 y 85% de la velocidad nominal. En ese momento, los devanados se acoplan en triángulo y el motor rinde según sus características naturales. Un temporizador se encarga de controlar la transición del acoplamiento en estrella al

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acoplamiento en triángulo. El cierre del contactor de triángulo se produce con un retardo de 30 a 50 milisegundos tras la apertura del contactor de estrella, lo que evita un cortocircuito entre fases al no poder encontrarse ambos cerrados al mismo tiempo. La corriente que recorre los devanados se interrumpe con la apertura del contactor de estrella y se restablece con el cierre del contactor de triángulo. El paso al acoplamiento en triángulo va acompañado de una punta de corriente transitoria, tan breve como importante, debida a la fcem del motor. El arranque estrella-triángulo es apropiado para las máquinas cuyo par resistente es débil o que arrancan en vacío. Dependiendo del régimen transitorio en el momento del acoplamiento en triángulo, puede ser necesario utilizar una variante que limite los fenómenos transitorios cuando se supera cierta potencia: – temporización de 1 a 2 segundos al paso estrella-triángulo. Esta medida permite disminuir la fcem y, por tanto, la punta de corriente transitoria. Esta variante sólo puede utilizarse en máquinas cuya inercia sea suficiente para evitar una deceleración excesiva durante la temporización. – arranque en 3 tiempos: estrella-triángulo + resistencia-triángulo. El corte se mantiene, pero la resistencia se pone en serie aproximadamente durante tres segundos con los devanados acoplados en triángulo. Esta medida reduce la punta de corriente transitoria. – arranque en estrella-triángulo + resistencia-triángulo sin corte. La resistencia se pone en serie con los devanados inmediatamente antes de la apertura del contactor de estrella. Esta medida evita cualquier corte de corriente y, por tanto, la aparición de fenómenos transitorios. El uso de estas variantes conlleva la instalación de componentes adicionales y el consiguiente aumento del coste total. Arranque por autotransformador

El motor se alimenta a tensión reducida mediante un autotransformador que, una vez finalizado el arranque, queda fuera del circuito. El arranque se lleva a cabo en tres tiempos: – en el primer tiempo, el autotransformador comienza por acoplarse en estrella y, a continuación, el motor se acopla a la red a través de una parte de los devanados del

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autotransformador. El arranque se lleva a cabo a una tensión reducida que se calcula en función de la relación de transformación. Generalmente, el transformador está dotado de tomas que permiten seleccionar la relación de transformación y, por tanto, el valor más adecuado de la tensión reducida. – antes de pasar al acoplamiento a plena tensión, la estrella se abre. En ese momento, la fracción de bobinado conectada a la red crea una inductancia en serie con el motor. Esta operación se realiza cuando se alcanza la velocidad de equilibro, al final del primer tiempo. – el acoplamiento a plena tensión interviene a partir del segundo tiempo, normalmente muy corto (una fracción de segundo). Las inductancias en serie con el motor se cortocircuitan y, a continuación, el autotransformador queda fuera del circuito. La corriente y el par de arranque varían en la misma proporción. Se dividen por (U red / U reducida)2 y se obtienen los valores siguientes: Id = 1,7 a 4 In Cd = 0,5 a 0,85 Cn El arranque se lleva a cabo sin interrupción de corriente en el motor, lo que evita que se produzcan fenómenos transitorios. No obstante, si no se toman ciertas precauciones pueden aparecer fenómenos transitorios de igual naturaleza durante el acoplamiento a plena tensión. De hecho, el valor de la inductancia en serie con el motor tras la apertura de la estrella es importante si se compara con la del motor. Como consecuencia, se produce una caída de tensión considerable que acarrea una punta de corriente transitoria elevada en el momento del acoplamiento a plena tensión. El circuito magnético del autotransformador incluye un entrehierro que disminuye el valor de la inductancia para paliar este problema. Dicho valor se calcula de modo que, al abrirse la estrella en el segundo tiempo, no haya variación de tensión en las bornas del motor. El entrehierro aumenta la corriente magnetizante del autotransformador. Dicha corriente aumenta la corriente solicitada en la red durante el primer tiempo del arranque. Este modo de arranque suele utilizarse en los motores con potencia superior a 100 kW. Sin embargo, el precio de los equipos es relativamente alto debido al elevado coste del autotransformador. Arranque electrónico (Soft starter)

La alimentación del motor durante la puesta en tensión se realiza mediante una subida progresiva de la tensión, lo que posibilita un arranque sin sacudidas y reduce la punta de corriente. Para obtener este resultado, se utiliza un graduador de tiristores montados en oposición de 2 por 2 en cada fase de la red. La subida progresiva de la tensión de salida puede controlarse por medio de la rampa de aceleración, que depende del valor de la corriente de limitación, o vincularse a ambos parámetros. Un arrancador ralentizador progresivo es un graduador de 6 tiristores que se utiliza para

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arrancar y parar de manera controlada los motores trifásicos de jaula. Garantiza: – el control de las características funcionamiento, principalmente durante períodos de arranque y parada,

de los

Soft starter

– la protección térmica del motor y del arrancador, – la protección mecánica de la máquina accionada, mediante la supresión de las sacudidas de par y la reducción de la corriente solicitada. La corriente (IATS en el ejemplo del lateral) puede regularse de 2 a 5 In, lo que proporciona un par de arranque regulable entre 0,1 y 0,7 del par de arranque en directo. Permite arrancar todo tipo de motores asíncronos. Puede cortocircuitarse para arrancar por medio de un contactor y mantener al mismo tiempo el dominio del circuito de control. A todo ello hay que añadir la posibilidad de: – deceleración progresiva, – parada-frenada.

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VARIADORES DE FRECUENCIA

Los variadores son convertidores de energía encargados de modular la energía que recibe el motor. Estos dispositivos electrónicos que permiten variar la velocidad y el par de los motores asincrónicos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables. Se utilizan estos equipos cuando las necesidades de la aplicación sean:    

Dominio de par y la velocidad Regulación sin golpes mecánicos Movimientos complejos Mecánica delicada

El control de los motores eléctricos mediante conjuntos de conmutación “Todo o Nada” es una solución bien adaptada para el accionamiento de una amplia gama de máquinas. No obstante, conlleva limitaciones que pueden resultar incomodas en ciertas aplicaciones.

Los variadores de frecuencia están compuestos por: • Etapa Rectificadora. Convierte la tensión alterna en continua mediante rectificadores de diodos, tiristores, etc. • Etapa intermedia. Filtro para suavizar la tensión rectificada y reducir la emisión de armónicos. • Inversor o "Inverter". Convierte la tensión continua en otra de tensión y frecuencia variable mediante la generación de pulsos. Actualmente se emplean IGBT´s (Isolated Gate Bipolar Transistors) para generar los pulsos controlados de tensión. Los equipos más modernos utilizan IGBT´s inteligentes que incorporan un microprocesador con todas las protecciones por sobrecorriente, sobretensión, baja tensión, cortocircuitos, puesta a masa del motor, sobretemperaturas, etc.

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• Etapa de control. Esta etapa controla los IGBT para generar los pulsos variables de tensión y frecuencia. Y además controla los parámetros externos en general, etc. Los variadores mas utilizados utilizan modulación PWM (Modulación de Ancho de Pulsos) y usan en la etapa rectificadora puente de diodos rectificadores. En la etapa intermedia se usan condensadores y bobinas para disminuir las armónicas y mejorar el factor de potencia El Inversor o Inverter convierte la tensión continua de la etapa intermedia en una tensión de frecuencia y tensión variables. Los IGBT envían pulsos de duración variable y se obtiene una corriente casi senoidal en el motor. La frecuencia portadora de los IGBT se encuentra entre 2 a 16kHz. Una portadora con alta frecuencia reduce el ruido acústico del motor pero disminuye el rendimiento del motor y la longitud permisible del cable hacia el motor. Por otra parte, los IGBT´s generan mayor calor. Las señales de control para arranque, parada y variación de velocidad (potenciómetro o señales externas de referencia) estén aisladas galvánicamente para evitar daños en sensores o controles y evitar ruidos en la etapa de control. El convertidor de frecuencia suministra, a partir de una red de corriente alterna de frecuencia fija, una tensión alterna trifásica, de valor eficaz y frecuencia variables. La alimentación del variador puede ser monofásica para pequeñas potencias (orden de magnitud de algunos kW) y trifásica para los mayores. Ciertos variadores de pequeña potencia aceptan indistintamente tensiones de alimentaciones mono y trifásicas. La tensión de salida del variador es siempre trifásica. De hecho, los motores asíncronos monofásicos no son adecuados para ser alimentados mediante convertidores de frecuencia.

Los convertidores de frecuencia alimentan los motores de jaula estándar con todas las ventajas de estos motores: estandarización, bajo coste, robustez, estanqueidad, bajo mantenimiento. Puesto que estos motores son auto-ventilados, el único límite para su empleo es el funcionamiento a baja velocidad porque se reduce esta ventilación. Si se requiere este funcionamiento hay que prever un motor especial con una ventilación forzada independiente.

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Las principales ventajas que tiene la utilización de un variador de frecuencia:            6

El variador de velocidad no tiene elementos móviles, ni contactos. La conexión del cableado es muy sencilla. Permite arranques suaves, progresivos y sin saltos. Controla la aceleración y el frenado progresivo. Limita la corriente de arranque. Permite el control de rampas de aceleración y deceleración regulables en el tiempo. Consigue un ahorro de energía cuando el motor funcione parcialmente cargado, con acción directa sobre el factor de potencia Puede detectar y controlar la falta de fase a la entrada y salida de un equipo. Protege al motor. Puede controlarse directamente a través de un autómata o microprocesador. Se obtiene un mayor rendimiento del motor. Nos permite ver las variables (tensión, frecuencia, r.p.m, etc…).

AHORRO DE ENERGIA

Aunque el coste del motor es a veces bastante bajo, los costes debidos a su larga vida de funcionamiento indican que es importante considerar cuidadosamente las opciones que existen cuando se sustituya el ventilador o cuando se instalen nuevos equipos. La elección de la instalación de un Convertidor de Frecuencia como método de ahorro energético supone: -

Reducción del consumo.

-

Mejor control operativo, mejorando la rentabilidad y la productividad de los procesos productivos.

-

Minimizan las pérdidas en las instalaciones.

-

Ahorro en mantenimiento (el ventilador trabaja siempre en las condiciones óptimas de funcionamiento).

Todas estas ventajas repercuten finalmente en las instalaciones industriales, consiguiendo que la amortización de las mejoras realizadas se produzca en un corto periodo de tiempo (entorno a dos años o incluso menos), y prolongando también la vida útil de los motores utilizados. Un entorno industrial tiene un gasto en electricidad muy elevado y casi los 2/3 corresponden al funcionamiento de los motores. Con este tema, se pretende dar una idea general de cuales son los posibles métodos a aplicar en el ahorro energético, así como los parámetros a tener en cuenta para conseguir un ahorro óptimo.

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La reducción de la velocidad de la carga en un ventilador, aplicación clasificada dentro del grupo llamado de relación cuadrática, como una pequeña reducción en la velocidad puede producir ahorros de energía sustanciales, lo que hace que el variador de frecuencia sea la elección más acertada para aplicaciones en las que se efectúa control de velocidad. El ahorro potencial de energía al disminuir la velocidad en la carga depende de las características de la carga. Básicamente las cargas se clasifican en tres tipos: par variable, par constante y potencia constante. Será el par variable el que nos interesará con los ventiladores. Las leyes fundamentales que gobiernan el funcionamiento de los ventiladores nos muestran que estas aplicaciones tienen un gran potencial de ahorro de energía. Las leyes asociadas afirman que el par y la potencia varían con el cuadrado de la velocidad y la potencia con el cubo de la velocidad: Potencia [%] 0 0.1 0.8 2.7 6.4 12.5 21.6 34.3 51.2 72.9 100

Ahorro [%] 0 99.9 99.2 97.3 93.6 87.5 78.4 65.7 48.8 27.1 0

Potencia [% ] vs Velocidad [% ] 100 90 80 Potencia [%]

velocidad [%] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

70 60 50 40 30 20 10 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

velocidad [%]

Suponemos que la velocidad nominal del motor es n0. Analizaremos la repercusión de utilizar el ventilador a otra velocidad n1, tal que: n1  n0 2

n  P1   1   P0  n0  n  Q1   1   Q0  n0 

3

 n  Q  P0 (W) =  1  0  n0  1000

Potencia aeráulica = Q1  P1

Potencia en el eje (1) =

 n1  n  0

3

 Q0  P0   1000   ventilador  3

=

 n1  n  0

   

 n1  Q0  P0    n 0  1000   ventilador   motor

Potencia Absorbida (1) = 

3

· Potencia en el eje (0)  n1     n0 

= 

3

·Potencia Absorbida (0)

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6.1

Costes de funcionamiento y variador de frecuencia. Ejemplo práctico y comparativa.

Un método sencillo de estimación del cálculo de los costes de un motor o cualquier otra carga es multiplicar los siguientes parámetros: * Potencia nominal en el motor. * Número anual de horas en funcionamiento. * El coste medio de electricidad en Euros/kWh. Por ejemplo, el coste aproximado de un motor de 400 kW funcionando durante todo el año (8760 horas/año) para un coste de 0.063 Euros/kWh es (400 kW x 8760 horas x 0.063 Euros/kWh) = 220.752 Euros / año. Este cálculo ignora el rendimiento del motor y las condiciones de carga actual, pero proporciona una estimación de los costes sin hacer mediciones. Horas de trabajo Caudal requerido (h) (%) 4 5 6 5 4

200 240 400 320 160

50.4 75.6 151.2 100.8 40.32

400 0.063

Horas de trabajo Caudal requerido (h) (%)

Potencia en el eje (Kw) Precio de kWh (EUROS)

Coste KWh (Euros)

50 60 100 80 40

Potencia en el eje (Kw) Precio de kWh (EUROS)

4 5 6 5 4

Potencia en eje (kW)

418.32

EUROS/día

152686.8

EUROS/año

Potencia en eje (kW)

Coste KWh (Euros)

400 400 400 400 400

100.8 126 151.2 126 100.8

100 100 100 100 100 400 0.063

604.8

EUROS/día

220752.0

EUROS/año

El ahorro que supone el uso del variador de frecuencia debido al la regulación que se realiza sobre el caudal será: 68,065.2 € que representa e 30.83% de ahorro

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Si la variación de caudal es más acentuada, estos valores incrementan importantemente: Horas de trabajo Caudal requerido (h) (%) 4 5 6 5 4

120 160 400 200 160

30.24 50.4 151.2 63 40.32

400 0.063

Horas de trabajo Caudal requerido (h) (%)

Potencia en el eje (Kw) Precio de kWh (EUROS)

Coste KWh (Euros)

30 40 100 50 40

Potencia en el eje (Kw) Precio de kWh (EUROS)

4 5 6 5 4

Potencia en eje (kW)

335.16

EUROS/día

122333.4

EUROS/año

Potencia en eje (kW)

Coste KWh (Euros)

400 400 400 400 400

100.8 126 151.2 126 100.8

100 100 100 100 100 400 0.063

604.8

EUROS/día

220752.0

EUROS/año

El ahorro que supone el uso del variador de frecuencia debido al la regulación que se realiza sobre el caudal será: 98,418.6 € que representa e 44.58% de ahorro

No cabe duda que el empleo del variador en los sistemas de ventilación, además de todas las ventajas técnicas que conlleva, implica un ahorro muy significativo.

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