sistemas de acondicionamiento de aire en minas i
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Sistemas de ventilaciónTRANSCRIPT
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Sistemas de Acondicionamiento de Aire en Minas I
Editorial
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Especiales
,
Sectores de la industria
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Artculos relacionados
Utilidad y uso de la ventilacin
bioclimtica
Deshumidificacin: Secadores
de Ambiente
Depuracin del Aire
Figura 1. Aumento en la temperatura de bulbohmedo debido a la autocompresin del aire, enfuncin de la temperatura de bulbo hmedo ensuperficie y de la elevacin o presin baromtricaa parte de un metro.
El acondicionamiento de aire en minas es necesario para realizar las actividades y procesos productivos
propios del lugar. Para ello se requieren condiciones especficas.
Ing. Ariel Humberto Orellana Wiarco.
Cuando el sistema de ventilacin subterrnea de una mina, con todas las medidas tomadas para controlar y
reducir la temperatura y la humedad, es incapaz de proporcionar las condiciones ambientales requeridas por las
normas gubernamentales aplicables y por las normas o estndares adoptados por la propia mina en particular
(siempre y cuando estos sean superiores a los requerimientos legales), entonces es necesario acondicionar el
aire, por lo general para dotarlo de una mayor capacidad de enfriamiento, por medio de un sistema de
enfriamiento de aire.
En algunas minas en otros pases con climas muy fros en el invierno llegan a requerir calentar el aire. Este no
es el caso en Mxico por lo que no se aborda ese tema, aun cuando es tambin parte del acondicionamiento
de aire.
Fuentes de calor en minas subterrneas
El resultado predecible de una mina al profundizar
es que aumente su temperatura y que tambin
aumente su humedad (Figura 1), hasta cierto
punto en el cual un incremento en los flujos de
ventilacin no sea suficiente para mantener
condiciones ambientales adecuadas en la mina. Es
el momento de recurrir a sistemas de enfriamiento,
debiendo seleccionar el sistema que sea ms
conveniente le sirva para las condiciones
particulares de la mina.
Para planificar un sistema de enfriamiento hay que
determinar la cantidad de calor sensible y latente
que se debe remover, dicho de otra manera hay que
determinar la carga de enfriamiento. Por orden de
importancia las fuentes de calor en una mina
subterrnea son: compresin adiabtica o
autocompresin del aire, calor de la roca (gradiente
geotrmico), equipo electromecnico y alumbrado,
agua subterrnea, oxidacin, voladuras,
metabolismo humano, movimiento de roca y
tuberas. Hay que tener en cuenta la temperatura y
humedad del aire de ventilacin por su efecto en el
flujo de calor de la roca y del agua subterrnea.
Compresin adiabtica o autocompresin del
aire
En los tiros y obras mineras sensiblemente
verticales el peso de la columna de aire ocasiona
una compresin en el fondo de la columna que
viene acompaada por un aumento en la
temperatura del aire, como sucede cuando se
comprime aire utilizando un equipo de compresin.
Para determinar la cantidad de calor que produce la
autocompresin del aire, se hace la suposicin de
que la compresin del aire se realiza
adiabticamente, es decir, se asume que el
contenido de vapor de agua en el aire permanece
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constante, que no hay friccin en el flujo de aire y que tampoco hay transferencia de calor entre el aire y las
paredes del tiro u obra minera.
En realidad, por lo general hay cambios en el contenido de vapor de agua, hay transferencias de calor y hay
friccin en el flujo de aire.
Se estima que, de manera general, el aumento en la temperatura de bulbo seco debido a la autocompresin es
de 1 C por cada 100 metros de profundidad del tiro.
El aumento terico en la temperatura de bulbo seco del aire en un tiro por el que baja aire
se puede calcular por la ecuacin:
Donde T es la temperatura absoluta de bulbo seco, P es la presin atmosfrica, es la razn entre los calores
especficos del aire a volumen y presin constantes y los subndices 1 y 2 denotan las condiciones iniciales y
finales respectivamente.
Los valores de son de 1.402 para aire seco y de 1.362 mnimo para aire saturado; el exponente (-1)/ por lo
tanto toma los valores de 0.287 para aire seco y de aproximadamente 0.266 para aire saturado. En el uso de
esta frmula se est suponiendo que el comportamiento es adiabtico. Esto es, cuando el contenido de vapor
del aire permanece constante, no hay friccin en el flujo y no hay transferencia de calor entre el aire y cualquier
otro cuerpo.
En una mina real, por supuesto, esto no sucede nunca. De una manera prctica, sin considerar el clculo
terico, el aumento en la temperatura de bulbo seco se estima en 5.3 F para una disminucin en elevacin de
1,000 pies (9.66 C/1,000 m).
El aumento en la temperatura de bulbo hmedo es ms variable y no fcilmente susceptible de calcular.
Para fines de estimacin, el aumento en la temperatura de bulbo hmedo se puede aproximar como 0.45 veces
aquella del aumento en la temperatura de bulbo seco, o 2.4 F para una disminucin en elevacin de 1,000
pies (4.37 C/1,000 m).
Calor de la masa rocosa
Los cambios de temperatura en superficie afectan la temperatura de la roca hasta una profundidad de unos 15
m. A partir de esa profundidad la temperatura aumenta uniformemente a medida que aumenta la profundidad.
Este aumento es conocido como gradiente geotrmico y es diferente para cada distrito minero.
De la misma manera como el aire al autocomprimirse alcanza una profundidad crtica, la masa rocosa
generalmente por ser la mayor fuente de calor al alcanzar una cierta profundidad calienta el ambiente a unos 41
C, la cual es denominada como la temperatura crtica a partir de la cual hay que recurrir a sistemas de
enfriamiento.
Para calcular la transferencia de calor de la pared
de la masa rocosa hacia la corriente de
ventilacin, se debe conocer primero la
temperatura de la roca virgen y las propiedades
trmicas de la roca, conductividad trmica y
razn de difusin trmica. El flujo de calor de la
roca hacia una va de aire es extremadamente
complejo y se aparta de la teora de transferencia
de calor de estado continuo. An suponiendo que
la conductividad trmica de la roca es constante,
el flujo de calor es considerablemente ms alto
durante el perodo inicial despus de excavada
una obra minera que varios aos ms tarde
cuando se han desarrollado condiciones de
estado continuo o estable. En reas mineras
jvenes se debe calcular el influjo de calor usando
tcnicas de flujo de calor pasajero. Se puede
hacer una grfica de flujo de calor de la pared
rocosa hacia el aire en el tiempo. El punto donde
la curva se aplane es cuando el flujo de calor
asume un estado estable.
En la transferencia de calor la humedad es muy
importante, si la roca est muy mojada esta
humedad aumenta la razn de transferencia de
calor al reducir la resistencia a la transferencia de
calor en la interfase y al bajar la temperatura de
bulbo seco del aire. Existen varios mtodos para
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Figura 3. Gradientes geotrmicos promedio devarios distritos mineros del mundo.
calcular la razn del flujo de calor de las rocas:
Goch-Patterson, Carrier, Starfield y Starfield-
Dickson.
En el clculo de la transferencia de calor de la masa rocosa a las obras mineras, con cualquiera de los
mtodos, Goch-Patterson, Carrier o Starfield, estos mtodos no son confiables para todas las condiciones
encontradas en las operaciones mineras subterrneas. No obstante, un ingeniero con experiencia en anlisis de
calor de mina, puede utilizar estas tcnicas para predecir con una buena aproximacin futuras condiciones
ambientales y requerimientos de enfriamiento de mina.
Se necesita ms investigacin para desarrollar una tcnica rpida para medir directamente in situ las razones
de flujo de calor de la pared de la masa rocosa. Estos estudios se deben conducir en condiciones variables de
conductividad trmica de roca, temperatura de roca virgen, temperaturas de bulbo seco y bulbo hmedo de aire
de ventilacin, velocidad de aire y revestimientos de la pared de la masa rocosa.
Agua subterrnea y evaporacin
El agua subterrnea en contacto con la roca circundante puede tener una temperatura igual o cercana a la de la
roca, pero si est en la cercana o en contacto con fuentes geotrmicas, entonces su temperatura ser mayor a
la de la roca circundante (Por ejemplo, en la mina de Naica, Chihuahua la temperatura del agua es de alrededor
de 52C). Como quiera que sea el agua subterrnea es una fuente muy importante de calor en las minas. En
1973, W. Enderlin report en un estudio de siete minas calientes en los Estados Unidos y Canad (Figura 2)
que el agua aportaba todas las fuentes de calor latente y 16% del calor total ganado por el aire.
Por otra parte pueden aadirse grandes cantidades de calor al aire al evaporarse el agua de barrenacin, que se
decanta en reas minadas con relleno hidrulico y el agua que se usa para mojar la roca quebrada en las
voladuras o lavar obras.
El mtodo Starfield para calcular el flujo de calor de la pared de la masa rocosa toma en cuenta la carga de
calor por evaporacin. Aqu no se discute la determinacin por separado de la carga de calor por evaporacin,
debido a su complejidad y a la cuestionable confiabilidad de los mtodos existentes de estimacin. Para fines
de estimacin, en virtud de que gran parte del aire en la mina est saturado o cerca de su saturacin, y si el
agua no est demasiado caliente no se incurre en mucho error si se considera un aumento en la temperatura de
bulbo seco de 0.36C cada 100 metros (0.2F cada 100 pies) sobre la ganancia de calor en una obra minera
seca. Si el agua est muy caliente, un aumento de 3.65C cada 100 metros (2F cada 100 pies) hasta llegar a
un mximo de 43.4C (110F) en la temperatura de bulbo seco es lo suficientemente aproximado. En tneles
muy mojados la temperatura de bulbo hmedo del agua estar todo el tiempo dentro de 2 F (1.1C) de la
temperatura de bulbo seco.
En nuestro pas existen diversas fuentes de calor en las minas subterrneas, tales como: autocompresin del
aire, calor de la masa rocosa, agua subterrnea y evaporacin (las cuales se explicaron en la edicin anterior),
maquinaria y alumbrado, metabolismo humano, oxidacin, coladuras, movimiento de roca y tuberas.
Maquinaria y alumbrado
Para calcular el calor sensible producido por el equipo electromecnico es elemental establecer la cantidad,
ubicacin, potencia total conectada a la mina y el factor de carga de los equipos. Se hace la suposicin de que
toda la carga de la maquinaria en la mina se convierte en calor. Si est bajo consideracin un slo lugar de
trabajo, entonces nada ms la maquinara localizada ah aporta calor. Hay que considerar por separado los
ventiladores, dependiendo de su localizacin con respecto a la zona de enfriamiento de la mina. Si el equipo es
diesel, entonces el clculo de ganancia de calor debe considerar la combustin del combustible, comnmente
se supone que es el 90% del valor calorfico del combustible:
Si cualquiera de la maquinaria estacionaria en una mina (v.gr., un ventilador principal, bomba o compresor) se
puede ubicar en superficie, o si cualquier equipo de una seccin (v.gr., un ventilador) se puede localizar en una
va de salida de aire, entonces se reduce proporcionalmente la ganancia de calor sensible en los lugares de
trabajo. Los ahorros pueden ser sustanciales: Whillier et al. (1969) estim que el aumento en temperatura de
bulbo seco al atravesar un ventilador axial es de 0.8 F/1 pulg. de agua de presin nominal 0.4 F/1 pulg. de
agua al atravesar un ventilador centrfugo.
Toda la energa elctrica del alumbrado se convierte en calor sensible, el cual aunque pequeo, se suma a la
carga de enfriamiento del aire de mina. El calor generado por el sistema central de alumbrado y las lmparas
mineras individuales tambin debe ser considerado.
Metabolismo humano
Los procesos del metabolismo humano producen calor, y como la temperatura del cuerpo normalmente est
arriba de la temperatura de la atmsfera, el calor desechado por el cuerpo fluye hacia el aire. El calor
metablico producido por un hombre trabajando vara de 800 a 2,400 Btu/h. Los trabajadores en condiciones
normales aportan calor, sensible y latente (al evaporarse el sudor) al aire; el ms importante en atmsferas
calientes, hmedas es el calor latente. Si la cantidad de aire de ventilacin es relativamente grande en
proporcin al nmero de personas que ventila, se puede ignorar esa fuente. Por supuesto, en condiciones
apiadas con vas de aire pequeas o en minas con mucha mano de obra, la contribucin de calor corporal
metablico puede ser significativa.
En la figura 4 se muestra la liberacin de calor de un hombre reposando o trabajando contra la temperatura
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efectiva, en la figura 5 se muestra el porcentaje de calor sensible en el calor total liberado (la razn de qr + qc
al total) y el porcentaje de calor latente (la razn de qe al total) a varias temperaturas de bulbo seco.
Figura 4. Variacin en la liberacin de calorcon la temperatura efectiva de una persona enreposo o trabajando.
Figura 5. Proporcin de calor corporalliberado por radiacin y conveccin, y por evaporacin. (Por Carrier, 1950).
Oxidacin Actualmente no hay una manera efectiva de calcular la cantidad de calor producido en los procesos
de oxidacin. En algunas minas metlicas con mineral de sulfuros y en minas de carbn, esto puede ser
significativo y en tales casos, la carga de enfriamiento de mina tiene que estimarse aumentndola en una
cantidad apropiada.
Voladuras Los clculos de la cantidad de calor transferida en las disparadas, donde es posible hacerlo, son
difciles y se deben determinar sobre la base de caso individual. Fenton (1972) demuestra mtodos para hacer
esos clculos.
Movimiento de roca Al igual que con la oxidacin, en este momento no se puede cuantificar con certeza el
calor contribuido por el movimiento de roca; por lo general, no es de consideracin. En las minas que socavan
con mtodos por hundimiento, se debe hacer una consideracin adecuada.
Tuberas Bsicamente se usa la ecuacin de Fourier para superficies curvas para calcular el flujo de calor de
una tubera de agua caliente hacia el aire de un lugar de trabajo o del aire hacia la tubera de agua, slo si la
temperatura del agua es menor que la del lugar de trabajo. Sin embargo, intervienen varios coeficientes de
transferencia de superficie, por lo que es recomendable seguir un procedimiento tomado de una publicacin
especializada en transferencia de calor de tuberas (v.gr., Whillier, 1974). A menos que haya tuberas que
transporten grandes cantidades de agua arriba de 32 C (90 F) o debajo de (16 C) (60 F), la cantidad de
transferencia de calor no es de consideracin.
Resumen de carga de enfriamiento
Para hacer un anlisis real de calor de una mina subterrnea, lo ptimo es hacer simulaciones en un modelo
computarizado de la mina para tomar en cuenta factores como: la naturaleza dinmica de los flujos de aire de la
mina, los cambios diurnos y estacionales en la temperatura del aire entrante, el envejecimiento de las vas de
aire, entre muchos ms.
A diferencia del enfriamiento de un edificio, en donde el aire circula por las mismas reas una y otra vez (con la
adicin de aire fresco del exterior), en una mina el aire por general se usa slo una vez en cada lugar de trabajo
antes de que se mueva al siguiente. Eventualmente el aire debe ser acondicionado otra vez. Por lo tanto, para
determinar donde se necesita enfriamiento en una mina, el procedimiento recomendado es definir las mximas
temperaturas que deben ser alcanzadas, calcular los flujos de calor y los aumentos de temperatura a medida
que el aire se aproxima a la temperatura mxima objetivo.
Ejemplo (Tomado de Mine Ventilation and Air Contitioning).
Se va a abrir una seccin nueva en una mina en operacin a 600 pies (183 m) del tiro de entrada de aire. Se
desarrollar una galera desde el tiro a la nueva rea de trabajo y a instalar una planta de enfriamiento y un
ventilador inyectando. Desarrollarn cuatro rebajes sobre la galera, corriente abajo del ventilador, cada rebaje
necesitar 10,000 pcm y sern de 100 pies (30 m) de largo, localizados en cuatro cuerpos paralelos de mineral
de cuarcita y sern minados por corte y relleno ascendente. El mineral se vaciar a una metalera central y el
aire de cada rebaje se desalojar por un contrapozo circular Robbins en el extremo de cada rebaje. No habr
una carga mecnica significativa de calor, excepto ventiladores en la frente al enfriador, ni las tuberas
contribuirn a la carga de calor. En cada rebaje habr una cuadrilla de tres personas y tendr una pala (scoop
tram) elctrica de 100 hp (75 kW). El tiempo para construir la planta de refrigeracin y preparar los rebajes
ser de 5 meses. Otros datos son Ver tabla 1:
Frente Tipo de roca Caliza
Temperatura de la roca virgen 140 F (60 C)
Conductividad 1.82 Btu/h pie F
Difusividad 0.049 pies2/hDimensiones 10 x 12 pies (3.0 x 3.7 m)
Velocidad de avance 200 pies /mes (61 m/mes)
Temperaturas del aire entrante 75 F bulbo seco (24 C)
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70 F bulbo hmedo (21 C)
Presin baromtrica 30 pulgadas de HgRebajes Tipo de roca Cuarcita
Conductividad 3.15 Btu/h pie F
Difusividad 0.0253 pies2/h
Dimensiones 10 x 10 x 100 pies (3.1 x 3.1 x30.5 m)
Meta de temperatura efectiva 70 F (21 C)Calcule el tamao inicial de la planta de enfriamiento necesitada y la razn de flujo de agua enfriada, que se
suministrara a 40 F (4.4 C) y que se descargar a una temperatura que no exceda de 70 F (21 C). Calcule
la liberacin de calor de la frente en segmentos de 100 pies (30 m).
El volumen de flujo requerido de agua enfriada, entregada a 40 F y calentada a 70 F, es = 126 gpm (8.0 lps)
Este tipo de clculo de carga de enfriamiento siempre es modificado por la experiencia en minas en operacin.
Por ejemplo, la suposicin de un envejecimiento de 2 meses de la roca puede dar una estimacin demasiado
conservadora de la transferencia de calor de la pared rocosa, sera ms realista varios meses ms vieja.
Tambin pudiera ser alta la estimacin de la carga de calor del equipo mecnico, sobre todo si la pala va a
trabajar slo parte del tiempo.
Solucin: Refirindonos a la figura 3.
td1 t t-t1 q/A q t td1
Segmentode frente
Temp.Entr. F
Tiempoabiertomeses
Trminos Goch yPatterson
F Flujo deCalorBtu/hpie2
Flujo deCalor ensegmento
F Temp.DescargaF
0 1 75.0 7 16.60 0.4790 65.0 14.69 64,626 1.5 76.5
1 2 76.5 7 16.60 0.4790 63.5 14.35 63,135 1.5 77.9
2 3 77.9 6 14.22 0.4947 62.1 14.49 63,772 1.5 79.43 4 79.4 6 14.22 0.4947 60.6 14.14 62,226 1.4 80.8
4 5 80.8 5 11.85 0.5145 59.2 14.37 63,222 1.4 82.2
5 6 82.2 5 11.85 0.5145 57.8 14.03 61,727 1.4 83.6a) Flujo de calor de la roca hacia la galera
Como las temperaturas del aire que entra a la galera estn especificadas, el aumento de temperatura debido a
la compresin adiabtica en el tiro no se necesita calcular. Con base en la velocidad de avance de la frente y en
el tiempo necesario para construir la planta de enfriamiento, el ltimo segmento de frente de 200 pies tendr 5
meses de edad al momento de activar la planta; los otros segmentos de 200 pies sern progresivamente 1 mes
ms viejos. Refirindose a la figura 6, calcule el flujo de calor y el cambio de temperatura para cada segmento
de 100 pies de la va de aire:
Interpolando valores en la tabla de Goch y Patterson, obtenemos = 0.4790; entonces
Empleando frmulas psicromtricas o nomogramas a las condiciones del aire entrante, encuentre w y cv,
w = 0.0737 lb/pie3; cv = 0.2465 Btu/lb F
-
La temperatura del aire (t1) 100 pies aguas abajo de la entrada de la frente ser
De manera similar se calculan valores subsecuentes de , , q , A, q y t que aparecen en la tabla 1 Ver tabla 1
El calor especfico y la humedad absoluta permanecern iguales todo el tiempo, porque no se ha aadido o
perdido humedad. De la carta psicomtrica, la temperatura de bulbo hmedo final ser 72.2 F.
b) Ganancia de calor mecnico a travs del ventilador
Si no se tienen las especificaciones de cabeza nominal del ventilador, suponga un aumento de 2 F en la
temperatura de bulbo hmedo y de 4 F en la temperatura de bulbo seco. Por lo tanto, la temperatura del aire
entrando a la serpentina de enfriamiento ser
72.2 + 2 = 74 F bulbo hmedo; 83.6 + 4 = 88 F bulbo seco
c) Carga de enfriamiento de rebajes
Calcule la velocidad de aire en los rebajes:
Usando una meta efectiva de 70F y suponiendo una diferencia entre las temperaturas de bulbo hmedo y
bulbo seco de 2 F a 100 pies/min, de la grfica de temperatura efectiva las temperaturas del aire al salir del
rebaje sern: 76 F bulbo seco y 74 F bulbo hmedo. (Aunque son posibles varias combinaciones de
temperaturas con una diferencia de 2F, con el fin de hacer una estimacin use esta combinacin). Ahora
calcule cul ser la carga de enfriamiento y las temperaturas del aire saliendo del rebaje, suponiendo
temperaturas de aire entrando al rebaje de 60 F bulbo hmedo y bulbo seco.
Flujo de calor de la pared de la masa rocosa:
= 0.7359 (valor interpolado tomado de tabla de Goch y Patterson)
Ganancia de calor por equipo mecnico:
q = 100 x 2,544 = 254,400 Btu/h
Ganancia de calor metablico:
La adicin de calor metablico ser de 820 Btu/h persona
q = 3 x 820 = 2,460 Btu/h
Carga total de enfriamiento:
q = 211,940 + 254,400 + 2460 = 468,800 Btu/h
d) Poder de enfriamiento del aire disponible en los rebajes
Como va a haber una adicin de calor resultante de la evaporacin del agua de los humanos y de agua en el
rebaje, no es aplicable aqu la frmula para calcular la nueva temperatura de bulbo seco. En lugar de eso,
calcule por entalpias:
Aire saliendo (76 F/74 F), h2 = 47.41 Btu/lb
Aire entrando (60 F/60 F) h1 = 39.63 Btu/lb
Densidad del aire w1 = 0.0751 lb/pie3
El poder de enfriamiento disponible del aire en los rebajes se puede encontrar combinando las ecuaciones 15-
10a y 15-11, y aproximando v como 1/w,
Poder de enfriamiento,
q = 60wQ h = 60 (0.0751) (10,000) (47.41 36.93) = 472,230 Btu/h
Como sta es casi igual a la carga de enfriamiento, la temperatura de aire entrando al rebaje requerida es 60
F saturada. Si los 60 F no hubieran producido la cantidad de enfriamiento requerida, se tendra que haber
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usado un procedimiento de prueba y error para encontrar la temperatura necesaria del aire entrando al rebaje.
e) Capacidad de la planta de enfriamiento
En resumen, se necesita que la planta de enfriamiento opere en estas condiciones:
Aire entrante Q = 40,000 pcm td = 88 F, tw = 74 Fpb = 30 pulgadas Hg w = 0.0719 lb/pie3
h = 47.36 Btu/lbAireacondicionado
td = tw = 60 F
h = 36.37 Btu/lbCapacidad de enfriamiento de la planta:
Carga deenfriamiento
q = 60 (0.0719) (40,000) (47.36 36.37) = 1,896,400 Btu/h
Refrigeracin qR = 1,896,400 = 158 tonsEl volumen de flujo requerido de agua enfriada, entregada a 40 F y calentada a 70 F, es = 126 gpm (8.0 lps)
Este tipo de clculo de carga de enfriamiento siempre es modificado por la experiencia en minas en operacin.
Por ejemplo, la suposicin de un envejecimiento de 2 meses de la roca puede dar una estimacin demasiado
conservadora de la transferencia de calor de la pared rocosa, sera ms realista varios meses ms vieja.
Tambin pudiera ser alta la estimacin de la carga de calor del equipo mecnico, sobre todo si la pala va a
trabajar slo parte del tiempo.