Libro de Ventilacion

CONFERENCIAS SOBRE VENTILACIÓN DE MINAS

Lima, días 19 y 20 de Julio de 2007

CONFERENCIAS SOBRE VENTILACION DE MINAS

2 de 152

CAPITULO 1 : TECNOLOGÍA DE LOS VENTILADORES................................... 4

1. INTRODUCCIÓN .........................................................................................................................5 2. VENTILADOR. CLASIFICACIÓN. FUNDAMENTOS..............................................................6

2.1 Definición. Descripción de los parámetros principales de funcionamiento..............................6 2.2 Clasificación de los ventiladores...............................................................................................6 2.3 Comparativa de ventiladores axiales frente a ventilador centrífugos.......................................9 2.4 Tipos de configuraciones de un ventilador..............................................................................10

3. VENTILADORES AXIALES. COMPONENTES......................................................................12 3.1 Perfil aerodinámico del álabe .................................................................................................13 3.2 Número de álabes....................................................................................................................14 3.3 Diámetro del rodete.................................................................................................................15 3.4 Diámetro del cubo...................................................................................................................15 3.5 Velocidad de giro del motor ....................................................................................................15

4. EL VENTILADOR AXIAL Y SUS ACCESORIOS MAS FRECUENTES. ..............................16 4.1 Ventilador................................................................................................................................16 4.2 Accesorios ...............................................................................................................................19

5. CURVA CARACTERÍSTICA DEL VENTILADOR. ................................................................23 5.1 Acoplamiento de ventiladores ................................................................................................24 5.2 Fenómeno de Bombeo .............................................................................................................25 5.3 Trabajo en conjunto de ventilador y del tiro natural ..............................................................32 5.4 Regulación del rodete del ventilador.......................................................................................33

6. MANTENIMIENTO DE LOS VENTILADORES......................................................................36 6.1 Control de vibraciones ............................................................................................................37 6.2 Control de rodamientos...........................................................................................................37 6.3 Inspección del rodete...............................................................................................................38 6.4 Inspección del motor ...............................................................................................................38 6.5 Variador de frecuencia............................................................................................................38

CAPITULO 2 : VENTILACIÓN PRINCIPAL......................................................... 40

1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................41 1.1 La atmósfera de la mina..........................................................................................................41 1.2 Objetivo de la ventilación........................................................................................................42

2. CONCEPTO DE RESISTENCIA AERODINÁMICA................................................................43 2.1 Expresión general de la resistencia de una galería ................................................................44 2.2 Resistencia de galerías (Valores del coeficiente de frotamiento)............................................45 2.3 Galerías con obstáculos ..........................................................................................................46 2.4 Resistencia adicional debida a las tuberías ............................................................................47 2.5 Resistencia de las cintas transportadoras ...............................................................................47 2.6 Resistencias locales.................................................................................................................48

3. PLANIFICACIÓN DE LA VENTILACIÓN...............................................................................49 4. CAMPAÑA DE MEDICIONES. ANALISIS..............................................................................53

4.1 El control de la ventilación en las minas ................................................................................53 4.2 Servicio de ventilación en las minas........................................................................................55

5. CALCULO DE REDES...............................................................................................................68 5.1 Descripción de los métodos de cálculo ...................................................................................68


3 de 152

CAPITULO 3 : VENTILACION SECUNDARIA .................................................... 85

1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................86 2. ELEMENTOS DE UNA INSTALACIÓN DE VENTILACIÓN SECUNDARIA......................87

2.1 Ventiladores ............................................................................................................................87 2.2 Tubería ....................................................................................................................................90 2.3 Filtros......................................................................................................................................91 2.4 Cassetes...................................................................................................................................95

3. SISTEMAS DE VENTILACIÓN ................................................................................................97 3.1 Tipos de sistemas de ventilación .............................................................................................97 3.2 Configuraciones ....................................................................................................................101

4. CRITERIOS DE DEFINICION DE CAUDALES.....................................................................105 4.1 Velocidad mínima..................................................................................................................105 4.2 Dilución de metano ...............................................................................................................105 4.3 Dilución emisiones diesel ......................................................................................................106 4.4 Dilución gases de la voladuras .............................................................................................110

5. PÉRDIDAS DE CARGA DE LA INSTALACIÓN...................................................................113 5.1 Naturaleza de las pérdidas de un circuito de ventilación secundaria...................................113 5.2 Metodología general para el cálculo de pérdidas de carga en una instalación de ventilación secundaria. ..........................................................................................................................................117

6. REGLAS DE ORO DE LA VENTILACIÓN............................................................................125 6.1 Importancia del diámetro en la elección del ventilador........................................................125 6.2 Importancia del uso del variador de frecuencia....................................................................125 6.3 Importancia del nº de juntas de la tubería ............................................................................127

7. DISPOSICION DE LA VENTILACIÓN SECUNDARIA EN EL ENTORNO........................128 7.1 Posición relativa respecto a la ventilación principal............................................................128 7.2 Gálibos máximos ...................................................................................................................128 7.3 Tuberías especiales Oval Lay flat / twin protan....................................................................128 7.4 Instalación de tubería usada .................................................................................................129

8. CONTROL Y SEGUIMIENTO DE LA VENTILACIÓN SECUNDARIA..............................130 8.1 Sistemática de control ...........................................................................................................130 8.2 Medidas de velocidad de aire................................................................................................131

CAPITULO 4 : ACCIONAMIENTO Y CONTROL DEL VENTILADOR ........ 135

1. INTRODUCCION .....................................................................................................................136 2. MOTOR .....................................................................................................................................137 3. PROTECCIONES Y MONITOREO .........................................................................................138

3.1 Sondas de Temperaturas PTC. Termistores ..........................................................................138 3.2 Sondas de Temperaturas PT100. Termorresistores ..............................................................139 3.3 Sensor de vibraciones............................................................................................................139 3.4 Sonda Petermann. Presostato de bombeo .............................................................................140 3.5 Tipos de arranque .................................................................................................................140

4. VARIADORES DE FRECUENCIA..........................................................................................146 5. AHORRO DE ENERGIA ..........................................................................................................149

5.1 Costes de funcionamiento y variador de frecuencia. Ejemplos prácticos y comparativa. ....150


4 de 152

CAPITULO 1 : TECNOLOGÍA DE LOS VENTILADORES


5 de 152

1. 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.


6 de 152

2. 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:

[%]][Pr]/[

][3

ventilador

PaTotalesiónsmCaudalwatiosPotencia

η×

=

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 del ventilador con la resistencia del circuito es el punto de funcionamiento del ventilador. 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 degenerar 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 del


7 de 152

0eje 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 cuyas aspas son radiales, o inclinadas hacia adelante, o inclinadas hacia atrás del sentido de la rotación. No obstante lo explicitado anteriormente, 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:

1. álabes curvados hacia adelante, 2. álabes rectos, 3. álabes inclinados hacia atrás/curvados hacia atrás.

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 caudal-presión.

Ventiladores centrífugos de álabes curvados hacia delante, radiales y atrás.

Los ventiladores centrífugos radiales tienen el rodete con los álabes dispuestas 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


8 de 152

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.

Triángulos de velocidades a la salida para los distintos rodetes centrífugos

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 en circuitos cuya resistencia es muy pequeña. Puede manejar grandes volúmenes de aire a una presión estática baja. 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.


9 de 152

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. 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 un curva característica. Este parámetro es muy importante ya que el coste de la energía es un factor que se tiene muy 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.

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


10 de 152

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, ya que podemos 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. 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, 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 horizontal con salida horizontal. Se aprecia la necesidad de construir un codo para dirigir el


11 de 152

flujo de aire hacia el ventilador, con los inconvenientes que como hemos visto acarrea. 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.

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. En las figuras de la izquierda pueden observarse las dos configuraciones mencionadas. 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 mucha eficiencia, con lo que se realmente se consiguen menos presión. La utilización de estos ventiladores es equivalente al uso de varios ventiladores en serie.

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. 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 intervalo de tiempo (caso de ventiladores de extracción de humos para

emergencias en túneles). En la figura podemos ver un ventilador vertical de construcción robusta para aplicaciones mineras.


12 de 152

3. VENTILADORES AXIALES. COMPONENTES El ventilador, constructivamente, constara principalmente de los siguientes elementos:

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 decelerar el caudal de aire a la salida de la parte activa, con el fin de reducir 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 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

Rodete

Carcasa Rodete Carcasa motor

Directrices

Patas soporte Rejilla

Caja de bornas


13 de 152

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. 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.

(Re)22 φρ ⋅⋅⋅⋅= vlkF Fuerza sobre alabe (1.1)

2

21 vACF DD ⋅⋅⋅⋅= ρ Fuerza de arrastre (1.1)

2

21 vACF LL ⋅⋅⋅⋅= ρ Fuerza de sustentación (1.1)

Donde:

- A, es la superficie del alabe - V, es la velocidad del fluido (aire) - ρ, es la densidad del fluido (aire) - CD y CL, los coeficientes de arrastre y sustentación respectivamente (Función del

número de Reinolds, Re)

Si el ángulo de ataque varia, también lo harán los coeficientes CD y CL así como las fuerzas de sustentación y arrastre. La fuerza de sustentación es la componente útil de la fuerza ejercida sobre el alabe, ya que la componente de arrastre es la perdida de energía de dicha fuerza.


14 de 152

Alabes Curva de 2 ventiladores

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. 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. Para la selección de un rodete se ha de tener en cuenta lo siguiente:

1. Perfil aerodinámico del álabe 2. Número de álabes 3. Diámetro del rodete 4. Diámetro del cubo 5. Velocidad de giro del motor 6. Temperatura máxima del fluido

(aire) que va a movilizar 7. Comprobación de resistencia

mecánica del diseño final 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.


15 de 152

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. 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. 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 r.p.m. a 50Hz) 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:

1

212 u

uQQ ⋅=

21

22

12 uuPP ⋅Δ=Δ

Donde u es la velocidad de rotación.


16 de 152

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. 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. 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. Veremos más adelante una descripción detallada de estos sistemas de regulación. Motor El tipo de motor del ventilador depende de las características del mismo. Algunas características a reseñar son:


17 de 152

- La forma constructiva varía entre B3, B5 y B8 si el ventilador es horizontal, y V1 y

V3 en caso de ventiladores verticales. - Ventiladores antideflagrantes necesitan motores encapsulados. - Si el ventilador es 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.

- En cuanto a los rodamientos del motor, suele exigirse que tengan una vida L10 mayor de 20000 horas

- El motor debe ir preparado para llevar sondas de temperatura si así se requiere. - 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)

- 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.

- En cuanto a la ubicación del motor, si éste puede ir dentro de la parte activa del ventilador, en la carcasa del ventilador o puede ir fuera del mismo, 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, ddonde 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


18 de 152

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:

)()( directoabsobidamotor

eje

cardammotor

ejecardanabsobida P

PPP =>

×=

ηηη

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. 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 cardam en caso de


19 de 152

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. Accesorios Tobera de admisión Se trata de un accesorio que sirve para minimizar la pérdida de carga derivada de la entrada del aire en el ventilador. Salvo en los ventiladores reversibles con dos difusores, la mayoría de los ventiladores llevan acoplado este accesorio 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 accesorio sirve para proteger el rodete de la entrada de elementos no deseados que puedan entorpecer el buen funcionamiento del ventilador. Normalmente se coloca en la zona de aspiración del ventilador, aunque si el ventilador fuese reversible, debería colocarse tanto en aspiración como en impulsión. Soportes antivibratorios

Los soportes antivibratorios son accesorios destinados a reducir la vibración que se produce en los mismos cuando están funcionando. 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 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.


20 de 152

Cabría pensar que entonces cuanto mayor 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:

- El máximo ángulo de apertura del aire es de aproximadamente 7º, por lo que no se debería diseñar un difusor con un ángulo de apertura mayor.

- 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.

- 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 supondrán 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:

- 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.

- 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.

Los dampers son válvulas que consisten de un bastidor donde se acoplan unas lamas horizontales montadas sobre ejes, que son accionados por un actuador, normalmente eléctrico 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 accesorio 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


21 de 152

aire por el ventilador. Es normalmente accionada por un actuador eléctrico, aunque frecuentemente tienen un volante de accionamiento manual para emergencias.

Ventilador de Mina con guillotina, codo y difusor de salida

En la figura se representa una guillotina vertical, en una instalación con codo y difusor vertical. 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 direccione 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.


22 de 152

Codo con chapas deflectoras.

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. Normalmente se fabrica en acero al carbono chorreado con arena de sílice.


23 de 152

Curvas de Rendimiento

Curvas del Ventilador

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.

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

Re = 20

0

QP

(Kμ ) = 20

0 1000Q

P × (μ );

y además: eR

100038.0=ω (m2)

CAUDAL Qo

Po

Qo

Po

Re = 20

0

QP


24 de 152

POR

CE

NT

AJE

DE

PR

ESI

ÓN

EST

ÁT

ICA

O

O

Q1

P1

CAUDAL

Resistencia del sistema

Curva de 2 ventiladores

en serie

QT

PT

Curva de 1 ventilador

PT /2

PT /2

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


25 de 152

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).

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.

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

POR

CE

NT

AJE

DE

PR

ESI

ÓN

EST

ÁT

ICA

O O

100 QT Q2

Q1

PT

CAUDAL Zona de inestabilidad


QT1

PT1


26 de 152

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.

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.

CAUDAL Qo

Po

PRESIÓN Zona inestable del ventilador

Resistencia real

Curva Ventilador

Resistencia estimada

Rreal > Rdiseño

CAUDAL Qo

Po

PRESIÓN

Curva Ventilador

Zona inestable del ventilador

Resistencia estimada

Resistencia real

Rreal < Rdiseño


27 de 152

• 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

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).

Espigas en carcasa rodete Sonda Petermann Presostato de bombeo


28 de 152

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.

Puntos de funcionamiento en el arranque del 2º ventilador

POR

CE

NT

AJE

DE

PRE

SIÓ

NE

STÁ

TIC

A

O O

100

QT(1)

PT(1)

CAUDAL


Curva de 2 ventiladores

QT(2)

PT(2)

Q1(2)

Zona de inestabilidad durante el arranque.

O O

100%

PT(1

CAUDAL

PT(2

Q1(2)


Teórica O

O

100%

PT(1

CAUDAL

PT(2

Q1(2)


Real


29 de 152

Qbombeo

P [P

a]

Q [m³/s]

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.

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.

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.

Q

P [P

a] /

n [r

pm]

t [s]

Q [m

³/s]

P ventilador

n

P bombeo


30 de 152

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.

En el gráfico siguiente se puede observar ausencia de caudal hasta poco después de los30 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.

Q

P [P

a] /

n [r

pm]

t [s]

Q [m

³/s]

P ventilador

n

P bombeo

Arranque simultáneo: Ventilador 1


31 de 152

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.

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.

Q

P [P

a] /

n [r

pm]

t [s]

Q [m

³/s]

P ventilador

n

P bombeo

Arranque simultáneo: Ventilador 2

Q

P [P

a] /

n [r

pm]

t [s]

Q [m

³/s]

P ventilador

n

P bombeo

Arranque diferido: Ventilador 2


32 de 152

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.

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.


33 de 152

POR

CE

NT

AJE

DE

PR

ESI

ÓN

EST

ÁT

ICA

O O

Q1

P1

CAUDAL


Curva trabajo

conjunto

QT

PT

Curva de 1 ventilador

Tiro Natural

PV

Tiro Natural favorable

POR

CE

NT

AJE

DE

PR

ESI

ÓN

EST

ÁT

ICA

O

O

Q1

P1

CAUDAL


Curva trabajo

conjunto

QT

PT

Curva de 1 ventilador Tiro

Natural

PV

Tiro Natural desfavorable

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. 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.

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


34 de 152

cubo

Engrasador

Suspension del álabe

álabe

Eje de acoplamiento

Disco

Tornillos de fijación

Alabe

Escala

Alabe

Cubo

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. 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. 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: En la regulación 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.


35 de 152

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.

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.

Tornillo de regulación

álabes

Escala de referencia

Escotilla de regulación


36 de 152

6. MANTENIMIENTO DE LOS VENTILADORES

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.


37 de 152

• 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 estátor 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.

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 cojinetes y en los motores de accionamiento. 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, la presencia de suciedad en el rotor. Dado el caso se debe realizar una limpieza y reequilibrado. Actualmente se tiende a monitorizar (p. ej., método de medición SPM) y registrar estos los valores, de manera que con un simple análisis periódico de estos valores se puede tener una idea de en que estado está la máquina.

Control de rodamientos Se debe realizar un control de cada uno de los cojinetes con regularidad. Para evitar averías o paradas antes de tiempo, no deben penetrar suciedad, cuerpos extraños ni humedad. Durante el relubricado, 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


38 de 152

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.

Inspección del rodete Si es probable que el los álabes del ventilador sufran 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 y, en casos extremos, en intervalos muy inferiores. Se recomienda tener un segundo rotor destinado a los trabajos de reacondicionamiento alternados.

Inspección del motor Por su naturaleza, los ventiladores son máquinas con un momento de inercia relativamente alto. Esto es especialmente cierto para rotores de gran tamaño con un n° de revoluciones relativamente bajo, es decir un motor de potencia relativamente pequeña y par pequeño. Por ello se debería controlar siempre el tiempo de arranque cuando el n° de revoluciones del ventilador sea menor que el n° de revoluciones del motor. No obstante, a causa de los tiempos de disparo cortos generalizados hoy en día, no se puede evitar frecuentemente el tener que instalar relés para un arranque pesado o para los acoplamientos del arranque.

Variador de frecuencia El convertidor de frecuencia 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. 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


39 de 152

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.


40 de 152

CAPITULO 2 : VENTILACIÓN PRINCIPAL


41 de 152

1. INTRODUCCIÓN 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 presente, 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. La atmósfera de la mina La atmósfera de la mina está formada por aire fresco y aire viciado. El aire fresco proviene del exterior y contiene esencialmente oxigeno y nitrógeno.

El oxigeno (21%) es el gas activo del aire, apto para la vida y la combustión.

El Nitrógeno (79%) es el gas inerte del aire. Incombustible. No tóxico. En gran proporción puede ocasionar la asfixia por falta de oxigeno.

El aire viciado es el que se trata de evacuar de la mina por medio de la ventilación principal. El aire viciado está cargado de:

Gases nocivos

Humos

Vapor de agua

Polvo


42 de 152

Este aire es resultado de:

Las diferentes formas de combustión que existen en el interior de la mina

El uso y manipulación de los explosivos

Polvo generado en los diferentes trabajos que se realizan

Etc 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)

Las malas condiciones del circuito de ventilación: Longitud, sección, irregularidades.

La mala utilización de las puertas de ventilación

La presencia de cantidades anormales de gases nocivos

Humedad del aire

No respetar los reglamentos y consignas establecidas

Para obtener una corriente de aire se precisan: Entrada de aire, salida de aire y una diferencia de presión. La corriente de aire va hacia donde la presión es menor.


43 de 152

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 γ 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:

Zg2

VpX2

⋅+⋅+= γγ (Kg/m2 o mm.c.a.)

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

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+⋅+−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+⋅+=−= 2

22

21

21

121 Zg2

VpZ

g2V

pXXX γγγγΔ

Se define la resistencia R de esta labor minera (galería, pozo, taller, etc.) por la expresión

)murgues(Q

X10Rbieno)skilomurgue(Q

XR 2

3

2

ΔΔ== 1

Si en lugar de Q consideramos este mismo caudal referido a condiciones de 15°C y 760 mmc.Hg, para el cual γo = 1,226, tendremos el llamado caudal normal Qo, a partir del cual

se define la resistencia normal como 2o

o QXR Δ

=

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 γo = 1,226 kg/m3 Se cumple que:

2os

o2s

o

o

s

o

os

2

oo

o

o

QRXyQRX;RR

;RR;

RR;

QQ

γγ

ΔγγΔ

γγ

γγ

γγ

γγ

====⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

1 1 Kilomurgue (1Kμ) = 1 Weis bach (Wb); 1 murgue (1μ) = 1 miliWeis bach (mWb)


44 de 152

Expresión general de la resistencia de una galería La fórmula general de la resistencia de una galería es:

226,1si;S

LP74,12S

LPg8

10R o33

3

=⋅⋅⋅

=⋅⋅⋅

= γγλγλ 3s SLP6,15R ⋅⋅

=λ

donde:

g es la aceleración de la gravedad (9.81 m/s) λ es el coeficiente de frotamiento

γ es la masa volúmica del fluido (Kg/m3), aproximadamente: sT

P462,0=γ (mm

Hg/ºKelvin)

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:

∑ ∑ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅⋅⋅== 3

i

iiiii S

LP74,12RR

γλ

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

SP282,0

S2P

==π

ϕ

En función del cual la resistencia viene dada por: 5,2SL45R ϕλγ= y

5,2s SL55R ϕλ=

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:


45 de 152

ES

L55R 5,2s ×= ϕλ

Los valores de λ pueden obtenerse en las tablas y ábacos de las hojas que siguen. Resistencia de galerías (Valores del coeficiente de frotamiento) El coeficiente de frotamiento de una galería se obtiene por la expresión:

sp 3,07,0 λλλ += donde: λp = coeficiente de frotamiento de las paredes λs = coeficiente de frotamiento del suelo

ROCA DESNUDA λp Pared bien recortada 0,058 Pared media 0,084 Pared irregular 0,108 GALERÍAS BULONADAS λp Pared bien recortada 0,058 Pared media 0,084 Pared irregular 0,108 Pared con tela metálica 0,130 GALERÍAS REVESTIDAS λp Hormigón liso 0,022

Buen estado 0,025 Estado medio 0,030 Albañilería Irregular 0,040

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

( )210

Slog25,075,0 +=

λλ

Ejemplo: Para S = 15 m2 ⇒ λ15 = 0,9 λ10 Para S = 5 m2 ⇒ λ5 = 1,15 λ10


46 de 152

NOTA:

La expresión completa es

2

10

10

ESlog276,1

E

Slog276,1

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

+

+=

π

πλλ

Para E = 0 (galería lisa) ⇒ λ = λ10

Para E = 0,15 (galería con entibación) ⇒ ( )2

10

Slog25,075,0 +=

λλ

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 λp se obtendría por la expresión:

321

33p22p11pp lll

lll++

++=

λλλλ

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:

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++=+++=

g

n

2

1gn1g R

R....

RR

1RR....RRR ( )ngR ππ +++ ....1 1 ERg ×=

Llamaremos coeficiente E coeficiente de obstáculos y al término π1 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.


47 de 152

Casos singulares.

Resistencia adicional debida a las tuberías

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛⋅⋅

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=

×=

∑

∑ PP

1SS

SE

ERR

kk3

kk

kg

λλ

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 λk λk = 0,025 para las tuberías de ventilación secundaria. λk = 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 (λ = 0,1, ϕ = 1,15):

055,0si,Sdk4,0

Sdk4,21E

025,0si,Sdk2,0

Sdk4,21E

k

2

k

k

2

k

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+=

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+=

∑ ∑

∑ ∑

λ

λ

El valor medio es:

∑ ∑ ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+=

Sdk3,0

Sdk4,21E

2

k

FORMULA SIMPLIFICADA De forma simplificada puede tomarse: ( ) ( )∑=∑+= kkkk d15,0d15,01E π 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’


48 de 152

Figura ilustrativa de las secciones.

La resistencia complementaria Rc debida a dos cintas existentes en una galería se obtiene por la expresión:

g

3

2

2

1

1c R

sSS

mmR ×⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

−×+=

∑

ξξ

Si sólo existiese una cinta m2 = 1; y ξ2 = 1. El coeficiente de obstáculos es:

3

21

21c sS

Smm

E ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−×=

∑

ξξ

Valores de m: Cinta colocada sobre el suelo m = 1,08. Cinta suspendida m = 1,16. Valor de ξ: En su cálculo interviene el coeficiente de frotamiento λc del aire contra la estructura del transportador. Se tomará λc = 0,21.

VALORES NORMALES DE Ec (S = 10 m2 cinta de 1,2 ×1,2)) Cintas en posición lateral 1,8 Cintas en posición lateral 2,2 Cintas en posición central 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 ΔX = R Q2.


49 de 152

3. 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: VARIABLES:

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.

El próximo paso es trabajar con los “diseñadores” planificadores y asignar un caudal de aire considerando el calor, emisión de gas, legislación... Fijar áreas de producción:

Equipamiento en uso en cada área

Dimensiones y esquema de acceso y rutas de transporte Areas de desarrollo (preparación) fijadas

Equipos en uso en cada área

Dimensión y esquema de acceso y rutas de transporte


50 de 152

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 Areas 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: Ventiladores

Caudal Presión total

Potencia requerida

Capacidad de repuestos “in situ”

Condición mecánica

Coste de mantenimiento (preventivo y avería)

Repuestos disponibles

Circuito de aire


51 de 152

Aire utilizado efectivamente Aire no utilizado efectivamente

Control sobre las infraestructura de ventilación

Ventiladores propulsores (Booster fan) (condiciones y situación)

Areas de problemas

Entrada y Salida de Aire

Dimensiones físicas Equipamiento en el pozo

Caudal de aire en cada sección

Pérdidas de carga entre secciones

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. 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 el caudal necesario que nos tiene que movilizar el ventilador principal. 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 coca 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.


52 de 152

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 el menor área posible de contacto entre aire y la roca. El valor calorífico del combustible en las máquinas Diesel es aproximadamente 3 veces más eficaz. 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. 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.


53 de 152

4. CAMPAÑA DE MEDICIONES. ANALISIS 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. 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.


54 de 152

Inexactitud en el cómputo del tiempo de las mediciones. Medición inexacta de la superficie transversal de la galería de ventilación.

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 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


55 de 152

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.

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. Medición De Caudales 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


56 de 152

Mediante sondas de medida de la presión dinámica Pd, obteniéndose V indirectamente a través de la expresión:

γg2P

V d ⋅=

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 γ = 1,2 kg/m3). V (m/s) 1 5 8 10 15 20 30 Pd (mm.c.a.) 0,06 1,45 3,84 6 13,77 24 54

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. 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, con transmisión mecánica a un cuenta vueltas. Molinete, con contador de impulsos al cortar el haz de luz de un fotodiodo.

Termistancia, o hilo caliente.

Vórtice.

En las hojas que siguen, se acompañan las fichas de algunos modelos comerciales.


57 de 152

ANEMÓMETRO PORTÁTIL

Marca: Schiltknecht Distribuidor en España:

- Mantenimiento & Ingeniería Electrónica, S.A. (MIESA)

Tipo: MiniAir2 Dimensiones: - 80 X 145 X 39 mm

Dimensiones probetas de velocidad: - Probeta micro: 165 mm de largo, 11 X 15 mm de cabeza - Probeta mini: 175 mm de largo, 22 X 28 mm de cabeza - Probeta macro: 225 mm de largo, 80 X 70 mm de cabeza

Dimensiones probeta de temperatura: - 180 mm de largo, 3 X 100 mm de cabeza

Medida: Flujo (m/s) Temperatura (ºC)

Rango de medida de velocidad: - Probeta micro: 0,5 – 20 m/s __ 0,7 – 40 m/s - Probeta mini: 0,3 – 20 m/s __ 0,5 – 40 m/s - Probeta macro: 0,15 – 20 m/s __ 0,3 – 40 m/s

Rango de medida de temperatura: - -20 – 140ºC

Lectura: - Display LCD digital

Precisión de lecturas: - Probeta micro: +/- 1% __ +/- 3,0 % - Probeta mini: +/- 0,5% __ +/- 1,5 % - Probeta macro: +/- 0,5% __ +/- 1,5 % - Probeta temperatura: entre 0 y 70ºC, +/- 0,2ºC; por encima +/- 0,5ºC

Temperatura de trabajo - - 20 – 140 ºC

Características Alimentación: - Pila de 9 voltios - Alimentador externo

Certificado Ex: EEx ia I Certificado EX: EEx ia IIC T6


58 de 152


Marca: Lambrecht Distribuidor en España:

- Martín Marten

Tipo: 1406a Dimensiones: - Caja: 153 X 135 X 93 mm - Anemómetro: 109 mm φ, 60 mm de espesor

Medida: Flujo (m/s)

Rango de medida de velocidad: - 0 – 20 m/s

Valor de arranque: - 0,2 m/s

Lectura: - Con mecanismo contador

Precisión de lecturas: - +/- 2% fondo de escala

Temperatura de trabajo - - 30 – 100ºC

Características Certificado de garantía de calidad ISO 9001


59 de 152


Marca: Lambrecht Distribuidor en España:

- Martín Marten

Tipo: 1443 Dimensiones: - 109 mm φ, 60 mm de espesor

Medida: Flujo (m/s)

Rango de medida de velocidad (ajustable): - 0 – 5 m/s - 0 – 10 m/s - 0 – 15 m/s - 0 – 20 m/s

Valor de arranque: - 0,5 m/s

Lectura: - Indicador analógico


Temperatura de trabajo - - 30 – 80ºC

Características Con protección antigrisú Con seguridad intrínseca (Sch),i (Certificado extendido por la B.V.D.D.) (Corp Minera Alemana)


60 de 152

ANEMÓMETRO FIJO

Marca: Trolex Distribuidor en España:

- Mantenimiento & Ingeniería Electrónica, S.A. (MIESA)

Tipo: TX5921; TX5922 Dimensiones: - Longitud variable - Espesor: 40 mm

Medida: Flujo (m/s)

Rango de medida de velocidad (ajustable): - 0,5 – 30 m/s

Lectura: - TX5921: Indicador digital con localización posterior - TX5922: Indicador digital con localización delantera


Temperatura de trabajo - Componentes electrónicos: 0 – 50 ºC - Cabeza sensora: - 20 – 150 ºC

Características Alimentación: - 12V dc (nominal)

Protección: IP66 Certificado Ex: Eex ia I


61 de 152

ANEMÓMETRO FIJO

Marca: Davis Derby Distribuidor en España:

- Ingeniería Mecánica y Minera, S.A. (IMMSA)

Tipo: TX1321 Dimensiones: - Longitud: 230 mm - Espesor: 40 mm

Medida: Flujo (m/s)

Rango de medida de velocidad (ajustable): - 0,5 – 5 m/s - 0,5 – 25 m/s

Lectura: - Salida 0,4 – 2 V dc


Temperatura de trabajo - - 10 – 40 ºC

Características Alimentación: - 12V dc (nominal)

Certificado IS: HSE (M) 8670017 Grupo 1 Aceptación BC: 1941 Seguridad intrínseca: EN 50 020

Sondas de medida Como sondas de medida tenemos los tubos de Pitot y antenas de Prandtl. Para efectuar la media de la velocidad, es preciso combinar una sonda de presión total, con otra de presión estática, y ambos a un manómetro o a un convertidor de señal, capaz de transformar la señal de presión en otra eléctrica.

g2Vp

g2Vpp

22

d γγ =−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=


62 de 152

Medida de la velocidad del aire con tubo de Pitot

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

Tubo de Pitot.

Si el conducto está en sobrepresión, p es positivo, y si está en depresión, p es negativo. Los convergentes se utilizan cuando tenemos un cambio de sección en la tubería, se cumple que paQ = , donde a es una constante a determinar que depende de la forma del convergente. 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.


63 de 152

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

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, o en forma simplificada: Vm = 0.07*V4 + 0.3* (V3 + V2 + V1) donde: V4 = Velocidad media en el centro de la galería. V3 = Velocidad media a una distancia del extremo 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:

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

vVp

Vi

Vi

Vi

Vi

24 p

i

m

VV

V+

Σ

=


64 de 152

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.

Sección de geometría trapezoidal.

H2

BBS 21 ⋅+

=

Si la galería está sostenida con un cuadro metálico 2UA, el valor aproximado de la sección es:

HB83,0S ××=

Sección con cuadro metálico 2UA.

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


65 de 152

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. 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.

Esquema de funcionamiento de un perfilómetro.

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.


66 de 152

( )hbSS galeríaútil ⋅−=

Galería con cinta transportadora que dificulta el paso de aire.

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


67 de 152

metros y se introduce un coeficiente c = 1,14 que tiene en cuenta la obstrucción del operador en galería. 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:

S4,0Sc −

=

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:

CVSQ med ⋅⋅=


68 de 152

5. 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. 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.


69 de 152

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

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

Cálculo de las resistencias El valor de la resistencia de una labor, en murgues, viene dado por la expresión:

33

3 6,151042 S

LPSLP

gR ⋅

⋅⋅=⋅⋅⋅

⋅⋅

⋅= λγλ (1)

Donde:

R es la resistencia en el sistema internacional (Kg m-3 s2) o en murgues. λ 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 γ es el peso específico, en Kg/m3.

Ejemplo


70 de 152

En el caso, de la mina de la figura, y supuesto que los valores de las resistencias se han determinado y valen, en murgues: R1 = 50μ R2 = 9,06 μ R3 = 1,24μ R4 = 36μ R5 = 10μ R6 = 6μ R7 = 2μ R8 = 16μ R9 = 24μ R10 = 25μ R11 = 49μ R12 = 3,175μ R13 = 8,195μ R14 = 23,376μ.

Res

iste

ncia

mur

gues

R10

0

μ/m

Lon

gitu

d

L (m

)

Perí

met

ro

P(m

)

Secc

ión

S (m

2)

Coe

ficie

nte

de

frot

amie

nto

λ

Sost

enim

ient

o (in

clus

o di

bujo

de

la se

cció

n re

cta)

Lab

or

Res

iste

ncia

s ag

rupa

das

Has

ta

Des

de

Cál

culo

de

las R

esis

tenc

ias E

spec

ífica

s

Ram

al n

º

Cálculo de las resistencias específicas

∑ ++= 321 RRRR


71 de 152

COMPOSICIÓN DE RESISTENCIAS ESQUEMA RESULTANTE Valor

Resistencias de partida o resultante

Valor resistencia con la que se

calcula

Forma de composición 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 =ángulo-estrella

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:

233

sm

Pa 1081murgues 81

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅== −

eR

y el orificio equivalente:

2e m335,11000R38,0W ==

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:

2e Q1000

RX =Δ

HX =Δ


72 de 152

donde: ΔX 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.

La ecuación 2e Q1000

RX =Δ (en unidades del Sistema Internacional), conocida como

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. 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 + γ V2/2g + γZ, donde p = presión estática, es decir, presión a la que está sometida un objeto que se mueve con la corriente de aire; γ V2/2g = presión dinámica, y γZ presión por altitud. En tal caso: X = (p1 + γ V2

1/2g + γZ) - (p2 + γ V22/2g + γZ2)

Además, al ser el aire un fluido viscoso, se cumple que siendo Tf el trabajo de las fuerzas de frotamiento. Se

demuestra que: 2

3

of Q

SPL6,15dT

γγ

λγ

=∫ .


73 de 152

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 ΔX = Re Q2 = (R1 + R2 + ······+Rn)Q2

Tramos en paralelo

2

e2nn

222

211 QRQRQRQRX =⋅⋅⋅⋅⋅⋅===Δ

De donde QRR

Qi

ei =

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:

1000100010003

13233

2

32122

1

21311 ⋅

−=⋅

−=⋅

−= −−−−−−

RXXQ

RXXQ

RXXQ

En el ejemplo de nuestro caso, se tiene:


74 de 152

Tramo Resistencia (murgues) Caudal (m3/s) Pérdida de carga (RQ2)

Presión en los nudos (mmca)

1 R1 12 7,2 Anterior Posterior

Atmósfera=00 7,2

14 R14 = 23,376 12 2,88 Anterior Posterior

-8,298-11,664

15 R15 = 4,685 12 0,674 Anterior Posterior

-7,2-7,875

16+12 = 9 6,856 0,423 Anterior Posterior

-7,875-8,298

17+13 = 16 5,142 0,423 Anterior Posterior

-7,875-8,298

12 R12 = 3,175 6,856 0,149 Anterior Posterior

-8,149-8,298


-8,081-8,298


-7,875-8,149


-7,875-8,081

10 R10 = 25 6,161 0,949 Anterior Posterior

-7,2-8,149

11 R11 = 49 - 1,178 0,068 Anterior Posterior

-8,149-8,081

2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9

Re = 36 4,947 0,881 Anterior Posterior

-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 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.


75 de 152

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. 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%.


76 de 152

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 ΔX = 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.


77 de 152

En tal caso el problema ha de resolverse recurriendo a la teoría de las redes de mallas, de la que se pueden resumir las siguientes conclusiones prácticas:

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.

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 Kirchoff de la ventilación:

Ecuaciones de los ramales:


78 de 152

- Para los ramales activos: ΔXi = Ri · Qi

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

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


79 de 152

Resolución en el ordenador

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 Similation Software”, de CMS Software,

Programa VentPC, de Mine Ventilation Service, Inc.

Programa Ventila, de Sadim Son programas desarrollados específicamente para ordenadores que trabajen bajo el entorno Windows.

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 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.

Pueden tener en cuenta los efectos de la ventilación 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.

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:


80 de 152

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 están bañados por

ventilación principal. Estas labores formarán parte de un estudio de ventilación secundaria.

Se deben tener en cuenta las labores abandonadas y medir en ellas las posibles

fugas de caudal.

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...)

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

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


81 de 152

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. 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 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. Datos de salida La tarea fundamental de Ingeniero de la mina o del especialista de ventilación es el análisis y escrutinio de los resultados del cálculo. Para cada rama los datos principales obtenidos son:


82 de 152

El caudal, expresado en m3/s.

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

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. Ampliación del concepto de orificio equivalente al caso de una mina con varias entradas y varias salidas 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: Si teníamos:

2QXR Δ

= ,

se puede convertir en:

)s/mKgenpotenciaW(QW

QXQR 33 ×==

⋅=

Δ

Igualmente

)m(W

Q38,0 223

=ω

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

∑∑ == i rij ej QQQ = caudal entrante o saliente.


83 de 152

( )∑ ∑ ⋅=⋅= 3

kkkk QRXQW Δ = potencia aeráulica consumida en todas las ramas del circuito.

entonces ( )

3

3kk

QQR

R ∑ ⋅

Ahora bien ( ) ( )∑∑ ⋅=⋅= VV3kk QHQRW

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

( )( )3v

vv

QHQ

R∑

∑ ⋅=

Qv: es la fracción del caudal Q que pasa por los ventiladores (normalmente Qv = Q), recuérdese que R38,0=ω (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. Supongamos una red como la de la figura:

En esta red, conocemos Q1,Q2, Q3..., e igualmente R1, R2, R3...


84 de 152

Se cumple que ∑ =−i vii 0HQR 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

Anterior

NUDO Posterior

Resistencia R Caudal previsto Q H=RQ2

∑H


85 de 152

CAPITULO 3 : VENTILACION SECUNDARIA


86 de 152

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.


87 de 152

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: 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.


88 de 152

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.


89 de 152

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


90 de 152

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. 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.


91 de 152

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 en España se instalan de acuerdo con las exigencias de la ASM-52, que establece en su apartado 4.1.2.-Prescripciones adicionales para avances mecanizados, que: las labores de avance mecanizado dispondrán de un captador de polvo. El extremo de la tubería de aspiración del captador estará situado a una distancia máxima del frente de 2 metros.


92 de 152

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


93 de 152

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


94 de 152

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.


95 de 152

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: - 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.


96 de 152

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.

A

H

LøD

Gijo n − Ast ur ias (Es pana ) − Apdo. 40 4Tlf s. 34( 9) 8− 51 6 8 1 32 / 5 16 81 18Fa x − 3 4( 9) 8− 516 80 47

SER IE

ød1

ød2


97 de 152

3. SISTEMAS DE VENTILACIÓN 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.

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


98 de 152

sistema aspirante. En frentes grisuosos, esta corriente causa una mezcla turbulenta con el grisú y evita la estratificación de éste.

• 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. Características de la ventilación aspirante.


99 de 152

• 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.


100 de 152

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.


101 de 152

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.

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.

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.

1 2 3t

+ + +-

1 2 3t

+ + +-


102 de 152

PPSSTT ++

tubería tubería

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.

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.

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 limpio de una instalación anterior, dicha instalación deberá entregar un caudal ligeramente


103 de 152

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.

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 peligrosas. A priori, esta idea tiene interesantes posibilidades, pero debe analizarse su

Distancia

Conexión a tubería Conexión a ventilador

Varilla

tuerca tuerca

separador


104 de 152

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.


105 de 152

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:

• 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 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 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.


106 de 152

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. 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 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 si no se tiene claro el coeficiente de simultaneidad de las máquinas que están trabajando en cada frente de trabajo.


107 de 152

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 incomplete 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”, pero no están teniendo 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 μ 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

Valor inferior [g/HP-h]

Valor superior [g/HP-h]

Equipos modernos de Inyección Directa 0.1 0.4 Equipos Inyección Indirecta 0.3 0.5 Equipos Viejos de Inyección directa 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 más próximos al valor inferior mientras que en caso contrario se aproximará al otro extremo del rango.


108 de 152

La contribución de partículas de emisiones Diesel (g/min) vendrá dada por la expresión:

]min

[4801

100[%]100

100[%]100][8]/[][ ]min/[ relevoEFEC

relevohrhHPgEDHPPDgCED ×⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

××−×= do

nde: CED: Contribución de Partículas (DPM) en las emisiones de vehículos Diesel ]min/[g PD: Potencia del vehículo diesel ][HP ED: Emisión de partículas diesel (DPM) ]/[ hHPg − 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:

( ) ( )[ ] ]min[601min]/[]/[2.1]/[10]/[]/[

163/

3/ s

gCEDTCratioDPMggmgLímitesmQ TCECTCEC ××××=−− μμ

Como referencia, el límite provisional de exposición a partículas Diesel usado es 400TC μ g/m3 (Recomendaciones de NIOSH y que MSHA está siguiendo), vigente pero que a partir de Mayo del 2008 pasará a ser de 160TCμ g/m3. Para muchas minas, el límite de 400TC μ 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 160TCμ g/m3 supondrá además de estas medidas un incremento del caudal 3 o 4 veces superior al actual.

Filtro de partículas


109 de 152

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

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9[g/hp-hr] [g/hp-hr] [g/hp-hr] [g/hp-hr] [g/hp-hr] [g/hp-hr] [g/hp-hr] [g/hp-hr] [g/hp-hr]

AQ400TC (m³/s/CV) 0.0067 0.0133 0.0200 0.0266 0.0333 0.0400 0.0466 0.0533 0.0599AQ160TC (m³/s/CV) 0.0167 0.0333 0.0500 0.0666 0.0833 0.0999 0.1166 0.1332 0.1499

Para el límite de 400TC μ 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.


110 de 152

Para el límite de partículas 160TC μ 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. 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.

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

ADFMKL

A ×××

= , donde:

L = Longitud del tapón de humos [m]


111 de 152

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 [kg/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)

Volumen de gas producido /kg de explosivo (m3)

CO 0.0163 1.25 0.01304 CO2 0.1639 1.977 0.082903 NO2 0.0035 1.36 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.

610××

=túneldeVolumen

ExplosivosVG GASTUNEL , 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:

][

][)(][3

2

smaportadoairedeCaudal

mtapónLongitudtunelLongitudmtúneldeAreatmezcla−×

=

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 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:


112 de 152

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛=

[ppm][ppm]ln

][

][][ 3

3

ADMISIBLE

TUNELdilución G

G

smaportadoairedeCaudal

mtúneldeVolumenst

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)


113 de 152

5. 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 particulas del fluido. Estas pérdidas se calculan a partir de la fórmula general de Darcy-Weisbach, que expresada en términos de presión, tiene la forma siguiente:

2·Du · ρ · L · λP

H

2

f =Δ (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:

2u ρ· · P

2

sin ξ=Δ (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.


114 de 152

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

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

• Estrechamiento de la sección

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

En este 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.

2

1

AA

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

ζ 1 0.7 0.4 0.2 01 0

2

1

AA

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

ζ 0.6 0.45 0.3 0.2 0.1 0

Drm 0.5 1 2 4 8 α = 90 ζ90 1.2 0.4 0.25 0.15 0.15

α ≠ 90 ζ = ζ90 · α / 90º


115 de 152

• Codos formados por segmentos rectos

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

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 = A2 = A3 ; α = 45 ; ζ = 0.5

Drm 0.5 1 2

ζ3seg 1.3 0.5 0.25 (30º / seg.) α = 90

ζ5seg 1.1 0.4 0.2 (18º / seg.) α ≠ 90 ζ = ζ90 · α / 90º

2

1

QQ

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

α = 90 ζ12 ζ13

1 0.1

0.9 0.1

0.9 0.1

1 0.1

1.1 0.2

1.3 0.4

α = 45 ζ12 ζ13

0.9 0.1

0.7 0.1

0.5 0.1

0.3 0.1

0.3 0.2

0.3 0.4

α 10 30 45 60 90 A1= 2· A2 ζ 0.1 0.3 0.7 1 1.4


116 de 152

• Juntas de caudal (tuberías aspirantes)

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:

100·talseccion to

netaseccion a'=

En función de este factor se proponen los valores de ζ dados en la siguiente tabla: Las rejillas usualmente usadas para protección de las instalaciones en ventilación secundaria suelen tener un 90% o más de factor a’, por lo que son frecuentes factores de 0.5 o inferiores. 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).

2

1

QQ

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

α = 90 ζ12 ζ13

-1.2 0.1

-0.4 0.2

0.1 0.3

0.5 0.4

0.7 0.5

0.9 0.6

α = 45 ζ12 ζ13

-0.9 0.1

-0.4 0.2

0 0.2

0.2 0.1

0.4 -0.2

0.4 -0.6

a’ (%) 30 40 60 80 90 95 ζ 8 4 2 1 0.5 0.2


117 de 152

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:

2u ρ· P

2

din =Δ (3)

donde todos los parámetros ya han sido definidos. Metodología general para el cálculo de pérdidas de carga en una instalación de ventilación secundaria. 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


118 de 152

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:

6r 10· 1

A *fζ+

=

Normalmente se expresa en mm2 de fugas por m2 de tubería [mm2/m2].

Factor de fricción → Superficie de fuga activa ↓

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

f* = 5 mm2/m2 Clase 0

Clase S-0 Excelente

Clase A-0 Clase B-0 Clase C-0 Clase D-0


Clase S-1 Clase A-1 Muy buena

Clase B-1 Clase C-1 Clase D-1


Clase S-2 Clase A-2 Clase B-2 Buena

Clase C-2 Clase D-2


Clase S-3 Clase A-3 Clase B-3 Clase C-3 Normal

Clase D-3


Clase S-4 Clase A-4 Clase B-4 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.


119 de 152

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]


120 de 152

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]

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 .

0P)P - (P P orificio0fuera-dentro =Δ−=Δ

0orificio PP - P =Δ

2 vρ·

2 v· ρ - P

22

=ξ

( )ξ 1 ρP · 2 v+

= (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:

fugado caudal m =Δ

) ρ·(12·p·x)·A·D·( · ρ m r ξ

π+

Δ=Δ

) ρ·(12·p·x)·A·D·( · ρ u ·

4·D ρ r

2

ξππ

+Δ=Δ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ρ2·p·

10*f · x)·D·( u ·

4·D 6

2

Δ=Δ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ππ

ρ2·p·

10 · D *f · 4

xu 6 ⎟⎠

⎞⎜⎝⎛=

ΔΔ (5)

Si escribimos la ecuación de Darcy-Weisbach (1) de acuerdo a nuestro elemento diferencial de tubería, tenemos que:


121 de 152

2·Du · ρ · λ

xP

H

2

=ΔΔ (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:

xρ

2·p·10

D · · *f Q 6 Δ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=Δ

π (7)

x··D Q · ρ λ · 8 P 52

2

Δ=Δπ

(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 0(x) P p =

xρ

2·p·

10 D · · *f Q (x)

6 Δ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=Δ

π

QQ Q (x)1)(x Δ+=+


122 de 152

x··D

Q · ρ λ · 8 P 52

21)(x Δ=Δ +

π

)singular(x(x)1)(x P P P p Δ+Δ+=+ 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:

·1000 ηQ · P Potencia =

donde P es la presión total del sistema [Pa] Q es el caudal obtenido en el ventilador [m3/s]


123 de 152

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.

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

1.000,00

800 900 1 000 1 100 1 200 1 300 1 400 1 500 1 600

Diámetro de tubería (mm)

Pot

enci

a (k

W)

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.


124 de 152

0

50

100

150

200

250

800 900 1 000 1 100 1 200 1 300 1 400

Diámetro de tubería (mm)

Pot

enci

a (k

W)

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.


125 de 152

6. 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. 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.


126 de 152

velocidad Potencia[%] [%]0 0

10 0.120 0.830 2.740 6.450 12.560 21.670 34.380 51.290 72.9

100 100

Potencia Absorbida =

motorventilador

PQηη ××

×1000

00 (KW)

Suponemos que la velocidad nominal del motor es n0. Analizaremos la repercusión de utilizar el ventilador a otra velocidad n1, tal que: 01 nn ≠ La relación de las presiones y de los caudales respecto a la variación de velocidad es:

0

2

0

11 P

nn

P ×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

00

11 Q

nn

Q ×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Potencia aeráulica = 11 PQ × (W) = 1000

00

3

0

1 PQnn ×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Potencia en el eje (1) = ventilador

PQnn

η××

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛1000

003

0

1 = 3

0

1⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛nn Potencia en el eje (0)

Potencia Absorbida (1) = motorventilador

PQnn

ηη ×××

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛1000

003

0

1 = 3

0

1⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛nn Potencia Absorbida (0)

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%.

Potencia [%] vs Velocidad [%]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

velocidad [%]

Pote

ncia

[%]


127 de 152

-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. 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. Importancia del nº 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.


128 de 152

7. 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 es 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. 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. Tuberías especiales Oval Lay flat / twin protan 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.


129 de 152

La solución de utilizar tubería ovalada, ha de estudiarse muy bién 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.

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.


130 de 152

8. CONTROL Y SEGUIMIENTO DE LA VENTILACIÓN SECUNDARIA Sistemática de control Cuando un túnel o una galería se construyen, el conducto de ventilación se irá deteriorando, y por tanto la presión en la tubería aumentará implicando además un incremento en caudal de fugas, agudizándose este hecho si los pequeños rasgones que se hayan producido en la tubería aumentan de tamaño con el incremento de presión. 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 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. 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.


131 de 152

He

He

He He Hd Hd

He - Hd

He - Hd

Hacia el Ventilador Generador de la Depresión

Q

• Análisis del caudal en el ventilador frente al caudal aportado por la ventilación principal.

Medidas de velocidad de aire La velocidad del aire puede medirse en las galerías o directamente en las tuberías de ventilación secundaria. Es la propiedad física dinámica medida más frecuentemente. Esto se debe a que la velocidad del aire es de vital importancia en el cálculo del caudal de aire, la potencia del ventilador necesaria y rendimientos del ventilador; factores principales en el control de la ventilación. Los aparatos a utilizar son los descritos en el capítulo V del presente manual. A continuación vamos a explicar más detalladamente 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: El tubo debe disponer de un brazo de alineación para su colocación, dos gomas de conexión de longitud mínima 2 m, y cuyo diámetro sea apropiado para las tomas de presión estática y presión total del tubo (estas gomas no deben de ser, en ningún caso, de caucho). Conectado a las gomas podemos utilizar un barómetro, un tubo inclinado o, con más fiabilidad y comodidad, un micromanómetro digital. Este micromanómetro nos permite elegir entre varias escalas de medida, entre el rango de 0 a 20 y el de 0 a 200 milibares, con un error de + 0,5 %. Se definirán los puntos donde se procederá a medir con el tubo de Pitot en función de la magnitud o característica a determinar. Si se trata de obtener la velocidad de aire en una galería dada, se medirá en un punto de la conducción de la ventilación, procurando que se trate de un tramo recto de 20 m de longitud aproximadamente. En el punto seleccionado se practica un orificio en el conducto, con la barrena o punzón.


132 de 152

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. Para calcular la distancia a la que se encuentran estos puntos, se utilizarán las siguientes fórmulas:

23RS c ⋅= π

3S

S cm =

πm

iiSRR −= +

21

2RR

r 1iii

−+=

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.

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 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.

A

BC


133 de 152

Anemómetro de paletas El anemómetro de paletas, el instrumento habitual para el trabajo general de ventilación, es el equipo clásico de medición por el efecto mecánico del aire en movimiento. Podemos utilizarlo para mediciones en la boca de la tubería o para medir en el fondo de saco la velocidad del aire provocada por la ventilación secundaria. Su rango de medición va de 0,1 a 20 m/s. Se selecciona una sección uniforme, con el menor número de obstáculos. Las medidas tomadas en una galería deben realizarse en secciones con interferencias mínimas, alejadas de curvas y nunca en entronques y estrechones. Seguiremos un método polar simplificado, el método cardinal. Para obtener una medida más veraz debemos tomar un mínimo de 5 puntos en el medio de la galería:

Donde

B: base de la galería en la sección elegida. H: altura de la galería en la sección elegida.

El operador debe colocarse con la espalda enfrentada al hastial, de forma que interfiera lo menos posible la circulación del aire, y extenderá el brazo con el anemómetro manteniéndolo con las paletas orientadas perpendicularmente a la dirección del movimiento del aire. Se utilizará la varilla telescópica, siempre que sea posible, para tomar la medida evitando que el cuerpo del operador introduzca algún error en los datos tomados. Al comienzo de la medición se requiere un tiempo para acelerar las paletas hasta que alcanzan la velocidad rotacional proporcional a la velocidad del aire. En ese momento pulsaremos el botón de inicio.

554321 vvvvvV gm

++++=


134 de 152

Donde

v1, v2, v3, v4 y v5 son las cinco velocidades medidas en la sección (m/s). vmg: velocidad media en cada sección de la galería, en m/s.


135 de 152

CAPITULO 4 : ACCIONAMIENTO Y CONTROL DEL VENTILADOR


136 de 152

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 y nos muestra el valor de presión y caudal en cada momento.


137 de 152

2. MOTOR Los principales elementos de un motor de inducción en jaula son el estátor y el núcleo del rotor (un conjunto de láminas de hierro), un bobinado aislado del estátor 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. 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. Los motores actuales están normalmente diseñados para un rendimiento máximo a plena carga del 75% y entre el 50% y el 100% hay sólo una variación mínima en el rendimiento .Sin embargo, se produce una reducción significativa con cargas que representan el 25% del total de la carga o menos, y eso es en este nivel una consideración a tener en cuenta para escoger un motor más pequeño. 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 15kW podría manejarse con un motor de 15kW (en caso de que pudiesen acoplarse). También podría moverse con un motor de 55 kW, y aunque podría funcionar, no sería muy eficaz.


138 de 152

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. 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 se tienen en general, aparte 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

Además, 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. Sondas de Temperaturas PTC. Termistores 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 puede utilizar para sistemas de alarmas o de alarma y desconexión (2 por fase de motor).


139 de 152

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. 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. 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


140 de 152

amplificador está dentro del sensor y es alimentado por el colector. Este conjunto es conocido por las siglas ICP (Integrated Circuit Piezoelectric). 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. 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. 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. 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.

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

Sonda peterman


141 de 152

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, – 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,


142 de 152

– 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 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


143 de 152

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

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


144 de 152

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 arrancar y parar de manera controlada los motores trifásicos de jaula.


145 de 152

Garantiza: – el control de las características de funcionamiento, principalmente durante los períodos de arranque y parada, – 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.

Soft starter


146 de 152

4. 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. • 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


147 de 152

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

- El variador de velocidad no tiene elementos móviles, ni contactos.

- La conexión del cableado es muy sencilla.

- Permite arranques suaves, progresivos y sin saltos.


148 de 152

- 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…).


149 de 152

5. 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. 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:


150 de 152

velocidad Potencia Ahorro[%] [%] [%]0 0 0

10 0.1 99.920 0.8 99.230 2.7 97.340 6.4 93.650 12.5 87.560 21.6 78.470 34.3 65.780 51.2 48.890 72.9 27.1100 100 0

Potencia [%] vs Velocidad [%]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

velocidad [%]

Pot

enci

a [%

]

Suponemos que la velocidad nominal del motor es n0. Analizaremos la repercusión de utilizar el ventilador a otra velocidad n1, tal que: 01 nn ≠

0

2

0

11 P

nnP ×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

00

11 Q

nn

Q ×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Potencia aeráulica = 11 PQ × (W) = 1000

00

3

0

1 PQnn ×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Potencia en el eje (1) = ventilador

PQnn

η××

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛1000

003

0

1 = 3

0

1⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛nn · Potencia en el eje (0)

Potencia Absorbida (1) = motorventilador

PQnn

ηη ×××

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛1000

003

0

1 = 3

0

1⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛nn ·Potencia Absorbida (0)

Costes de funcionamiento y variador de frecuencia. Ejemplos prácticos 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.


151 de 152

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 Potencia en eje Coste KWh

(h) (%) (kW) (Euros)

4 50 200 50.45 60 240 75.66 100 400 151.25 80 320 100.84 40 160 40.32

Potencia en el eje (Kw) 400 418.32 EUROS/díaPrecio de kWh (EUROS) 0.063

152686.8 EUROS/año

Horas de trabajo Caudal requerido Potencia en eje Coste KWh(h) (%) (kW) (Euros)

4 100 400 100.85 100 400 1266 100 400 151.25 100 400 1264 100 400 100.8


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


152 de 152

Si la variación de caudal es más acentuada, estos valores incrementan importantemente: Horas de trabajo Caudal requerido Potencia en eje Coste KWh

(h) (%) (kW) (Euros)

4 30 120 30.245 40 160 50.46 100 400 151.25 50 200 634 40 160 40.32


122333.4 EUROS/año

Horas de trabajo Caudal requerido Potencia en eje Coste KWh(h) (%) (kW) (Euros)

4 100 400 100.85 100 400 1266 100 400 151.25 100 400 1264 100 400 100.8


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.

Libro de Ventilacion

Documents

Transcript of Libro de Ventilacion