Asignatura : Software de Aplicacin

Asignatura : Ventilacin y DesageFrancisca Galarce R.Ingeniero de Minas.

Queridos(as) alumnos(as) Bienvenidos a la Clase N 4, hoy veremos Propiedades fsicas del aire.

Recordemos que debemos silenciar nuestros equipos celulares y ponerlos en modo vibracin para no interrumpir la clase.PROPIEDADES FISICAS DEL AIRE

El aire de minas, que es, como sabemos, una mezcla de gases y vapor de agua, se acerca mucho a los gases perfectos, en cuanto a sus propiedades fsicas; recordemos algunas leyes que comnmente sern usadas.

Densidad es la cantidad de masa de aire contenida en una unidad de volumen:

Peso especfico del aire, es el peso G del aire en unidad de volumen:

En la ventilacin de minas se utiliza el peso especfico standard = 1,2 kgr/m3 que es el peso de 1 m3 de aire, con la presin de 1 atm., temperatura de 15C y humedad de 60%.

De la frmula anterior tenemos:

El peso especfico indica tambin cuntas veces un gas es ms pesado o ms liviano que el aire.

Volumen especfico es el volumen v en m3 ocupado por 1 Kgr. de aire a presin y temperatura dadas:

Presin, la presin de un gas se expresa en atmsferas absolutas o atmsferas tcnicas.Por una atmsfera absoluta se entiende la presin po = 1,0333 Kg/cm2 de una columna de 760 mm. de mercurio a 0C y al nivel del mar.

En la prctica para facilitar los clculos se utiliza la atmsfera tcnica o mtrica, igual a 1 kg/cm2 (10 m. de columna de agua) = 737,5 mm. de mercurio.

Con el cambio de la altura sobre el nivel del mar y de la temperatura, la presin "p" cambia segn la relacin siguiente:

Como en la ventilacin de minas las presiones encontradas tiene valores muy pequeos, estas presiones se miden en kilogramos por metro cuadrado (kg/m2) o en milmetro de columna de agua (mm. c.a.) los que numricamente son iguales conforme a la definicin hecha de la atmsfera tcnica o mtrica.La transformacin en mm. de columna de agua de la presin atmosfrica expresada en mm. de mercurio se hace multiplicando los mm. de mercurio por el peso especfico de ste = 13,6 kg/m3.

La presin de una labor minera es:Con el aumento de profundidad, la presin aumenta en 9 a 10 mm. de mercurio cada m. as en una mina profunda a 3.000 m, la presin es:

p = 760 + 9,5 * 3.000/100 = 1.045 mm. de mercurio, mayor que la presin normal en 33,5%.

Temperatura. La temperatura del aire se expresa en las minas, en grados Celcius. A veces se utiliza tambin la temperatura absoluta. La relacin entre ambas es:

T = t + 273 K (grados Kelvin).Donde:t = temp. en C;T= temp. en K.Por la temperatura normal en ventilacin de minas se toman 15 C.

Calor especfico. Es la cantidad de calor, en caloras, que se necesitan para calentar 1 Kg. de gas de 0 a 1 C.Para calentar G Kg. de gas de la temperatura t1 a t2 se necesitan W caloras.W = G C (t2 - t1 ) (caloras)Se diferencia el calor especfico del aire a presin constante C = 0,24 (kcal/ kg x grado) y a volumen constante C = 0,17 kcal(Kg. grado). El calor especfico del agua es de 0,46 kcal/kg. grado.

Viscosidad. es la resistencia del aire a los esfuerzos tangenciales. En los clculos de ventilacin, se utiliza el coeficiente cinemtica de viscosidad "" m2/seg. Para el aire a t = 15 C, = 1,44 * 10-5 m2/seg.

LEYES BASICAS DE LOS GASESLey de Boyle Mariotte: a temperatura constante

Ley de Gay Lussac:

Con el aumento o la disminucin de temperatura de 1 C desde 0 C, el volumen del gas aumenta o disminuye en 1/273 de su volumen.

La combinacin de las leyes de Boyle Mariotte y de Gay Lussac conduce a la ecuacin general de estado de los gases perfectos

Si: T1 = 273 C T2 = T1 + T Osea:Ley de Dalton: la presin de una mezcla de gases y vapor de agua es igual a la suma de las presiones parciales que tendra cada gas por separado.

El peso especfico del aireSabemos que: = 1/v

Si:

En rigor el aire no es un gas perfecto; el aire es un gas compresible y viscoso. Sin embargo, cuando estamos tratando al aire en un sistema de ventilacin de minas, podemos asegurar que su acercamiento a un gas perfecto es real.Para un "gas real" la "Ecuacin general de estado de los gases perfecto" se transforma como sigue:

Donde Z es el Factor de Compresibilidad, que es posible obtener en el siguiente grfico:

Cuando se habla de Ventilacin de Minas, estamos pensando en presiones que, en casos excepcionales podra a llegar a algunos cientos de mm.c.a. o Kgr./m2, Si pensamos exageradamente en 1.000 mm.c.a. tenemos que equivale a "0,1 Kgr./cm2 al dirigirnos al grfico del Factor de Compresibilidad, tenemos que, para los rangos de temperatura mostrada Z es prcticamente igual a "1". Como consecuencia, entonces, se puede decir que "el aire, en ventilacin de minas, se comporta como un gas ideal".

En cuanto a su viscosidad, vale decir a las fuerzas de frotamiento que se ejercen entre las partculas del fluido, tambin para los efectos de las presiones con que se trabaja en ventilacin de minas, normalmente se considera como un fluido no viscoso.

No podemos decir lo mismo con respecto a la variacin del peso especfico: = p/(R*T). = constante, fluido incompresible = variable, fluido compresibleEl peso especfico vara con la presin y la temperatura.

La variacin de presin se debe a:Diferencia de cota. Para una variacin de altura de 100 m. la variacin de presin es de 130 mm. de columna de agua ms o menos (1,3%). Si la diferencia de cota es de 1.000 m. la presin vara en unos 1.300 mm. de agua, lo que es muy importante.Prdidas de carga. Estas son muy variables, normalmente no pasan de unos pocos milmetros dependiendo del tipo de instalaciones y de los ventiladores conectados al sistema.

Al introducir aire en una mina va a aumentar su presin y temperatura. El aumento de estos dos parmetros hace que la variacin del peso especfico no sea considerable.Una diferencia de cota menor a 200 metros, mantiene un peso especfico constante.

HUMEDAD DEL AIRE.El aire siempre tiene cierta cantidad de agua formando una mezcla, segn la ley de Dalton la presin de la mezcla es:pt = pa + pv ;

donde:pa= presin parcial del aire seco;pv= presin parcial del vapor de agua.

Segn la forma como se calcula la cantidad de vapor de agua que contenga el aire tenemos dos tipos de humedad:

Humedad absoluta, es el contenido de vapor de agua, en gramos, en un metro cbico de aire. Mientras ms elevada sea la temperatura del aire, mayor cantidad de vapor de agua puede contener, llegando a un punto donde, con esa temperatura, se tenga el mximo de vapor de agua, en este punto el aire se encuentra saturado, y la presin parcial del vapor de agua es la mxima.Humedad relativa, es la relacin del contenido de vapor de agua (gr/m3) con el mximo posible que pueda contener a una temperatura dada. Ejemplo, si tenemos por medicin 10,4 gramos por metro cbico de vapor de agua, a una temperatura de 15 C y a una presin normal (760 mm. de Hg) el contenido mximo de vapor de agua (en el punto de saturacin) a esa temperatura es de 12,8 gr/m3, luego la humedad relativa "", sera:

= 10,4/12,8* 100 = 81 %Tambin se define a la humedad relativa como el cuociente entre la presin parcial del vapor de agua y la presin de saturacin, a igual temperatura: = (pv / ps ) * 100 ; %

Para medir la humedad relativa del aire, se usan los siguientes instrumentos:El Psicrmetro. Consta de dos termmetros iguales, uno de los cuales tiene bulbo envuelto en un trapo hmedo. Para determinar la humedad relativa con el psicrmetro, se tiene temperatura de termmetro seco y con la diferencia de las dos lecturas (temperatura seca y temperatura hmeda, se entra a tablas que nos dan el porcentaje de humedad relativa.El Higrmetro. Mide la humedad relativa del aire en base al cambio de largo de un pelo que no tiene grasa, que est de acuerdo con el contenido de vapor de agua en el aire, el alargamiento o acortamiento del pelo, es trasmitido, por medio de un sistema de palanca, al indicador de una escala graduada en porcentaje de humedad relativa.

Movimiento Laminar y Turbulento.El movimiento lento del aire, que se componen de hilos separados que no se mezclan entre si y se mueven paralelamente, se denomina laminar. Si la velocidad del aire aumenta, los hilos comienzan a mezclarse entre si, formando torbellino. Un movimiento tal se denomina turbulento.Estos movimientos de los fluidos fueron estudiados por Reinold (Re), determinando que:

El movimientos de los fluidos se determina a travs del nmero de Reinold.

En ventilacin de minas, siempre tendremos un Re mayor que 4.000, por lo tanto, el movimiento es turbulento Ejemplo:SiV= 1m/seg;D= 2,0 m; = 1,44 10-5 m2/seg. (t= 15 C)Re = 1 * 2,0 *105/1,44 = 139.000"Flujo Turbulento"

Peso especfico. El peso especfico del aire puede ser calculado de la siguiente forma:

donde:p= presin baromtrica, mm. de Hg;t= temperatura del aire, C.

Medicin de la presin en el interior de la mina.El instrumento que generalmente se usa para medir la presin absoluta, tanto en el interior de la mina como en la superficie, es el "barmetro aneroide". El barmetro corriente de mercurio, el barmetro de estacin y el bargrafo, por las dificultades de manejo y gran sensibilidad, solamente son apropiados para las mediciones en el exterior.Manmetro ordinario. Este instrumento es comnmente colocado al lado de ventiladores principales, con una rama en la galera de ventilacin y la otra abierta al exterior.El Micromanmetro. Para la medicin de pequeas depresiones (del orden de dos a cuatro mm. de columna de agua) que se encuentra en la determinacin de la ventilacin natural de las minas

Medicin de la velocidad del aire.La medicin de la cada de presin, por lo general tiene que estar acompaada de la determinacin del volumen del aire; la medicin de ste (m3/seg.) se hace mediante la ecuacin de continuidad Q=V * A, determinando la velocidad y el rea en el terreno.

Para la determinacin de la velocidad del aire en las minas se utilizan los "Anemmetros" y otros instrumentos.

Anemmetro de paleta. Son pequeos aeromotores, en los que una rueda de paletas de aluminio, cuyo nmero de revoluciones es proporcional a la velocidad del aire, impulsa un mecanismo indicador. Anemmetro sensible a par termoelctrico. Se basa en la medicin de la temperatura de un par termoelctrico de una soldadura que es calentada mediante una resistencia.Tubo de humo. Este sencillo instrumento permite determinar en forma rpida y ms o menos exacta la direccin y velocidad de flujos lentos de aire.

Teorema de Bernoulli.El teorema de este destacado cientfico estableci el principio de conservacin de la energa, expresando que la altura de carga total de un fluido que circula por cualquier sistema se mantendr constante si no hay prdida por rozamiento, compresin, incorporacin o prdida de fluido.

La altura de carga total es igual a la suma de las alturas de carga esttica (altura de presin), cintica (altura de velocidad) y de elevacin (altura geodsica):

Reemplazando las alturas de carga en funcin de las presiones en un lugar del movimiento del fluidopt = ps1 + pv1 + pz1

Considerando el movimiento del fluido dentro de un ducto donde se ha definido un punto 1 y determinamos otro punto 2, sin tener agregacin ni prdida de fluido en este trayecto, el teorema de Bernoulli indica:

CLASIFICACIN DE LA VENTILACIN

VENTILACION NATURAL:

La energa ms barata y abundante en la naturaleza es el aire natural, que se utiliza en la ventilacin para minas subterrneas.El ingreso de aire es por la bocamina principal de ingreso, recorriendo el flujo del aire por la totalidad del circuito de ventilacin. Hasta la salida del aire por la otra bocamina, galeras, chimeneas, piques, etc.La entrada y salida de aire debe ser en forma independiente.Para que funcione la ventilacin natural debe existir una diferencia de alturas entre las bocaminas de entrada y salida.

VENTILACION NATURALMas importante que la profundidad de la mina, es el intercambio termo-dinmico que se produce entre la superficie y el interior. La energa trmica se transforma en energa de presin susceptible de producir un flujo de aire (el aire caliente desplaza al aire fro produciendo circulacin).La ventilacin natural es muy cambiante, depende de la poca del ao, incluso, en algunos casos, de la noche y el da.Dado que, la VENTILACIN NATURAL es un fenmeno de naturaleza inestable y fluctuante, en ninguna faena subterrnea moderna debe utilizarse como un medio nico y confiable para ventilar sus operaciones.

VENTILACION AUXILIARComo ventilacin auxiliar o secundaria, definimos aquellos sistemas que, haciendo uso de ductos y ventiladores auxiliares, ventilan reas restringidas de las minas subterrneas, empleando para ello circuitos de alimentacin de aire fresco y de evacuacin del aire viciado que les proporciona el sistema de ventilacin general.

Los sistemas de ventilacin auxiliar que pueden emplearse en el desarrollo de galeras horizontales, utilizando ductos y ventiladores auxiliares son:

Sistema impelente: El aire es impulsado dentro del ducto y sale por la galera en desarrollo ya viciado.Para galeras horizontales de poca longitud y seccin (menores a 400 metros y de 3.0 x 3.0 metros de seccin), lo conveniente es usar un sistema impelente de mediana o baja capacidad, dependiendo del equipo a utilizar en el desarrollo y de la localizacin de la alimentacin y evacuacin de aire del circuito general de ventilacin de la zona.

Sistema aspirante: El aire fresco ingresa a la frente por la galera y el contaminado es extrado por la ductera.Para ventilar desarrollos de tneles desde la superficie, es el sistema aspirante el preferido para su ventilacin, an cuando se requieren elementos auxiliares para remover el aire de la zona muerta, comprendida entre la frente y el extremo de la ductera de aspiracin.

Un tercer sistema es el combinado, aspirante-impelente, que emplea dos tendidos de ductera, una para extraer aire y el segundo para impulsar aire limpio a la frente en avance. Este sistema rene las ventajas de los dos tipos bsicos, en cuanto a mantener la galera y la frente en desarrollo con una renovacin constante de aire limpio y en la velocidad de la extraccin de los gases de disparos, con la desventaja de su mayor costo de instalacin y manutencin.

Donde Z es el Factor de Compresibilidad, que es posible obtener en el siguiente grfico:

1,6

1,5

1,4

1,3

1,2

1,1

1,0

0,9

0C

200C

Z

102

1 2 3 4 5 6 7 8

H[Kgr/cm2]