El acondicionamiento de aire en minas es necesario para realizar las actividades y procesos productivos propios del lugar. Para ello se requieren condiciones específicas.
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Cuando el sistema de ventilación subterránea de una mina, con
todas las medidas tomadas para controlar y reducir la temperatura y la
humedad, es incapaz de proporcionar las condiciones ambientales
requeridas por las normas gubernamentales aplicables y por las normas o
estándares adoptados por la propia mina en particular (siempre y cuando
estos sean superiores a los requerimientos legales), entonces es
necesario acondicionar el aire, por lo general para dotarlo de una mayor
capacidad de enfriamiento, por medio de un sistema de enfriamiento de
aire.En algunas minas en otros países con climas muy fríos en el invierno llegan a requerir calentar el aire. Este no es el caso en México por lo que no se aborda ese tema, aun cuando es también parte del acondicionamiento de aire.
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| Figura 1. Aumento en la temperatura de bulbo húmedo debido a la autocompresión del aire, en función de la temperatura de bulbo húmedo en superficie y de la elevación o presión barométrica a parte de un metro. |
El resultado predecible de una mina al profundizar es que aumente su temperatura y que también aumente su humedad (Figura 1), hasta cierto punto en el cual un incremento en los flujos de ventilación no sea suficiente para mantener condiciones ambientales adecuadas en la mina. Es el momento de recurrir a sistemas de enfriamiento, debiendo seleccionar el sistema que sea más conveniente le sirva para las condiciones particulares de la mina.
Para planificar un sistema de enfriamiento hay que determinar la cantidad de calor sensible y latente que se debe remover, dicho de otra manera hay que determinar la carga de enfriamiento. Por orden de importancia las fuentes de calor en una mina subterránea son: compresión adiabática o autocompresión del aire, calor de la roca (gradiente geotérmico), equipo electromecánico y alumbrado, agua subterránea, oxidación, voladuras, metabolismo humano, movimiento de roca y tuberías. Hay que tener en cuenta la temperatura y humedad del aire de ventilación por su efecto en el flujo de calor de la roca y del agua subterránea.
Compresión adiabática o autocompresión del aire
En los tiros y obras mineras sensiblemente verticales el peso de la columna de aire ocasiona una compresión en el fondo de la columna que viene acompañada por un aumento en la temperatura del aire, como sucede cuando se comprime aire utilizando un equipo de compresión.
Para determinar la cantidad de calor que produce la autocompresión del aire, se hace la suposición de que la compresión del aire se realiza adiabáticamente, es decir, se asume que el contenido de vapor de agua en el aire permanece constante, que no hay fricción en el flujo de aire y que tampoco hay transferencia de calor entre el aire y las paredes del tiro u obra minera.
En realidad, por lo general hay cambios en el contenido de vapor de agua, hay transferencias de calor y hay fricción en el flujo de aire.
Se estima que, de manera general, el aumento en la temperatura de bulbo seco debido a la autocompresión es de 1 °C por cada 100 metros de profundidad del tiro.
El aumento teórico en la temperatura de bulbo seco del aire en un tiro por el que baja aire se puede calcular por la ecuación:Donde T es la temperatura absoluta de bulbo seco, P es la presión atmosférica, es la razón entre los calores específicos del aire a volumen y presión constantes y los subíndices 1 y 2 denotan las condiciones iniciales y finales respectivamente.
Los valores de γ son de 1.402 para aire seco y de 1.362 mínimo para aire saturado; el exponente (γ-1)/γ por lo tanto toma los valores de 0.287 para aire seco y de aproximadamente 0.266 para aire saturado. En el uso de esta fórmula se está suponiendo que el comportamiento es adiabático. Esto es, cuando el contenido de vapor del aire permanece constante, no hay fricción en el flujo y no hay transferencia de calor entre el aire y cualquier otro cuerpo.
En una mina real, por supuesto, esto no sucede nunca. De una manera práctica, sin considerar el cálculo teórico, el aumento en la temperatura de bulbo seco se estima en 5.3 °F para una disminución en elevación de 1,000 pies (9.66 °C/1,000 m).
El aumento en la temperatura de bulbo húmedo es más variable y no fácilmente susceptible de calcular.
Para fines de estimación, el aumento en la temperatura de bulbo húmedo se puede aproximar como 0.45 veces aquella del aumento en la temperatura de bulbo seco, o 2.4 °F para una disminución en elevación de 1,000 pies (4.37 °C/1,000 m).
Una vez que hemos hablado de las fuentes de calor dentro de las minas y revisado un ejemplo, podemos entrar de lleno al tema del enfriamiento. Existen diferentes sistemas o plantas de enfriamiento.
La eficiencia del sistema de enfriamiento del aire en minas está directamente ligado a sus características y su capacidad de respuesta
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Una vez que hemos hablado de las fuentes de calor dentro de
las minas y revisado un ejemplo, podemos entrar de lleno al tema del
enfriamiento. Existen diferentes sistemas o plantas de enfriamiento:Enfriamiento de aire en mina
El objeto de acondicionar el aire de la mina impartiéndole mayor capacidad de enfriamiento para contrarrestar condiciones térmicas ambientales adversas, es cuando la ventilación no puede mantener condiciones térmicas ambientales adecuadas.
Para poder decidir cuál sistema de acondicionamiento de aire es conveniente se deben conocer y/o establecer los siguientes datos: parámetros fisiológicos, meteorológicos en superficie, geológicos, de producción y de ventilación.
De ser necesaria la refrigeración, de acuerdo a los sudafricanos, se debe hacer en tres fases. En la primera fase se debe enfriar el agua de servicios de la mina a la temperatura más baja posible. En la segunda fase se enfría el aire entrante a la mina para compensar los efectos del aire húmedo del verano, la autocompresión y las fuentes de calor en el sistema de tiros. Por último, en la tercera fase se vuelve a enfriar el aire de ventilación de vez en cuando en los rebajes usando serpentines con agua enfriada.
Clasificación de plantas o sistemas de enfriamiento
Los lugares lógicos disponibles en una mina subterránea donde deben ubicarse las plantas de refrigeración son: en superficie o en el interior de la mina. Los sistemas de enfriamiento se clasifican en cuanto a su ubicación y en cuanto a la manera de disipar el calor generado por las plantas. Es sabido que no hay dos minas iguales, por lo que para elegir un sistema se debe tomar en cuenta las condiciones individuales de cada mina.
Agua de superficie con disposición de calor al agua de drenaje
Para un sistema así se necesita tener una gran cantidad de agua fría disponible en superficie, tal como un río o un lago, lo cual es una situación poco común. El agua así disponible se entuba para bajarla a la mina y usarla en plantas de acondicionamiento de aire, una vez usada se descarga en el drenaje de la mina. (Figura 1).
Se han hecho pruebas de hacer hielo en superficie y mandarlo por tubería a la mina en una lechada de agua a 0 °C con hielo. Sin embargo, el costo de capital de hacer hielo en superficie es más alto que el de unidades mecánicas de refrigeración en el interior de la mina.
| I. ENFRIAMIENTO MASIVO DEL AIRE DE SUPERFICIE QUE ENTRA A LA MINA | II. ENFRIAMIENTO SUBTERRÁNEO DEL AIRE |
| a) Planta de refrigeración b) Enfriamiento por evaporación (Torre de enfriamiento) | a) Disposición de calor en el interior de la mina b) Disposición de calor en superficie |
| ENFRIAMIENTO MASIVO DEL AIRE EN EL INTERIOR DE LA MINA | |
Unidades de refrigeración con disposición de calor en drenaje de mina
En este sistema la unidad de refrigeración se sitúa en el interior de la mina y enfrían el aire directamente o haciéndolo pasar por un intercambiador de calor. El condensador de esta unidad es enfriado por agua de mina, el agua después de enfriar el condensador es descargada al sistema de bombeo de agua. El sistema requiere bastante agua. Hay unidades que aceptan agua a una temperatura de hasta 40°C (104°F), utilizando el refrigerante correcto. El agua de mina debe estar libre de sedimentos y sólidos disueltos, no debe ser corrosiva ni debe crear incrustaciones en las tuberías.
Por supuesto la descarga de agua caliente del condensador no debe estar en contacto con el aire entrante para no añadir ese calor al aire. (Figura 2).
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