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7/26/2019 CFD Ventilacion mina El Pimiento
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Universidad de Santiago de ChileFacultad de Ingeniera
Departamento de Ingeniera en MinasDinmica de fluidos computacional
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Anlisis factibilidad sistema principal deventilacin mina El Pimiento
Profesor: Juan Pablo Hurtado
Autor: Felipe Cataln Olivares
Asignatura: Dinmica de fluidos computacional
Fecha de entrega: 19 de Enero 2016
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Resumen ejecutivo
En el presente informe realizado como proyecto final para el curso de Dinmica de Fluidos
Computacionales, se analizar la factibilidad del sistema principal de ventilacin de mina El
Pimientomediante la simulacin a travs del software ANSYS. Se evaluarn los sectores de mayor
prdida de carga y si las velocidades obtenidas alcanzan las requeridas por la mina.
Se obtuvieron como resultados velocidades inferiores a 1 m/s y como sector principal de prdida
de carga la tubera de 1, las presiones se incrementan en la parte superior del tubo. Estas se
visualizan en la siguiente ilustracin:
Ilustracin 1. Presiones en tubo 1". Fuente: Propia
Como conclusin es relevante mencionar que al ser bajas las velocidades visualizadas en los
outlet, implica que el sistema utilizado es deficiente, ya que no cumple con llevar el caudal
requerido a toda la galera. Se recomienda cambiar la geometra del tubo de 1 a un codo con una
curva suave, con el fin de disminuir prdidas de carga. Otra alternativa es agregar un sistema
alternativo con el fin proporcionar el caudal requerido.
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ndice
Introduccin ........................................................................................................................................ 3
Objetivos ............................................................................................................................................. 4
Principal ........................................................................................................................................... 4
Secundario ....................................................................................................................................... 4
Alcances ............................................................................................................................................... 4
Anlisis del estado del Arte ................................................................................................................. 5
Gua de ventilacin .......................................................................................................................... 6
Desarrollo del proyecto ....................................................................................................................... 6
Geometra ....................................................................................................................................... 6
Mallado ........................................................................................................................................... 7
Sizing 1 ......................................................................................................................................... 7
Sizing 2 ......................................................................................................................................... 7
Condiciones de borde ..................................................................................................................... 7
Condiciones iniciales del Fluent ...................................................................................................... 7
Anlisis de resultados .......................................................................................................................... 8
Anlisis Tubo 1 ............................................................................................................................... 8
Anlisis Tubo 8 ............................................................................................................................... 9
Anlisis cajas, techo y suelo galera .............................................................................................. 10
Requerimiento caudal ....................................................................................................................... 12
Conclusiones y Recomendaciones .................................................................................................... 13
Referencias ........................................................................................................................................ 14
Anexos ............................................................................................................................................... 15
Equipos considerados.................................................................................................................... 15
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Introduccin
En la minera el inters de implementar herramientas o infraestructuras las cuales requieran de un
menor consumo energtico, es cada vez ms relevante. Los sistemas de ventilacin tienen un gran
consumo energtico, de manera que pueden llegar a constituir hasta un 40% del gasto total de la
mina1.
En las operaciones de minera subterrnea es fundamental contar con una adecuada ventilacin, de
manera que asegure una atmsfera respirable y segura para los trabajadores, como tambin un
ptimo desarrollo de sus funciones. Es influente en la salud de las personas, ya que la emisin de
contaminantes y material particulado al interior de las minas subterrneas propician el desarrollo
de enfermedades ocupacionales. Adems las mquinas disel requieren una buena calidad de aire
para efectuar su combustin interna, al punto que sin sistemas de ventilacin no es imposible tener
minera subterrnea.
Es importante conocer como se est comportando el aire en el sistema de ventilacin que se est
utilizando. Esto se puede estudiar mediante el CFD (Dinmica de Fluido Computacional), el cual
permite resolver las ecuaciones que se derivan de los tres principios fundamentales de conservacin
de la masa, momento y energa, de tal manera que predice las propiedades del fluido con gran
detalle en el dominio estudiado, ayuda al diseo, al prototipaje y da soluciones rpidas evitando
costosos experimentos. Tambin cabe destacar que proporciona una visualizacin y animacin del
proceso en trminos de las variables del fluido.
Es por esto que se evaluar una condicin que permita la reduccin de costos en el sistema
alternativo de ventilacin mina El Pimiento, la cual cuenta con una, que mediante tubos de PVC
fluye aire proveniente de un compresor. Se simular mediante el software ANSYS el proceso de
ventilacin alternativo y se cuantificar las prdidas de carga por friccin.
1(Ingeniero civil en minas UCHILE, 2014)
Ingeniero civil en minas UCHILE, R. E. (4 de Diciembre de 2014). Mineria Chilena. Obtenido de Mineria
Chilena: http://www.mch.cl/informes-tecnicos/ventilacion-subterranea-adecuandose-grandes-
proyectos-mineros/
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Objetivos
Principalo Evaluar factibilidad sistema de ventilacin principal mina El Pimiento.
Secundarioo Simular mediante ANSYS proceso de ventilacin.
Alcances
o El anlisis se llevar a cabo en 10 metros lineales de una galera.
o Con el fin de realizar la simulacin mediante ANSYS se simplific la geometra, considerando
del tubo de 1 solo la parte ubicada dentro del tubo de 5.
o La geometra fue realizada mediante el software SOLIDWORKS e importada en ANSYS
o Se consideraron solo 5metros lineales de galera y no los 10 utilizados en realidad, para
disminuir el nmero de celdas en el mallado
o En el Fluent se utiliz aire en vez del aire comprimido utilizado en la mina.
o El sistema de ventilacin es considerado principal solamente porque as se utiliza en la mina
El Pimiento
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Anlisis del estado del Arte
El sistema utilizado como ventilacin principal en la mina El Pimiento, se basa en un compresor
conectado a mangueras que realizan el traspaso a tubos de PVC 2, ubicados verticalmente cada 10metros lineales en una galera, estos tubos se intersectan con un tubo de PVC 8 ubicados en forma
horizontal. El aire inyectado por el compresor pasa a este ltimo tubo mediante 3 agujeros, 2
ubicados en la misma lnea, el tercero que es el del medio con una desviacin de 10 con el objetivo
de conseguir una mayor rea de arrastre. Lo recin mencionado se describe visualmente en las
ilustraciones N 1 y 2
Ilustracin 3. Sistema de tuberas. Fuente: Propia Ilustracin 2. .Sistema de tuberas. Fuente: Propia
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Gua de ventilacin
El caudal necesario, para satisfacer las necesidades tanto del personal como de los equipos que en
conjunto laboran al interior de la mina, se establecen de acuerdo a los requerimientos legales,normas de confort y eficiencia del trabajo. Este caudal debe garantizar la dilucin de los gases
generados tanto por los equipos y maquinarias de combustin interna, como los gases provenientes
de la tronadura y los polvos asociados a las distintas operaciones.
La normativa a cumplir en Chile, son el Reglamento de Seguridad Minera D.S. N 72, del Ministerio
de Minera, artculos desde el N 132 al N 151 y el artculo N 66 del D.S. N 594, Reglamento sobre
condiciones ambientales bsicas en lugares de trabajo, del Ministerio de Salud2.
Desarrollo del proyecto
Geometra
La geometra utilizada consiste en una galera de 2,4 x 2,8 x 10 m3, una tubera horizontal de 8 de
dimetro con 3 mm de espesor y un tubo de 1 de dimetro con 2 mm de espesor ubicado en forma
vertical e interceptando al horizontal, este tiene 3 orificios por los cuales sale el aire a la galera. Los
tubos unidos se ubican en la mitad de la galera en la parte superior de una de las cajas. La geometra
descrita est representada en la ilustracin N 3 presentada a continuacin:
Ilustracin 4. Geometra sistema de ventilacin. Fuente: Propia
2(Gallardo, 2016)
Gallardo, I. S. (18 de 01 de 2016). SERNAGEOMIN. Obtenido de SERNAGEOMIN:
http://www.sernageomin.cl/pdf/mineria/seguridad/200812GuiaVentilacionMinas.pdf
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Mallado
El mallado fue realizado mediante dos Sizing. Sizing 1 para las tuberas y 2 para la galera, sus
caractersticas son las siguientes
Sizing 1o Type: Element Size
o Element Size: 0,007 m
o Behavior: Soft
Sizing 2o Type: Element Size
o Element Size: 0,1 m
o Behavior: Soft
Condiciones de borde
Las condiciones de borde utilizadas son:
o Inlet: Pressure inlet con5 bar de presin. Ubicado en la cara inferior del tubo vertical.
o Outlet: Pressure outlet. Ubicado en una cara de la galera.
o Outlet1: Pressure outlet. Ubicado en una cara de la galera.
Condiciones iniciales del Fluent
o General:- Solver
Type: Pressure-Based
Velocity formulation: Absolute
Time: Transient
- Gravity: Activated
o Models:
- Viscous: Standard k-e, Standard Wall Fn
o Solution methods:
- Scheme: SIMPLE
- Gradient: Least Squares Cell Based
- Pressure: Second order- Momentum: Second order Upwind
- Turbulent Kinetic Energy: Second order Upwind
- Turbulent Dissipation Rate: Second order Upwind
- Transient Formulation: First Order Implicit
o Monitors: Surface
- Outlet1: Mass-Weighted Average, Velocity Magnitude vs Time Step, Print, Plot
- Outlet: Mass-Weighted Average, Velocity Magnitude vs Time Step, Print, Plot
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o Calculation Activities:
- Autosave Every (Time Steps): 2
o Run Calculation:
- Time Stepping Method: Fixed
- Time Step Size(s): 2e-06- Number of Time Steps: 500
- Max Iterations/Time Step: 45
Anlisis de resultados
Anlisis Tubo 1
En la ilustracin N 4 las presiones en el tubo superan los 180.000 Pa. Se incrementa en la parte
superior, esto involucra una mayor prdida de carga en los sectores de ms alta presin.
Respecto a la velocidad esta no supera los 270 m/s siendo mayor en la base. Se reconoce en la
ilustracin N 5.
Ilustracin 5. Presiones en tubo 1". Fuente: Propia
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Ilustracin 6. Velocidades en tubo 1". Fuente propia
Anlisis Tubo 8
La ilustracin N 6 muestra una mayor presin en los sectores laterales del tubo, presiones
mximas del orden de 190 Pa. Las velocidades simuladas no superan los 70 m/s siendo las
mayores en el sector inferior del tubo.
Ilustracin 7. Presiones tubo 1". Fuente: Propia
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Ilustracin 8. Velocidades tubo 1". Fuente: Propia
Anlisis cajas, techo y suelo galera
Las velocidades en las paredes de la galera se anulan, lo cual se visualiza en ilustraciones N 9 y
10, respecto a la presiones se aprecian en la ilustracin N 8 que son muy bajas, resaltando como
mximo en la caja cercana a la tubera cercanas a 190 Pa.
Ilustracin 9. Presiones paredes galera. Fuente: Propia
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Ilustracin 10. Presiones paredes galera. Fuente: Propia
Ilustracin 11. Presiones paredes galera. Fuente: Propia
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Requerimiento caudal
Considerando 3 hombres y 2 equipos livianos:
= 100 3 = 300
= 110 100 + 110 100 0,75 = 19250 cfm
= 19550 cfm = 9.2
=
=9,2
2,4 2,8 = 1.37
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Conclusiones y Recomendaciones
A la postre se concluye que las prdidas de carga por choque y friccin se provocan principalmente
en el tubo de 1 ya que las presiones mayores son en la tapa y paredes de este.
Las velocidades que se visualizaron en los outlet son bajas,menores a 1 m/s, esto implica que el
sistema utilizado es deficiente, no cumple con llevar el caudal requerido a toda la galera, ya que se
simul para distancias de 5 metros, y en la realidad estos se instalan para 10 metros lineales, por lo
que las velocidades sern an menores.
Se recomienda cambiar la geometra del tubo de 1 a un codo con una curva suave, con el fin de
disminuir prdidas de carga.
Se aconseja implementar un nuevo sistema de ventilacin o agregar uno alternativo, teniendo comoobjetivo cumplir con el caudal requerido.
Con el sistema actual, es relevante que los trabajadores al ingresar a la mina usen trompa que
impida respirar los gases nocivos que no son efectivamente ventilados por este.
Se recomienda un chequeo mdico peridico a los trabajadores, con el fin de controlar posibles
enfermedades asociadas a los gases no ventilados por el sistema actual.
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Referencias
o Ing. Sergio Andrade Gallardo. (2008). Gua Metodolgica de Seguridad para Proyectos de
Ventilacin de Minas. 18/01/2016, de SERNAGEOMIN Sitio web:
http://www.sernageomin.cl/pdf/mineria/seguridad/200812GuiaVentilacionMinas.pdf
o Departamento Mecnica. (2015). Perdida de Carga Gua laboratorio. Santiago: Universidad
de Santiago de Chile.
o Departamento de Ingeniera Mecnica. Dinmica de Fluidos Computacional, CFD.
18/01/2016, de Universidad de la Rioja Sitio web:
o http://www.unirioja.es/cu/manuruiz/simulacion%20que%20es%20cfd.shtml
o Ventilacin subterrnea: Adecundose a grandes proyectos mineros. (2014). Minera
Chilena. 21/12/2015, de mch Sitio web:o http://www.mch.cl/informes-tecnicos/ventilacion-subterranea-adecuandose-grandes-
proyectos-mineros/
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Anexos
Equipos considerados
Acople chicago
Acoples para aire comprimido y agua de 3/8 A 1 , utilizndose normalmente en compresores
porttiles y equipos semejantes en el rubro industrial, minero. La conexin de cierre es universal.
Haciendo factible conexiones cruzadas simples de todas las piezas independientes del dimetro
nominal. Se fabrican segn el estndar europeo de 42 mm entre orejas de cierre.
Ilustracin 12. Acoples chicago. Fuente: http://www.procomin.cl/productos/acoplamiento.html
Manguera de PVC aire-agua
Tubo dePVC con interior liso, reforzado con trenzado sinttico. Requiere un rango de temperaturadesde-26C hasta +66C. Uso general, incluyendo aire, agua y productos qumicos suaves, presenta
una longitud de152.4 metros.
Ilustracin 13. Manguera PVC. Fuente:
http://www.recomin.cl/linea_jason/mangueras_pvc/aire_agua.htm
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Tubos PVC aproximadamente 8 y 1
Ilustracin 14. Tubos PVC. https://www.easy.cl/easy/ProductDisplay
Compresor modelo M42
Ilustracin 15.Compresor aire comprimido. Fuente: https://www.kaeser.es
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