AIRE COMPRIMIDO EN PERFORACIONES Y VENTILACIN

AIRE COMPRIMIDO EN PERFORACIONES Y VENTILACINIng. Carlos Yungo SueroINTRODUCCINEl aire comprimido es ampliamente usado en la minera como elemento detrabajo y seguridad. Su utilizacin esta sometida a ciertas limitaciones defuerzayvelocidad, es decir, con ella se obtiene grandes velocidades para fuerzas pequeas.Una de lasfuentesde energa ms utilizadas es el aire comprimido, sobre todo en aquellasmquinasen las que es necesaria una energa gradual y segura, y en las que exista el peligro de frecuentesaccidentesderivados de contactos involuntarios con las lneas dealimentacinelctrica.El aire comprimido tambien es usado para efectuar la ventilacin en las labores mineras donde la ventilacin natural ya no es eficiente.En la instalacin de aire comprimido de trabajo hay que considerar lo siguiente:El generador del aire comprimido (compresor)La instalacin de conduccinEl elemento que emplea la energa acumulada en forma de aire comprimido (martillos, cabrestantes,motores, etc.)

En la instalacin de aire comprimido para ventilacin hay que considerar :El generador del aire comprimido (ventilador)La instalacin de conduccin (mangas de ventilacin)El caudal requerido de aire segn mediciones y clculos.El reglamento se seguridad y salud ocupacional en minera D.S. 055-2010.EM menciona en sus articulos 356 al 359 lo corespondiente al aire comprimido.No se puede abordar un curso acerca del aire comprimido sin apuntar, al menos de una manera somera, una serie de consideraciones bsicas acerca de las leyes fsicas que rigen el comportamiento de los gases. Esta consideracin es importante dado que el empleo del aire comprimido aprovecha una serie de transformaciones de este que son, en definitiva, las que le confieren el calificativo y las propiedades de fluido energtico. Estas consideraciones son de dos tipos: Fsicas y Termodinmicas.1.- PRODIEDADES FISICAS Y TERMODINMICAS DEL AIRE COMPRIMIDO1.1.- Fsica1.1.1.-Estructura de la materia

1.1.2 La molecula y los diferentes esados de la materia

1.2 Unidades Fsicas1.2.1 PresinLa fuerza sobre un centmetro cuadrado de una columna de aire desde el nivel del mar hasta el lmite de la atmsfera, es de unos 10,13 N. Por lo tanto, la presin atmosfrica absoluta a nivel del mar es aproximadamente 10,13 x 104 N por metrocuadrado, que equivale a 10,13 x 104 Pa (Pascal,la unidad de la presin del sistema internacional).Expresado en otra unidad de uso frecuente:1 bar = 1 x 105 Pa. Cuanto mayor (o menor) sea laaltitud sobre el nivel del mar, menor (o mayor) serla presin atmosfrica.

Se denominabara unaunidaddepresinequivalente a un milln debarias, aproximadamente igual a unaatmsfera(1 atm). Su smbolo es bar. La palabra bar tiene su origen en bros (), que engriegosignifica peso.1 bar = 1 000 000barias= 106barias1 bar = 100 000pascales= 105pascalesNormalmente la presin atmosfrica se da en milibares, y la presin normal al nivel del mar se considera igual a 1013,25 milibares. En unidades delSistema Internacional de Unidades, la presin se mide en pascales, aunque cuando se trata de presin atmosfrica se suele utilizar elhectopascal, equivalente al milibar (1 mbar = 1 hPa).1 bar = 100 000 Pa = 1000 hPa = 100 kPa = 100 kN/m2= 1,01972 kgf/cm21 atm = 101 325 Pa = 1,01325 bar1 bar = 14,5037738PSI(= libras/pulgada2= lb/in2)1 bar = 750,062Torr(mmHg)1 atm = 760 Torr (mmHg)1 mmHg = 133,28947379 Pa

1.2.2 TemperaturaLa temperatura de un gas resulta ms difcil de definir con claridad. La temperatura es una medida de la energa cintica en las molculas. Las molculas se mueven ms rpidamente cuanto mayor sea la temperatura, y el movimiento cesa por completo a una temperatura de cero absoluto.La escala Kelvin (K) se basa en este fenmeno; por o dems, est graduada de la misma forma que la escala Celsius Celsius (C):

1.2.3 Capacidad trmicaEl calor es una forma de energa, representada porla energa cintica de las molculas desordenadasde una sustancia. La capacidad trmica (tambindenominada capacidad calorfica o entropa) de unobjeto se refiere a la cantidad de calor necesariapara producir un cambio de unidad de temperatura(1K), y se expresa en J/K.Se emplea ms habitualmente el calor especficoo entropa especfica de una sustancia, y se refierea la cantidad de calor necesaria para producirun cambio de unidad de temperatura (1K) en unamasa unitaria de sustancia (1 kg). El calor especfi -co se expresa en J/(kg x K). La capacidad calorfi -ca molar se expresa de forma similar, J/(mol x K).

El calor especfico a presin constante es siempre mayor que el calor especfico a volumen constante.El calor especfico de una sustancia no es un constante, sino que aumenta, en general, a medida que sube la temperatura.A efectos prcticos, se puede usar un valor medio.Para sustancias lquidas y slidas, cp cV c. Para calentar un fl ujo msico (m) desde una temperatura t1 a t2 se necesitar:

La explicacin de que cp sea mayor que cV es el trabajo de expansin que debe realizar el gas a una presin constante. La relacin entre cp y cV se denomina el exponente isentrpico o exponente adiabtico, , y est en funcin del nmero de tomos en las molculas de la sustancia.

1.2.4 TrabajoEl trabajo mecnico se puede defi nir como el productode una fuerza por la distancia en la que acta sobreun cuerpo. Exactamente igual que el calor, el trabajoes energa que se transfi ere de un cuerpo a otro. Ladiferencia es que se trata de fuerza en lugar de temperatura.Un ejemplo es la compresin de un gas en un cilindromediante el desplazamiento de un pistn. La compresinse produce como resultado de la fuerza que mueveel pistn. De esta forma, la energa se transfi ere delpistn al gas encerrado. Esta transferencia de energaes trabajo en el sentido termodinmico de la palabra.El trabajo mecnico asociado con los cambios de volumen de una mezcla de gases es uno de los procesos ms importantes de la termodinmica. La unidad SI del trabajo es el Julio: 1 J = 1 Nm = 1 Ws.1.2.5 Potencia

La potencia es el trabajo realizado por unidad de tiempo. Es una medida de la rapidez con la que se puede hacer un trabajo. La unidad SI de la potencia es el vatio: 1 W = 1 J/s.

Por ejemplo, la potencia o flujo energtico al eje de accionamiento de un compresor es numricamente similar al calor emitido desde el sistema ms el calor aplicado al gas comprimido.1.2.6 Caudal volumtrico

El caudal volumtrico de un sistema es una medida del volumen del fluido que circula por unidad de tiempo. Puede calcularse como el producto del rea de la seccin transversal del caudal y la velocidad media del mismo. La unidad SI del caudal volumtrico es m3/s.

1.3 Termodinmica1.3.1 PrincipiosLa energa existe en diversas formas, tales como trmica, fsica, qumica, radiante (luz, etc.) y elctrica.La termodinmica es el estudio de la energa trmica, es decir, la capacidad de producir un cambio en un sistema o de realizar un trabajo.

Primera ley de la termodinmicaSegunda ley de la termodinmicaTercera ley de la termodinmica1.3.2 Leyes de los gasesLa ley de Boyle establece que si la temperatura es constante (isoterma), tambin ser constante el producto de la presin por el volumen. El enunciado es:

La ley de Charles expresa que, a presin constante(isobara), el volumen de un gas vara en proporcin directa al cambio de temperatura. El enunciado es:

La ley general del estado de los gases es una combinacin de la ley de Boyle y la ley de Charles. Indica cmo se relacionan entre s la presin, el volumen y la temperatura. El cambio de una de estas variables afecta al menos a una de las otras dos.

La constante de gas individual R depende nicamentede las propiedades del gas. Si una masa m del gas ocupa el volumen V, la relacin se puede expresar como:

1.3.3 Transferencia de calor

Cualquier diferencia de temperatura dentro de uncuerpo o entre distintos cuerpos o sistemas origina una transferencia de calor hasta que se alcanza un equilibrio trmico. Esta transferencia de calor puede tener lugar de tres formas: por conductividad, conveccin o radiacin.La conductividad es la transferencia de calor por contacto directo de las partculas. Tiene lugar entre cuerpos slidos o entre capas delgadas de un lquido o un gas. Los tomos que vibran transfierenuna parte de su energa cintica a los tomos adyacentes que vibran menos.

La conveccin es la transferencia de calor entre una superficie slida caliente y el fluido adyacente estacionario o en movimiento (gas o lquido)

La radiacin es la transferencia de calor a travs de un espacio vaco. Todos los cuerpos con una temperatura superior a 0K emiten calor por radiacin electromagntica en todas las direcciones. Cuando losrayos calorficos golpean un cuerpo, una parte de la energa se absorbe y se transforma para calentar ese cuerpo. Los rayos que no se absorben pasan a travs del cuerpo o son reflejados por ste.En situaciones reales, la transmisin de calor es la suma de la transferencia simultnea por conductividad, conveccin y radiacin. El anunciado de la relacin de transmisin de calor es el siguiente:

La transferencia de calor se produce a menudo entre dos cuerpos que estn separados por una pared. El coefi ciente de transferencia trmica total k depende del coefi ciente de transferencia trmica de ambos lados de la pared y del coefi ciente de conductividad trmica de la propia pared.

Para una pared limpia y plana, el enunciado es:

Es necesario usar una diferencia de temperatura media logartmica m en lugar de una aritmtica lineal T.La diferencia de temperatura media logartmica se define como la relacin entre las diferencias de temperatura en los dos lados de conexin del intercambiador de calor, de acuerdo con la expresin:

1.3.4 Cambios de estado1.3.4.1 Proceso isocrico

1.3.4.2 Proceso isobrico

1.3.4.2 Proceso isotermicoPara comprimir isotrmicamente un gas en un cilindro, se debe eliminar gradualmente una cantidad de calor igual que el trabajo aplicado. Pero esto es prcticamente imposible, ya que no puede producirse un proceso tan lento.

1.3.4.4 Proceso isentrpico

Existe un proceso isentrpico cuando un gas se comprime en un cilindro totalmente aislado sin ningn intercambio de calor con el entorno. Tambin puede existir si un gas se expande a travs de una tobera tan rpidamente que no hay tiempo de que se produzca intercambio de calor con el entorno.

1.3.5 Flujo de gas a travs de una toberaEl fl ujo de gas a travs de una tobera depende de la relacin de presiones en los lados respectivos de la misma.1.3.6 Caudal a travs de las tuberasEl nmero de Reynolds es una relacin adimensional entre la inercia y el rozamiento en un medio que fluye. Se define como:

En principio, hay dos tipos de flujo en una tubera.