CFD Ventilacion mina El Pimiento

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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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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