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VENTILACIÓN DE MINAS
PROPIEDADES QUÍMICAS Y FÍSICAS
DEL AIRE
Dr. Ing. Indalecio Quispe Rodríguez

PROPIEDADES QUÍMICAS Y FÍSICAS
DEL AIRE
◼ El aire es un gas incoloro, inodoro e insípido y favorece
la combustión y la vida; estas propiedades son
importantes en el control de calidad. El control de la
cantidad (ventilación) se refiere principalmente a las
propiedades dinámicas. Las propiedades psicrométricas
se relacionan con el comportamiento termodinámico de
las mezclas aire-agua-vapor y son de particular
importancia en el control de la temperatura y la
humedad (aire acondicionado) (Hartman, 1997).
2

PROPIEDADES DEL AIRE
3

TEMPERATURA.
◼ La temperatura. Físicamente es una magnitud
escalar dada por una función creciente del grado
de agitación de las partículas de los materiales.
◼ Es una magnitud referida a las nociones comunes
de calor o frío.
En las minas se debe efectuar la medición de la
temperatura, en estaciones de control de
ventilación, en las labores calurosas y críticas.
4

Para fines de ventilación de minas, hay cuatro
temperaturas que caracterizan a cualquier mezcla
de vapor de agua y el aire, y son:
◼ Ts = temperatura de bulbo seco.
◼ Th = temperatura de bulbo húmedo
◼ Tr =Temperatura de rocío (o punto de rocío) y
◼ Te = temperatura efectiva.
5
TEMPERATURA.

Tr = temperatura de rocío.
Es la temperatura a la que se condensará el
vapor de agua contenido en el aire
atmosférico produciendo rocío, neblina. Esta
Tr se obtiene de tablas especializadas como
en el manual de Arthur B. Cummins. Cuando
no se dispone se usa esta ecuación:
6
TEMPERATURA.

◼ La temperatura del aire se expresa en las minas, en
grados Celsius (°C) o fahrenheit (°F). A veces se
utiliza la temperatura absoluta, cuya relación entre
ambas temperaturas es:
T(°K) = t(°C) + 273,15.
Donde:
t = temperatura en °C
T = temperatura en °K.
7
TEMPERATURA.

◼ Para la conversión de °C a °F y viceversa se
usa la siguiente relación:
◼ °F =
◼ °C =
◼ El coeficiente de expansión es:
°C = 0.003663
°F = 0.002035
32
5
9
+
C
( )
32
9
5
−
F
TEMPERATURA.
8

La temperatura efectiva
La eficiencia de un trabajador está relacionado con el
clima del ambiente en que trabaja. Por eso es
importante estudiar el comportamiento humano en
un ambiente caliente, para lograr un grado de
bienestar; con este objetivo se debe tomar en
consideración 5 magnitudes determinantes:
◼ La temperatura seca.
◼ La humedad del aire.
◼ La velocidad del aire en contacto con el cuerpo humano.
◼ La radiación de las paredes subterráneas y
◼ Calor desarrollado por el metabolismo humano, cuando el
trabajador se encuentra en actividad.
9

Fig. 2.1: Efecto de las condiciones termo-ambientales sobre la eficiencia de trabajo
10

◼ Es el resultado de la combinación de la
temperatura del lugar, humedad relativa y
la velocidad del aire, que expresan el grado
de confort del ambiente de trabajo, es
igual a 29ºC (30°C)
11

◼ La temperatura efectiva en el ambiente
subterráneo se puede obtener gráficamente
utilizando el Nomograma de la figura N° 4;
también se puede determinar de manera
aproximada mediante la siguiente relación:
◼ Te = 0.3 tBS + 0.7 tBH – V, o
◼ Te = 0.9 tBH + 0.1 tBS
◼ Donde:
◼ tBS = Temperatura de bulbo seco, en °C
◼ tBH = Temperatura de bulbo húmedo, en °C
◼ V = Velocidad del aire, en m/s
12

◼
13
DENSIDAD DEL AIRE (aire seco)
1.- Para el aire seco:

14
DENSIDAD DEL AIRE
El aire de la mina es una mezcla de gases y vapor de agua. La densidad es el
peso por unidad de volumen de la mezcla de aire y vapor de agua, que está
en función de la presión barométrica y las temperaturas del bulbo seco y
húmedo.
1.- Para el aire considerando la humedad del ambiente:

◼
15
DENSIDAD DEL AIRE

16
DENSIDAD DEL AIRE
c.- Según A. Novitzky tenemos:
Donde:
= Peso específico del aire en Kg/m3.
P = Presión barométrica en, mmHg.
PS = Tensión de vapor saturado a temperatura dada en, mm Hg.
 = Humedad relativa
T = Temperatura absoluta (273 + °C.)
T
P
P S

176
.
0
465
.
0 −
=

17
HUMEDAD DEL AIRE
El aire atmosférico siempre contiene cierta cantidad de vapor
de agua y no existe el aire seco; se expresa en gramos o
kilogramos de vapor de agua por 1 kg de aire seco.
Según la forma cómo se calcula la cantidad de vapor de agua
que contiene el aire, tenemos dos tipos de humedad:
a.- Humedad específica y
b.- humedad relativa.

18
HUMEDAD DEL AIRE
a.- Humedad específica (W):
Denominado también Humedad absoluta o contenido de
humedad.
Es el peso de vapor de agua contenido por unidad de peso de
aire seco:
Donde:
W = Humedad específica en, lb vapor/lb aire seco (gr vapor/gr aire seco)
Pv = Presión de vapor real del aire húmedo en, in Hg (Pa)
Pb = Presión barométrica en, in Hg (KPa)
Cabe indicar que Pb como Pv debe tener la misma unidad, inclusive si usara cualquier
otra.

19
HUMEDAD DEL AIRE
b.- humedad relativa (HR).
La humedad relativa (HR expresado en %) es la relación de
presiones de vapor del aire en condiciones dadas (Pv) y en
saturación (Ps), a la misma temperatura (tenga en cuenta que la
humedad relativa y el grado de saturación no son numéricamente iguales):
Donde:
HR = Humedad relativa, %.
Pv = Presión de vapor a la temperatura T, en in Hg (Pa)
Ps = Presión de vapor de aire saturado a la temperatura de bulbo seco, en in Hg
(Ps). Este dato se puede tomar de las tablas psicrométricas (tercera columna de
tabla 11).
HR=
HR=

20
HUMEDAD DEL AIRE
HR=
HR=
La humedad relativa normalmente no se utiliza en los cálculos, pero es la
manera de expresar la humedad y es un dato muy importante que tiene que
ser determinado en el campo tanto en minas frígidas como en las minas
calurosas, para ver la forma técnica de crear un ambiente de trabajo
confortable, que le permita al trabajador hacer sus actividades sin mucho frío
que lo entumece, o trabajar sin mucho calor que lo agota hasta ciertos
límites.
Cuando el aire está un tanto seco decimos que el aire tiene 30% de HR;
cuando el aire tiene 65% de HR podemos decir que hay un buen ambiente
para trabajar. Para medir la humedad relativa existen aparatos para
determinar directa o indirectamente.

PRESIÓN ATMOSFÉRICA
◼
Dr. Ing. Indalecio Quispe Rodríguez 21

PRESIÓN DE SATURACIÓN
Existe una relación temperatura-presión de saturación,
es decir, para cada temperatura, existe una presión del
gas en el que se producirá condensación
correspondiente. Estas presiones de vapor de
saturación a diferentes temperaturas se determinan
experimentalmente y de las tablas de presiones de
vapor de saturación (Goff y Gratch, 1945).

◼ … Si no se dispone de tablas de vapor, se
pueden calcular las presiones de vapor de
saturación mediante las ecuaciones
empíricas a cualquier temperatura t; estas
fórmulas producen resultados correctos con
un error menos de ½% de los valores dados
en las tablas estándar.

◼ … Estas ecuaciones empíricas para cualquier
temperatura t, son:
Donde:
◼ Ps = Presión de vapor de saturación a la
temperatura de bulbo seco en, pulg.Hg (Pa);
también se halla directamente de la tabla 11.
◼ t = Temperatura del aire de bulbo seco, °F (ºC)

PRESIÓN DE VAPOR
Es la presión parcial de vapor de agua en el aire
(relacionada con la presión barométrica y la presión
parcial de aire seco en la Ecuación 2.1):
Donde:
Pv = Presión de vapor de agua en, pulg Hg (Pa)
= Presión de saturación de vapor de agua a la temperatura de
bulbo húmedo en, pulg Hg (Pa) (se halla reemplazando Th en ecuación de Ps )
Ts = Temperatura de bulbo seco, ºF (ºC).
Th = Temperatura de bulbo húmedo, ºF (ºC).
Pb = Presión barométrica en, pug Hg (KPa)

VOLUMEN ESPECÍFICO DEL AIRE.
◼ Es el volumen v en m3 ocupado por 1
Kg de aire a presión y temperatura
dadas:
◼ v = 1/, m3/Kg
26

Donde:
= Volumen específico en m3/kg de aire húmedo
T = Temperatura en grados kelvin
Pb = Presión atmosférica en KPa o Pa
Pv = Presión de vapor en Pa.
27

◼ Asimismo, el volumen específico del aire húmedo no
saturado, , se puede calcular a partir de la ley
general del gas para 1 kg de la mezcla de aire/vapor
con:
28

EQUIPOS DE MEDICIÓN EN
VENTILACIÓN DE MINAS
◼ Para temperaturas
◼ Humedad relativa
◼ Velocidad del aire
◼ Caudal de aire
◼ Presiones

Psicrómetro giratorio, también llamado
de honda o de eslinga
30
PSICRÓMETROS

31
HYGRO TERMO-ANEMÓMETRO
MODELO407412

HYGRO TERMO-ANEMÓMETRO – MODELO407412
1 . -Enchufe de la entrada de la
sonda
2.- Enchufe de salida RS-232
3.- Pantalla LCD
4.- Teclado
5.- Compartimento de la batería
6.- Funda protectora de hule
7.- Cabeza de la sonda de la
veleta
8.- Cabeza de la sonda de HR
HOLD = Botón para retención de
datos.
RECORD = Botón para registro
de datos.
RECALL = Botón para
recuperación de datos
32

Higro-termo-anemómetro de modelo 407412
tenemos las siguientes especificaciones de escala
ESCALA PRECISIÓN
VELOCIDAD DEL AIRE
80 – 4921 ft/min ± (2% + 20 ft/min)
0.4 – 25 m/s ± (2% + 0.2 m/s)
TEMPERATURA
32°F a 122°F / 0°C a 50°C ± 1.5°F / ± 0,8°C
HUMEDAD RELATIVA
10 a 70% HR ± 3% HR
70 a 95% HR ± 4% HR
33

ANEMÉMETRO TÉRMICO

ANEMÓMETRO NO DIGITALES (DAVIS)
◼ Son pequeños equipos aeromotor de 3"
a 4" de ∅ cuyas paletas giran a una
velocidad de acuerdo con la del aire.
35
Rango de
Velocidad
100 – 3000 p/min
Msc. Ing. Indalecio Quispe Rodríguez

El anemómetro de rueda alada LCA-
301
Anemómetro ligero, robusto y de fácil manejo
sirve para determinar la velocidad y el caudal del
aire en m³/s o m³/h.
➢ Alta precisión
➢ Mide velocidad del aire y temperatura
➢ Calcula el caudal
➢ Rango 15 m/min a 1800 m/min (0.25 a 30 m/s)
➢ Temperatura del aire 0° a +50°C
➢ Volumen de corriente 0.01 a 3000 m3/s
Precisión:
➢ Velocidad del aire ± 1% (del rango de medición)
➢ Temperatura del aire ± 1°C
36

ANEMÓMETROS DIGITALES
(Botón ON y MODE)
37

38

TUBO DE HUMO Y PERA DE JEBE

ANEMÓMETRO DIGITAL y DISTANCIÓMETRO

Manómetro y tubo de Pitot
El instrumento se coloca en el ducto y/o el conducto paralela
a su eje con la punta “d” mirando hacia dónde viene el aire.
42

Instrumento para medir la presión con indicador de nivel de agua con tubo en U
43

Tubo de Pitot

Msc. Ing. Indalecio Quispe Rodríguez 45

MOVIMIENTO DEL AIRE
Existen dos tipos de movimiento:
◼ Movimiento laminar.
◼ Movimiento turbulento.
Estos movimientos de los fluidos fueron estudiados por
Osborne Reynolds, determinando que el movimiento del
aire depende del caudal, la velocidad, el diámetro del
ducto y de su viscosidad.
46

MOVIMIENTO DEL AIRE
Existen dos tipos de movimiento:
◼ Movimiento laminar. Es el movimiento lento del aire
cuyas partículas se mueven paralelamente o en capas
bien ordenadas sin poder mezclarse.
◼ Movimiento turbulento. Es el movimiento del aire
cuyas partículas comienzan a mezclarse entre sí con el
aumenta de la velocidad, formando torbellinos y con
una apariencia totalmente irregular.
47

MOVIMIENTO DEL AIRE
La viscosidad.
Es el rozamiento interno por el desplazamiento recíproco
de las partículas del fluido.
Por ejemplo:
◼ El agua tiene una viscosidad escasa.
◼ Los aceites son muy viscosos.
48

MOVIMIENTO DEL AIRE
La viscosidad.
En los cálculos de ventilación se utiliza la viscosidad
dinámica y se determina por:
μaire = (17.0 + 0.045 t) x 10-6 ,Ns/m2
μagua = [64.72/(t + 31.766) – 0.2455] x 103 ,Ns/m2
Donde:
t = temperatura en °C en el rango de 0°C a 60°C
49

MOVIMIENTO DEL AIRE
La viscosidad.
Número de Reynolds (Re):
Re ≤ 2500 (Flujo laminar)
Re ≥ 2500 (Flujo turbulento)
ρ = Densidad aire, Kg/m3
µ = Viscosidad dinámica del aire, Ns/m2
D = Dimensión fundamental del ducto, m
V = Velocidad, m/s
50

LEYES BÁSICAS QUE RIGEN EL FLUJO DE AIRE EN
LAS MINAS.
◼ Las leyes de los gases (Ley de Boyle, ley de Gay-Lussac, ley de
Dalton, Ley de Grahan), procedentes de la Química y Física
elementales son correctas sólo para los gases ideales
o hipotéticos; sin embargo, son lo suficientemente
precisas para el aire normal, por lo que se emplea en
todos los cálculos rutinarios del aire acondicionado.
51

LEYES BÁSICAS QUE RIGEN EL FLUJO DE AIRE EN
LAS MINAS.
◼ Para Ventilación de minas se aplican los principios de
dinámica de fluidos para el flujo de aire en las
aberturas subterráneas, y corresponde a la Teoría
Circulatoria (Hidrodinámica y Aerodinámica),
cuando se trata de los gases se denomina
Aerodinámica.
52

◼ Las siguientes leyes de los gases son:
- Ley de Boyle,
- Ley de Charles’s y Gay - Lussac,
- Ley de Dalton,
- Ley de Grahan).
El aire de la mina es una mezcla de gases y de vapor de
agua, cuyo comportamiento se asemeja a los gases
perfectos.
También el aire de ventilación se encuentra en
movimiento por lo que su comportamiento se rige por
otros principios de la dinámica de fluidos como la ley de
continuidad, ley de Bernoulli, etc.
Cont…LEYES BÁSICAS QUE RIGEN EL FLUJO DE AIRE
EN MINAS.
53

LEY DE BOYLE’S Y MARIOTTE
54

55

56

◼ Los “volúmenes o el volumen específico (V) de un gas
son directamente proporcionales a las temperaturas
absolutas (T), a presión constante:
= = constante, o sea V/T = Constante;
significa que el volumen V de un mol de gas crece
proporcionalmente a 273+t, cuyo cero se encuentra a –
273°C por debajo del punto de congelación del agua.
2
1


2
1


57
LEY DE CHARLES’S Y GAY-LUSSAC

◼ También para v1 > v2 y ω1 > ω2, los volúmenes son
inversamente proporcionales a sus pesos
específicos:
=
◼ Expresado alternativamente, a volumen constante,
la “presión de un gas es directamente proporcional
a la temperatura absoluta (T)”:
2
1


1
2


58
LEY DE CHARLES’S Y GAY-LUSSAC
2
1
2
1


=



LEY GENERAL DEL GAS (Combinado)
◼ Que también puede expresarse por:
◼ P x  = R x T, Esta expresión recibe el nombre de
ecuación de estado de los gases perfectos.
Donde “R” es una constante que depende únicamente
de la clase del gas de que se trate y se llama
“constante de los gases”
59

LEY GENERAL DEL GAS (Combinado)
◼ T = 273 + t
◼ En unidades del Sistema Internacional
◼ R = 29.27, para el aire seco (m/°K).
◼ R = 47.1, para el vapor de agua.
◼ R = 53.35 en ft.lb/lb-masa.°R (J/Kg.°K).
◼  = Volumen específico del gas en ft3/lb (m3/Kg)
◼ P = Presión absoluta en psi (KPa)
60

LEY DE DALTON’S
La presión total P ejercida por la mezcla de
gases es igual a la suma de las presiones
parciales de los gases individuales. Para el aire
normal, la presión barométrica Pb (Presión
total) es:
Pb = Pa + Pv
Donde:
Pa = Presión parcial de aire seco
Pv = Presión parcial de vapor de agua.
61

1. Calcular el peso específico normal del
aire seco, asumiendo las condiciones
estándar.
62
EJEMPLOs

EJEMPLOS DE APLICACIÓN
2.- En los trabajos de ventilación de minas se han
obtenido por medición los siguientes valores promedio:
◼ Aire fresco: Aire de retorno:
◼ Ts = 63 °F Ts = 75 °F
◼ Th = 55 °F Th = 70 °F
◼ Presión barométrica (Pb) 29 pulg Hg Presión barométrica (Pb) 27 pulg Hg
◼ Q = 120 000 CFM Qs = ……..
◼ Hallar el contenido de vapor de agua en el ambiente
de trabajo.
63

64
5. En un ambiente de trabajo se determina
humedad relativa de 55%, temperatura 37 °C
¿Cuánto debe ser la velocidad del aire para
obtener una temperatura efectiva de 30 °C?

6.- Por un pozo de ventilación de 5 m de diámetro
fluye un caudal de aire de 200 m3/s con una densidad
media de 1,2 kg/m3 y una temperatura media de
18ºC. Determine el número de Reynolds para el pozo.
65

PRESIONES
◼ La presión es la fuerza que se necesita
para mover un peso de aire o para
vencer la resistencia de flujo.
◼ Se mide en pulg. de agua, pulg. de Hg,
PSI, mm de agua y pascal (Pa).
66

Los resultados de un estudio de presión pueden utilizarse
para:
◼ Localizar las zonas de mayor caída de presión.
◼ Obtener la información necesaria para una
planificación de ventilación.
◼ Determinar la resistencia de los conductos de
ventilación.
◼ Indicar el poder total en las diferentes partes
de la mina.
◼ Indicar las áreas donde se presentan fugas y/o
recirculación del aire.
67

Cuando el aire circula en una mina, se
presentan 3 diferentes presiones:
1) Presión estática.
2) Presión de velocidad, y
3) La presión total.
68
PRESIONES

PRESIÓN ESTÁTICA (HE)
◼ Es la presión del aire que actúa en las
paredes del ducto y conducto,
forzándoles a expandir y es ejercida
independientemente de cualquier
movimiento.
69

LA PRESIÓN ESTÁTICA
Fig. 2.2: Medición de la presión estática con indicador
lateral.
70

PRESIÓN DE VELOCIDAD (Hv)
◼ Es la cantidad de energía necesaria para
vencer las pérdidas por cambio en el diámetro
del conducto expresado en términos de
velocidad del aire o es la presión resultante
del movimiento del aire.
71

◼
Cont…PRESIÓN DE VELOCIDAD (Hv)
72

◼ Esta presión de velocidad se toma en la
descarga del sistema y no es una pérdida
de presión acumulativa. La presión de
velocidad (HV) siempre tiene un valor
positivo, mientras la presión estática
puede ser positiva o negativa.
73

Fig. 2.3: Medición de la presión de velocidad con
medidor frontal conectado a un medidor lateral.
74

◼ Cuando permanecen igual el caudal de
aire, su densidad y el tamaño del
conducto, permanecerá constante la
presión de velocidad a lo largo del
conducto.
75

PRESIÓN TOTAL (HT)
◼ Es la suma de las presiones de velocidad y
de presión estática.
HT = HE + HV
HV = HT - HE
HE = H1= Hf + Hx
HT = HE + Hv = , pulgH2O
( )
v
e
H
A
Q
L
L
KO
+
+
3
2
2
.
5
76

Fig. 2.4: Medición de la presión con medidor frontal.
77
PRESIÓN TOTAL (HT)

78

Del análisis de estas presiones tenemos los
siguientes conceptos útiles:
◼ Si asumimos un sistema sin fricción, la presión
total siempre permanece igual.
◼ La presión no puede existir en forma
independiente, es necesario que exista
resistencia en el sistema.
79
PRESIONES

PRESIÓN ATMOSFÉRICA.
Es la presión debida al peso del aire sobre
la superficie de la tierra, o es la fuerza
ejercida por el aire atmosférico sobre los
objetos que se hallan en contacto con él.
◼ Se mide con Barómetro expresada en
pulgadas de Hg y se llama presión
barométrica.
80

PRINCIPIO DE PRESIÓN ATMOSFÉRICA
81

La presión atmosférica, a nivel del mar se
expresa en:
760 mm Hg
1 atmósfera
10.33 m H2O
14.7 lb/pulg2.
1.03322 Kg/cm2.
82
PRESIÓN ATMOSFÉRICA.

En ausencia del Barómetro se mide
indirectamente, con la fórmula:
◼ log  = log P1 –
Donde:
 = Presión atmosférica a la altura “h”, en
lb/pulg2
( )
460
4
.
122 +
F
h
83

◼ P1 = Presión atmosférica a nivel del mar
= 14.7 lb/pulg2
◼ h = Altura sobre el nivel del mar, pies.
◼ °F = temperatura a la elevación “h”
84
En ausencia del Barómetro se mide
indirectamente, con la fórmula:

◼ Ejemplo:
Determinar la presión atmosférica en la
estación del pique principal del nivel 105,
para una altura de h = 12,848.76 ft, se
ha registrado una temperatura de
13.8°C.
85
PRESIÓN

SOLUCIÓN
86

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