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escubra cómo el enfriamiento con hielo en este tipo de espacios permite lograr una productividad más sostenible y consolidar las ganancias.
por Pierre Brisset*
En la primera parte de este artículo se analizaron los problemas de calor en instalaciones subterráneas y enfriamiento de minas, y se hablaron sobre las razones de incluir el hielo en la estrategia global para enfriar. Además, se hizo una reseña de los sistemas de enfriamiento con hielo y sus beneficios. Continuamos ahora destacando las ventajas del hielo para esta clase de espacios.
Ventajas del hielo sobre el agua: Uno de los principales beneficios de usar hielo en vez de agua es la reducción del flujo de masa y, por consiguiente, los volúmenes de agua que se deben bombear a la superficie después del enfriamiento.
El hielo es energía de enfriamiento pura. Gracias a su singular calor latente de fusión, (capacidad de absorber el calor a medida que se derrite), una determinada masa de hielo proporciona mucho más enfriamiento que la misma cantidad de agua. Mientras que un litro de agua absorbe 4kj/K, un Kg de hielo absorbe 333kj a medida que se derrite (de -0 ° C a + 0° C). Introducir hielo en el pozo de la mina, permite, por lo tanto, reducir la masa líquida que se debe retornar a la superficie.
Otra ventaja es la menor pérdida de calor mientras que el medio de enfriamiento está viajando desde la superficie hasta el rebaje. El agua enfriada absorbe 5 grados por cada 1 km recorrido bajo tierra. El agua ya está templada cuando llega a los niveles inferiores. Por el contrario, el hielo cae en unos pocos segundos, con sólo un mínimo de calentamiento y de fusión (la admisión de calor está en el intervalo de 10 kJ/kg/1000 m). Después de la descongelación, el agua de fusión sigue siendo más fría que cualquier agua introducida desde la superficie.
Nuestro primer ejemplo es tomado de una mina que necesitaba combatir una carga térmica de 15 MW mediante la introducción de agua a 5°C en una presa subterránea ubicada a 2.000 metros bajo la superficie. Vamos a evaluar el ahorro en energía de bombeo que se puede lograr sustituyendo el agua por hielo.
1-Flujo de agua requerido
En primer lugar, debe tenerse en cuenta el aumento de la temperatura del agua en el tubo vertical. En la práctica, el agua a 5°C introducida desde la superficie llega al disipador frío a una temperatura de 13°C aproximadamente.
Si se suministra agua a 13°C a la presa subterránea y si se devuelve a 25°C, entonces el flujo de masa de agua (Mw) necesaria para luchar contra una carga de calor (Q) de 15 MW es de 299 L/s (1). Para realizar la misma labor, el flujo de masa de hielo necesario (Mi) es de sólo 36 Kg/seg (2).
En otras palabras, si se introduce hielo desde la superficie, sólo es necesario bombear de nuevo 3.100 toneladas/día en lugar de 25.800 toneladas de agua.
2-Ahorro en energía de bombeo
La potencia de bombeo requerida (P) está en función del flujo de masa (M), la elevación (H) y la eficiencia de la bomba (ƞ), con arreglo a la siguiente fórmula P = M x H/(367 x ƞ).
Dónde:
- P se expresa en kWe,
- M en m³/h,
- H es la columna de agua en m,
- ƞ es la columna de agua en m, x ƞ). 367 x
- 367 = 3.600 segundos en una hora/g : 9.81
Por lo tanto, el requerimiento de potencia si se introduce hielo desde la superficie, será 940 kWe (3), en lugar de 7.820 kWe (4) empleando agua.
El ahorro de potencia es de 6.880 kWe y los ahorros energéticos anuales corresponden a 59.443 000 kWh. A 0.07 $/kWh, el ahorro anual representa más de 4 millones de dólares.
Sistema de enfriamiento con hielo en superficie: En el siguiente ejemplo, un sistema con hielo de 1.200 toneladas fue instalado junto a la cabeza del pozo y se puso en funcionamiento en menos de un mes.
La compañía emplea a 3.800 personas y realiza extracciones a una profundidad de unos 2.400 metros, donde la temperatura de la roca virgen puede llegar a 50°C. La mina opera tres turnos con una presencia permanente de centenares de mineros bajo tierra, quienes dependen de la refrigeración. Sin un adecuado acondicionamiento del aire no sería posible permanecer bajo tierra durante mucho tiempo.
El hielo se produce en la superficie y se introduce en el corazón de la mina a una profundidad de 1.800 m, para mantener una gran reserva de agua fría a 10°C. Esta presa subterránea de 2.000 m³ permite enfriar el ambiente de trabajo, las herramientas y los equipos a una temperatura muy por debajo de la temperatura de bulbo húmedo de 27°C.
Mediante la sustitución de agua con hielo, la mina podría disminuir el flujo de masa siete veces. El ahorro estimado es superior a 10 megavatios en la potencia de bombeo, que equivale a $7.000.000 de dólares por año.
En la siguiente gráfica se ilustra un sistema típico de enfriamiento con hielo **.
Gráfico 1.
**Es importante señalar que la ilustración muestra dos posibles opciones que no fueron implementadas en este proyecto: un sistema de recuperación de calor para calentar la porción superior de la mina (para países fríos) y una mezcladora de hielo para bombear hielo líquido a lo largo de los arrastres hasta el rebaje.
El hielo hecho en superficie cae por el pozo a la presa de agua subterránea. Enfría el agua por debajo de 10°C, la cual se distribuye posteriormente desde la presa hasta los lugares de trabajo subterráneos. El barro se separa del agua en la parte más baja de la mina.
El agua caliente es redistribuida hasta la presa de agua helada, donde se vuelve a refrigerar con hielo nuevo y es nuevamente redistribuida. El exceso de agua es bombeado a la superficie para ser limpiado y nuevamente refrigerado y congelado.
Es importante señalar que en este proyecto el hielo no fue bombeado más allá del disipador frío. Sin embargo, si se requiere una mezcla de hielo y agua a 0°C podrían ser mezclados en una mezcladora, con una proporción de hielo-agua 20/80% y dicha mezcla puede ser bombeada a una distancia mayor, hasta los lugares de trabajo.
Regresa el concepto de enfriamiento con hielo a las minas: Hasta hace poco, las aplicaciones del hielo en las minas habían sido mínimas. Se había empleado exclusivamente en minas extremadamente profundas, tales como la mina de oro M’poneng de 4 km de profundidad, la más profunda del mundo. De hecho, hasta hace poco, la construcción de estas grandes fábricas de hielo planteaba graves problemas técnicos.
Actualmente son mucho más fáciles de instalar y operar de forma completamente automatizada.
Hoy en día las grandes fábricas de hielo están compuestas por varias plantas de hielo idénticas y modulares. Cada planta tiene una capacidad de 220 toneladas/día (1.2 MW) aproximadamente. Las plantas están integradas en contenedores ISO. Son resistentes a las condiciones climáticas, de modo que no es necesario construir estructuras adicionales. Gracias a la estandarización y la reducción del tamaño, los tiempos de montaje y puesta en marcha de fábricas de hielo gigantes se reducen de manera radical. Una planta de 220 toneladas puede ponerse en servicio en un proyecto determinado en tan sólo dos semanas. Del mismo modo, cada planta puede ser fácilmente reubicada al final del proyecto. Es posible incorporar más plantas de forma progresiva, según sea necesario, para construir una fábrica de hielo más grande de varios megavatios
Las plantas operan 24 horas al día, los 7 días de la semana, y el mantenimiento requerido es mínimo. Las plantas de hielo modernas están optimizadas para funcionar con altas temperaturas de evaporación que requieren un alto coeficiente de rendimiento (COP). Cada unidad de energía eléctrica consumida genera tres veces más energía de refrigeración.
En consecuencia, es cada vez más fácil construir y operar fábricas de hielo en superficie, mientras que el bombeo de agua se hace cada vez más caro. Estas mejoras técnicas hacen que los sistemas de enfriamiento con hielo sean económicas desde el nivel 33 (aproximadamente 1.000 m de profundidad).
Pie de página :
1. Flujo de masa de agua: El cálculo del flujo de masa de agua requerido, Mw, se establece mediante un sencilla ecuación : Mw = Q/Cw x ∆t, donde ∆t es la diferencia de temperatura entre el agua suministrada y el agua de retorno. El flujo Mw requerido es (15 x 10⁶)/4187 x (25 – 13). Mw=299 Litros/seg.
2. Flujo de masa de hielo : Con el hielo, la ecuación tiene en cuenta el calor latente de fusión del hielo y se convierte en Mi = Q/ (Li + Cw x ∆t,). Al representar la pérdida de calor de 20 j/Kg/1000m (, Mi = Q/ (Li-20 + Cw x ∆t,). El flujo de hielo calculado es (15 x 10⁶)/(313 500 + 4187 x 25). Mi = 36 Kg /segundos. (Duván, esta coma aquí es algo rara, no sé si será un error tipográfico).
3. Requerimiento de potencia (hielo) : Pi = 129 x 2000/367x 0.75. = 940 kWe
4. Requerimiento de potencia (agua) : Pw = 1076 x 2000/367x 0.75. = 7 820 kWe
* Pierre Brisset es representante de la empresa KTI Ice Applications, puede ser contactado al correo electrónico: [email protected]
