3 10 64 https://repoedum.ismm.edu.cu/files/original/d3e4ab7a1813645932fdefa5ef0c35b4.pdf a3b5cbd581e60ee678c80f8af18285ad PDF Text Text Tesis doctoral OBTENCIÓN DE CARGAALEANTE PARA COMBUSTIBLES DE SOLDADURA UTILIZANDO RESIDUAL CATALÍTICO Y CROMITA CUBANA Félix Ariel Morales Rodríguez �REPÚBLICA DE CUBA MINI STERIO DE EDU CACI ÓN SUPERIOR INST ITUTO SUPERIOR MINERO METALÚ RGICO “DR. ANTONIO NÚÑEZ JIMÉNEZ” FACU LTAD DE MET ALURGIA Y ELECTROME CÁNI CA DEPEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MEC ÁNICA TESI S PRESENTAD A EN OPCIÓN AL GRADO CIENTÍ FICO DE DOCTOR EN CIEN CIAS TÉCNICAS RESUMEN TÍTU LO: OBTENCIÓN DE CARGA ALE ANTE PARA CONSUMIBLES DE SOLDADURA UTIL IZANDO RESIDU AL CATALÍTICO Y CROMITA CUBANA Au to r: M S c . FÉLIX ARIEL MORALES RODRÍG UEZ TUTORES: Dr.C Dr.C Dr.C Dr.C Lorenzo Perdomo González Rafa el Quintana Puchol Manu el Rodríguez Pére z Euli cer Fernández Maresma Moa, 2005 �2 SINTESIS Se exponen los resultados de la obtención de una carga aleante para consumibles de soldadura a partir de la conformación de una carga metalúrgica con el residual catalítico base óxido de vanadio (V) y la cromita refractaria cubana en una relación de 2,17. Se planifica un diseño de experimentos con restricciones del tipo Mc. Lean Anderson, donde se introducen como variables independientes los contenidos de caliza, fluorita y coque. Como región de trabajo para la escoria, se define la zona de espinelas en el diagrama ternario del tipo SiO2 – Al2O3 – MgO en el rango de temperaturas de 1 600 oC y 1 800 oC. Las cargas se someten al proceso de reducción carbotérmico en un horno de arco eléctrico con crisol de grafito. Para la evaluación de las aleaciones como cargas aleantes, se tomaron las corridas B y D, que son las que tienen menor y mayor contenido de cromo y vanadio respectivamente y los resultados de las caracterizaciones de los depósitos de soldadura arrojaron la presencia de fases de carburos en una matriz de martensita con los valores de dureza de 667,6 y 695,3 HV; lo que las convierte en cargas aleantes idóneas para la fabricación de electrodos tubulares revestidos para recargue mediante soldadura manual por arco eléctrico. En la prueba de desgaste por abrasión pin-disco abrasivo, los menores valores de desgaste se obtuvieron en el depósito de soldadura del electrodo con la carga aleante de D, que con relación a los electrodos comerciales de los tipos N 700 y el 4004 N de la firma Eutectic Castolin. El costo de fabricación de electrodos correspondientes a la carga aleante D, es considerablemente menor, llegando a $ 3 243.78 CUC/tonelada. La metodología empleada resuelve los posibles impactos ambientales de los desechos del procesamiento de los residuales catalíticos de óxidos de vanadio (V) y representa una solución importante ante los efectos negativos que pueden provoca la acumulación de estos residuales contaminantes en distintas industrias del país. �3 INTRODUCCIÓN En la medida en que la economía nacional se reanima, los niveles de consumo de materiales para soldar se incrementan y entre ellos juegan un papel fundamental aquellos destinados a las industrias recuperadoras de piezas. Por sus altos niveles de consumos, entre estas industrias se destacan: la industria del cemento, la industria de materiales de la construcción, la industria minero-metalúrgica; en procesos tales como extracción de minerales y su procesamiento y en la industria agroazucarera. En el caso específico de la industria minero-metalúrgica y de materiales de la construcción, existe un gran volumen de piezas sometidas a condiciones de desgaste de alta abrasión que son recuperadas o fabricadas con recargue superficial en las partes de trabajo, aplicando tecnologías de soldadura manual con arco eléctrico. Estas operaciones según Rivera, 2004, en el año 2003 se llegaron a consumir más de 40 toneladas en las diferentes ramas de la economía cubana con un valor de unos $250 000.00 CUC. En estos casos los electrodos tubulares revestidos con alto nivel de aleación pueden tener gran aplicación dada la versatilidad que poseen, con relación a la obtención de depósitos de soldadura adecuados, variando simplemente la composición de la carga del aleante del mismo. La demanda creciente de materiales para soldar destinados a la recuperación de piezas, unidas a la imposibilidad de muchas empresas para adquirir los consumibles adecuados en el mercado internacional, han acelerado los trabajos de investigación y desarrollo encaminados a obtener productos nacionales que permitan sustituir parcial o totalmente estas importaciones. Una de las características más comunes para la restauración de piezas desgastadas en la industria minero-metalúrgica y otras ramas de la economía donde predominan los mecanismos de desgaste por abrasión, es que se requieren depósitos de soldadura con altos valores de dureza que oscilan entre 40 y los 64 HRC. Entre estas piezas se encuentran los sinfines en el transporte de materiales en las plantas de procesos, los sistemas de trituración y molienda de mineral, los sistemas para la preparación de pulpa en la Empresa “Pedro Sotto Alba”, así como �4 los equipos de laboreo y carga en las minas y las máquinas de preparación de mezclas de moldeo en los talleres de fundición en la Empresa Mecánica del Níquel. En estos depósitos de soldadura se requieren elementos de aleación tales como: el carbono, el cromo, el molibdeno y el vanadio; todo lo cual encarece la producción de estos tipos de electrodos. En Cuba se disponen de fuentes no clásicas que permiten la obtención de metales como el cromo y el vanadio a partir de reservas de cromitas refractarias estimadas en más de 5 000 000 de toneladas métricas (Leyva, et. al, 1997; Proenza, 1997; Perdomo, 1999; Arniella y Quintana, 2002); así como la existencia de fuentes potenciales de vanadio no explotadas hasta ahora, como son los residuales catalíticos que se producen en las plantas durante la obtención de ácido sulfúrico (Morales, 2002 y 2004a). Por otra parte, en las empresas de fundición, donde fundamentalmente se utiliza el coque como combustible en los hornos de cubilote, existen reservas de residuales que por no poseer la granulometría requerida, normalmente se desechan y pueden ser empleados en otros procesos industriales (Cruz, 2001; Morales et. al., 2002). En el país funcionan tres plantas para la obtención de ácido sulfúrico que emplean la conversión catalítica del SO2 a SO3, para lo que se utilizan catalizadores base óxido de vanadio (V). Según estimados (Morales et. al., 2002 y 2004a), anualmente se generan unas 20 toneladas de residual catalítico, existiendo en almacenes especiales unas 200 toneladas. Según estudios preliminares (Morales 2002, 2004b y 2004a), una adecuada estrategia de conformación de las cargas metalúrgicas utilizando el residual catalítico de vanadio y la cromita refractaria cubana debe permitir la obtención de aleaciones multicomponentes de cromo-vanadio factible de ser utilizada en la conformación de cargas aleantes en electrodos tubulares, destinados al relleno superficial de piezas que trabajan en condiciones de alta abrasión. En el Centro de Investigación de Soldadura de la Universidad Central “Martha Abreu” de Las Villas se han desarrollado procesos metalúrgicos carbotérmicos y aluminotérmicos a nivel de laboratorio y miniplanta reflejados en los trabajos de Perdomo, 1999; Marcelo, 1999, Cruz, 2001 y Rodríguez, 1992 a y b; los que han �5 permitido el procesamiento de disímiles minerales metálicos y no metálicos cubanos con el objetivo de obtener componentes de cargas aleantes para consumibles de soldadura destinados, en lo fundamental, a la recuperación de piezas. De igual manera, en el Instituto Superior Minero Metalúrgico Moa, se ha acumulado una vasta experiencia en los procesos metalúrgicos de elaboración de minerales fundamentalmente de níquel, así como en otros procesos afines o complementarios necesarios para el procesamiento de minerales metálicos y no metálicos. Lo analizado anteriormente permite trazar una estrategia para evaluar y proponer un método eficaz de tratamiento carbotérmico de residuales catalíticos base óxido de vanadio (V) conjuntamente con otros minerales cubanos, para obtener cargas aleantes multicomponentes factibles de utilizar en la fabricación de consumibles de soldadura. Para el desarrollo del trabajo se establecen como los elementos fundamentales en la investigación los siguientes: Situación problémica Necesidad del estudio, propuesta y validación de un proceso metalúrgico eficaz para el tratamiento simultáneo de la cromita refractaria cubana y el residual catalítico de V2O5 almacenados en el país que permita obtener una carga aleante factible de emplear en la fabricación de electrodos para la recuperación de piezas desgastadas. Objetivo Obtener una aleación de hierro-cromo-vanadio para la fabricación de electrodos tubulares para recargue de superficies a partir de la reducción carbotérmica de residual catalítico de óxido de vanadio (V) y cromita refractaria cubana. Problema científico El alto contenido de SiO2 y azufre en el residual catalítico de V2O5 limitan el empleo de la tecnología convencional para la obtención de cargas aleantes para la fabricación de electrodos de soldaduras. �6 Objeto de investigación Obtención de una carga aleante multicomponentes a partir de la reducción carbotérmica simultánea de cromita refractaria cubana y residuales catalíticos de óxido de vanadio (V). Hipótesis La reducción carbotérmica de residuales catalíticos base óxido de vanadio (V) y cromita refractaria cubanas, posibilita recuperar los valores metálicos presentes en los mismos y obtener una carga aleante multicomponentes factible de utilizar en la fabricación de electrodos tubulares revestidos para el recargue de superficies. Novedad científica Se propone y valida, con criterios científicamente argumentados, la obtención con altos niveles de recuperación de los valores metálicos de una aleación multicomponentes para la formulación de electrodos de soldadura y una escoria del tipo SiO2 – Al2O3 – MgO, utilizando la reducción carbotérmica del residual catalítica de óxido de vanadio (V) y la cromita refractaria cubana Aporte metodológico Se establece y valida una metodología de procesamiento metalúrgico por reducción carbotérmica simultánea de residuales catalíticos base óxido de vanadio (V) y cromitas refractarias cubanas que permite obtener, como producto final, cargas aleantes para consumibles de soldadura. Aporte económico Se propone un método de obtención de consumibles de soldadura cuyo costo de fabricación, de $ 3 243.78 CUC/tonelada, es considerablemente menor en comparación con otros electrodos comerciales evaluados, lo que permite ahorrar al país alrededor de $ 5 757 CUC/tonelada al año Aporte social El método propuesto permite minimizar los impactos ambientales negativos derivados del residual catalítico base óxido de vanadio (V) y el residual del coque acumulados en distintas industrias y talleres del país. �7 Tareas a desarrollar 1. Establecimiento del estado del arte y sistematización de los conocimientos relacionados con el tratamiento del residual catalítico base óxido de vanadio (V). 2. Caracterización del residual catalítico y determinación de las regularidades que permitan determinar sus posibilidades para la confección de cargas metalúrgicas para el proceso de reducción carbotérmica. 3. Diseño del Plan Experimental y procesamiento estadístico de los resultados. 4. Caracterización de los productos del proceso de reducción-fusión y evaluación de las aleaciones seleccionadas. 5. Análisis y evaluación del impacto económico y ambiental. CAPITULO I. MARCO TEÓRICO DE LA INVESTIGACIÓN Los productos de mayor uso para la fabricación de aleaciones son las ferroaleaciones, siendo las más utilizadas las de cromo y en menor cantidad las de vanadio dado a su alto costo, empleándose solo en aleaciones con propósitos especiales. La industria de los consumibles de soldaduras tiene en la ferroaleaciones una de las fuentes fundamentales para la formulación de las cargas aleantes a emplear en los mismos. 1.1 Fuente de vanadio. Principales características En el año 2001, el consumo de vanadio en los Estados Unidos según Norton y Croat, 2002, fue de 3600 toneladas, siendo las importaciones más importantes de ferrovanadio las procedentes de Canadá (35%), Sudáfrica (21%), China (21%), Austria (9%) y de otros países (4%) y de óxido de vanadio (V) las provenientes de Sudáfrica (99%) y de otros países (1%), cotizándose en el mercado mundial según Norton G., A., y Croat C., G., en el 2003, el a un precio de $1.40 USD/libra de óxido de vanadio (V) y $140.00 USD/libra de vanadio contenido en el ferrovanadio. 1.1.1. Fuentes naturales de vanadio En la litosfera superior el vanadio es oxífilo, se conocen hasta la fecha unos setenta y cinco minerales que contienen vanadio en diferentes estados de valencias. Estos minerales se pueden dividir (según Jensen, 1981 y Norton y Croat, 2003), en arenas y sedimentos uranoferroso, en rocas de fosfatos, silicatos, sulfatos, �8 vanadatos, se encuentra además en la bauxita, en carbones, en el petróleo, en el alquitrán. 1.1.2. Residuales industriales que contienen vanadio A escala internacional el manejo de los residuales catalíticos, en las empresas productoras de ácido sulfúrico, se considera un problema ambiental importante, debido a las regulaciones existentes. Los residuales catalíticos almacenados en a utilizar en el trabajo se muestran en la tabla 1 de los anexos, los que tienen en sus componentes fundamentales; óxido de vanadio, óxidos de silicio y dióxido de azufre, estando ellos en el orden del 67.61%. En Rusia según Martínez, en 1994, una fuente importante para la producción de ferrovanadio son las escorias de la producción de acero en convertidores con soplado con oxígeno. La industria del petróleo las fuentes más utilizadas son los petróleo de Venezuela y Canadá que contienen entre 0,1 al 1,5 % de V2O5 como impurezas. En América del Norte y del Sur, Europa, Asia y Australia poseen depósitos de carbón donde el vanadio está presente en el orden del 1% en forma de V2O5. En los procesos para la utilización de los residuos industriales con vanadio se tiene como otra fuente, el reciclado de las chatarras de aceros de herramientas, aceros especiales con contenido apreciable de vanadio. 1.2. Afectaciones al medio ambiente por los compuestos del vanadio La contaminación ambiental por vanadio más importante en el mundo se considera por el Consejo Internacional de Química de la Organización Mundial de la Salud en el 2001, la constituye la combustión del petróleo y el carbón y otros procesos industriales, alrededor del 90% de las aproximadamente 64 000 toneladas de vanadio en forma de óxidos que se liberan a la atmósfera cada año a partir de fuentes tanto naturales como antropogénicas proceden de la combustión de combustibles fósiles. En los estudios de la influencia sobre las personas del vanadio, se tiene que la información toxicocinética disponible es limitada, pero parece indicar que se absorbe vanadio tras la inhalación y luego se excreta en la orina, con una fase inicial de eliminación rápida, seguida de una fase más lenta, que posiblemente se debe a la eliminación gradual del vanadio desde los tejidos del organismo. Tras la administración oral, la absorción de vanadio tetravalente a partir �9 del sistema gastrointestinal es escasa. Los efectos toxicológicos finales motivo de preocupación para las personas son la genotoxicidad y la irritación de las vías respiratorias. Puesto que no es posible determinar un nivel de exposición sin efectos adversos, se recomienda reducir los niveles en la medida de lo posible. En los estudios realizado por la Universidad Autónoma de Madrid en el 2002 (http://www.dsalud.com/noticias.htm), se considera como la máxima cantidad de vapor (o polvo) de V2O5 admisible para las personas es de 0,05 mg/m3. Sin embargo el vanadio metálico tiene funciones positivas sobre la salud humana según aparece en www.dsalud.com en el 2005, siendo lo más representativo; ejerce una acción preventiva del cáncer, actúa como agente antioxidante, previene los ataques cardíacos, mejora el metabolismo del hierro, previene la caries dental, inhibe la formación de colesterol en los vasos sanguíneos, mantiene los niveles de grasa en sangre. Está presente en la mayoría de los tejidos corporales siendo absorbido rápidamente para ser empleado por el organismo. El sobrante se excreta por vía urinaria. 1.3. Métodos de tratamiento para las materias primas que contienen vanadio 1.3.1. Métodos por vía húmeda Debido a la gran diversidad de las fuentes de materias primas, en la industria del vanadio se emplean varias tecnologías para procesar los minerales o materias primas que contienen V2O5 a partir de métodos por vía húmeda, las que de forma general siguen las etapas siguientes; tostación, lixiviación neutralización; alcalina o ácida, extracción por solvente, intercambio iónico y precipitación, estando entre ellos: Pyrih, 1978; Hahn, 1987; Martínez, 1994; (Shieldalloys Metallurgical Corporation. Ferroalloys & Alloying Additives Online Handbook. Htm, Mayo 2003).Estos procesos necesitan suministros especiales como son las sales alcalinas tales como carbonato de sodio que cada año incrementa su precio y en Cuba es limitada su producción y no se abastece al país con las producciones actuales. Por lo que es necesario analizar otros métodos para el tratamiento de residuales catalíticos base óxido de vanadio, que permita de forma directa la obtención de cargas aleante para cargas aleantes de consumibles de soldadura y que las materias primas a utilizar existan en el país con bajos precios. �10 1.3.2. Métodos para la reducción del óxido de vanadio (V) Otros tratamiento para los residuales catalíticos base óxido de vanadio, se tienen en los procesos por reducción, siendo los más utilizados, los que se efectúan con los reductores sólidos tales como; el silicio, el aluminio, el carbono éste último en sus diferentes formas: grafito, antracita, hulla, según López, 1990 y Hajim, 1986, la reducción de los óxidos de vanadio ha sido estudiada por muchos autores (Carlson, 1981; Emlin y Gacik, 1974; Riss, 1980). En la práctica mundial la producción del ferrovanadio comercial se realiza, mediante la reducción con aluminio fundamentalmente para producir un ferrovanadio con bajos contenidos de carbono. Se considera que la reducción por carbono del óxido de vanadio (V) presente en los residuales catalíticos, hasta ahora ha sido estudiada insuficientemente. 1.2.3. Método de reducción carbotérmica para el óxido de vanadio La producción de ferrovanadio a partir de la reducción del óxido de vanadio (técnicamente puro) con carbón según S. Martínez en su trabajo en 1994, se puede realizar de forma controlada en horno de arco eléctrico o en horno de plasma. En la obtención del ferrovanadio se introducen los materiales de la carga directamente en la zona de altas temperaturas en condiciones altamente reductora, la carga generalmente consiste en una mezcla de partículas finas del material que contiene vanadio, la fuente de carbón, chatarra de hierro como fuente de hierro y los fundentes, lográndose en este proceso metalúrgico la formación de una escoria, una ferroaleación y la producción de gases durante el proceso. La reducción de los óxidos de vanadio por el carbono según Emlin y Zacuk , 1974, se produce según las reacciones siguientes: 1/5 V2O5 + C = 2/5 V + CO (1) 1/5 V2O5 + 7/5 C = 2/5 VC + CO (2) Como se observa el proceso de reducción del óxido de vanadio (V) sin otro elemento que lo acompañe va directamente a la formación del VC. Cuando no existe fuente de hierro en el proceso de reducción, como en el caso que se procesé directamente el residual, se formaría un compuesto de vanadio en unión con el silicio que lo acompaña. Según Edneral, 1977 y corroborado por Quintana, et. at., �11 2004, con el tratamiento del residual catalítico con carbono: No se formó aleación alguna, sino sólo un siliciuro de vanadio. Según Riss, 1975, en la producción de ferrovanadio a partir del proceso de reducción con carbono no ha tenido aplicación en la antigua Unión Soviética, se reporta por este autor, que en la fábrica de Construcción de Maquinaria de Zaparoschi se desarrollo de forma experimental, la fabricación de ferrovanadio con alto contenido de carbono y manganeso, para utilizarlo directamente en la fabricación de acero al manganeso tipo Hadfield. La ferroaleación obtenida tiene una composición química; 76% de manganeso 2,8% de vanadio, 6% de carbono, 0,4% silicio, 0,15% de fósforo y el resto hierro, teniendo una extracción de vanadio entre el 87 al 92 %. 1.4. Otros minerales acompañantes en la carga Para la selección de otros materiales de carga se tiene en cuenta los contenidos de azufre que acompaña el residual catalítico, así los elementos necesarios para la formación de la aleación, siendo imprescindible el empleo de otros minerales acompañante como son; la cromita refractaria cubana como fuente de hierro y del carburo de cromo, utilizados tradicionalmente en la formulaciones de electrodos para recargue duro. La caliza como elemento desulfurante, el coque como excelente agente reductor y la fluorita por su influencia positiva en los procesos en las escorias. 1.4.1. Espinela cromífera como fuente de cromo En Cuba los yacimientos más importante de cromita (espinela cromífera) se encuentran en el macizo Mayarí – Baracoa, que forma parte de la unidad tectónica anticlinal oriental, según los estudios de Proenza, y Leyva, 1997, Muñoz, 2004. La cromita refractaria cubana se caracteriza por su composición química como se muestra en la tabla 1 de los anexos, teniendo una relación Cr2O3 / FeO de 2.26. La composición química de la cromita refractaria está formada aproximadamente por el 50% de los óxidos de Al2O3, MgO y SiO2 con una relación de Al2O3:MgO:SiO2 igual a 1:0,6:0,2. �12 1.4.2. Método de reducción carbotérmica de la cromita Durante la reducción del cromo en presencia de hierro en los trabajo de Castellano, et. at., 1986 y Perdomo, 1999, se producen rendimientos metálicos significativos, en este caso el hierro actúa como colector del cromo lo que favorece el aumento de la velocidad de reducción del cromo y su recuperación. Durante el proceso de reducción-fusión de la carga, se ha comprobado que con el aumento de la temperatura la reacción se desplaza hacia la formación del silicio metálico que pasa a la aleación. La formación de los carburos de cromo durante el proceso de reducción-fusión de la cromita es inherente a este proceso. La formación de la fase de carburos garantiza el desarrollo del proceso de reducción del óxido de cromo y por lo tanto va a definir la eficiencia del proceso según se reporta en los trabajos de Emlin y Zacuk, 1974 y de Castellano, 1986, las reacciones que rigen el proceso de formación de los carburos de cromo durante la reducción son las siguientes; 23/5Cr(s) + C = 1/6 Cr23 C6(s) (3) 7/3Cr(s) + C = 1/3 Cr7 C3(s) (4) 3/2Cr(s) + C = 1/2 Cr2 C2(s) (5) Durante el proceso de reducción de la cromita según se reporta por Arangurent, 1963 y Riss, 1975, sucede que se forman carburos de hierro a partir del óxido de hierro con una gran eficacia entre el 95 y 97 %, simultáneamente con la reducción del óxido de cromo se llega a recuperar entre el 90 – 92 % de este metal, formándose un carburo complejo de hierro y cromo. En 1992 el Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas de España y el Centro de Investigaciones Siderúrgicas de Cuba desarrollaron investigaciones conjuntas en horno de plasma para la obtención de ferrosilicocromo a partir de finos generados en el beneficio de las cromitas refractarias de la zona Moa-Baracoa, en mezclas con serpentina niquelífera, cuarcita y magnesita indistintamente, lográndose obtener un producto no estandarizado de 45,92 - 51,25 % de cromo, 8,48 - 15,76 % de silicio y 4,20 - 5,65 % de carbono. En los trabajos desarrollados sobre las cromitas refractarias cubanas Perdomo, 1999 y Quintana, 1999, 2002 y 2004, se estudia el proceso de reducción carbotérmica de la cromita refractaria cubana, obteniéndose ferrocromo de alto �13 carbono para la formulación de cargas aleante de un fundente aglomerado para ser utilizado en la soldadura automática con arco sumergido, obteniendo contenido de carbono de 5,2 a 6,0 %, llegando la recuperación del cromo hasta el 90 %, se empleo la escoria obtenida como matriz para el fundente, con lo que se logra un mayor aprovechamiento del cromo disminuyendo las perdidas del metal. A partir de los resultados anteriores se puede asegurar que las cromitas refractarias cubanas son adecuadas para la producción de ferrocromo de alto carbono siempre que se utilice una composición de carga que permita valores aceptables en la recuperación del cromo. 1.4.3. Caliza La caliza es una roca cuyo componente mineral principal lo constituye la calcita con el 90 - 92%. La caliza pura está formada por 56% de CaO y 44% de CO2. La caliza es un portador de CaO siendo un óxido básico en la formación de la escoria, se utiliza mundialmente como desulfurante y formador de escoria en los procesos de obtención de aleaciones por su eficacia y su bajo costo. Como el residual catalítico objeto de estudio, tiene en su composición una cantidad apreciable de azufre es importante tener en cuenta esta característica de la caliza para la conformacion de carga metalúrgica. La desulfuración con cal o la caliza según Kudrin, 1989, se puede definir como sigue: FeS + CaO = CaS + FeO (6) Cuanto mayor sea la actividad del CaO en la escoria y menores sean las actividades del FeO y el azufre tanto menos azufre quedará en el metal, esto se logra al aumentar la basicidad de la misma. Con el aumento de la basicidad de la escoria el coeficiente de distribución del azufre ηs = (S) / [S] crece, por lo que el contenido del azufre en el metal disminuye. En el trabajo de Cruz, 2001, se empleó la expresión 1, desarrollada por (Podgayeskii, 1988), que considera la conversión de la masa porcentual en molecular directamente, llegando al criterio de ser más precisa, puesto que en ello se define en mayor grado la participación de cada uno de los óxidos. �14 B= 0.018CaO + 0.025MgO + 0.006CaF2 + 0.014( Na 2 O + K 2 O ) + 0.007(MnO + FeO ) (1) 0.017 SiO2 + 0.005( Al 2 O3 + TiO2 + ZrO2 ) Donde: Concentraciones de los componentes, se expresan en % Tanto en los procesos metalúrgicos de fusión, como en los fundentes de soldadura para arco sumergido y en los revestimientos para electrodos de soldadura, la caliza se adiciona en calidad de fundente básico y formador de gases protectores del depósito durante el desarrollo del cordón de soldadura. 1.4.4. Fluorita La temperatura de fusión relativamente baja, provoca que al fundirse la fluorita produzca un desplazamiento apreciable de las isotermas de las fases del sistema de óxidos en los diagramas ternario del tipo MgO-SiO2-Al2O3 hacia temperaturas menores según Kornaraki, 1977. La fluorita se considera un fundente por excelencia para los procesos de fusión de minerales y aleaciones, aumenta la fluidez de la escoria acelerando el proceso de fusión, se utiliza en los procesos metalúrgicos en calidad de fundente neutro, no realiza actividad química en los baños fundidos. Según Kudrin, 1989, ella realiza la función de regulador, pasando a la escoria como un modificador de funciones. La fluorita se utiliza en los sistemas complejos de óxidos, en la confección de los revestimientos para electrodos para la soldadura manual por arco, lo cual favorece sus funciones metalúrgicas durante el proceso de soldadura. 1.4.5. Coque La mayor aplicación del coque se realiza en la industria metalúrgica en calidad de reductor, combustible como se analizo por Zachfara, 1981, no obstante una parte del carbono que contiene, pasa a la aleación de hierro formando carburo y se disuelve en el hierro. Se considera un carbón coque de buena calidad siderúrgica cuando tiene una composición química con: carbono 96,5%, hidrogeno 0,3%, nitrógeno 1,3%, oxígeno 1,3%, azufre 0,6% y entrega un calor específico de 27,5 MJ por kg. �15 1.5. Afectaciones al medio ambiente por gases durante el tratamiento del residual El efecto de SO2 sobre el ecosistema que abarca problemas en las vías respiratorias y gastrointestinales, el efecto más visibles e inmediato se observa sobre áreas urbanas y forestales con niveles de contaminación altos, como consecuencia de las llamadas lluvias ácidas que pueden precitar a grandes distancias del foco fijo de emisión de SO2. La limpieza de gases con contenidos apreciables de óxidos de azufre, es una de las variantes más utilizadas en las centrales termoeléctricas y en otros procesos industriales, siendo el uso de torres lavadoras de gases con lechada de cal las de mayor empleo. Una muestra de ello se tiene en la desulfuración de los gases en los Estados Unidos, donde el 90% de las tecnologías empleada en la limpieza de los gases de la combustión en plantas industriales, utilizan el proceso húmedo con lechada de cal, llegando al 95% el uso del proceso cal-caliza en la limpieza de los gases con óxidos de azufre (Corbitt, 1999). CAPITULO II. MATERIALES Y METODOS La selección de los componentes de las cargas metalúrgica son la clave para producir bajos consumos energéticos y altas extracciones de los valores metálicos presentes en la carga, para lo que se tiene cuenta que los elementos tengan las cualidades de: fundentes y formadores de escorias; estabilizadores del arco eléctrico; agentes reductores; aceleradores del proceso de desulfuración y formadores de la ferroaleación. 2.1. Métodos para análisis experimentales 2.1.1. Métodos de análisis químico para el residual catalítico La fuente de vanadio empleada en la investigación procede de los residuales catalíticos de la Empresa “Pedro Soto Alba”, donde se utiliza el óxido de vanadio (V) para el proceso de catálisis en la producción de ácido sulfúrico. El análisis químico del residual catalítico se realizó en un equipo de Absorción Atómica marca UNICAM �16 LIMITED, modelo 929 / 107 INC. Para el análisis para el azufre se utilizo el método gravimétrico según Norma Empresarial NRIB 968-87, con precisión de 0,01%. 2.1.2. Métodos de análisis por difracción por rayos X Para los ensayos de difracción de Rayos X, para las materias primas y los productos obtenidos durante el proceso de reducción-fusión se utilizó el Difractómetro HZG–4A de la firma Freiberger Prezisionsmechnik. En los ensayos se empleó la radiación de un tubo de cobalto, con longitud de onda (λ) de 0,179021nm (1,79021Å), Las mediciones se realizaron desde un valor angular de 2θ = 40o hasta 2θ = 120o. La velocidad angular y el paso empleado fueron de 1o / min y 0,01o respectivamente. 2.1.3. Método para el análisis químico de las escorias y las aleaciones La caracterización química de los productos que se obtienen durante el proceso de reducción carbotérmica se realizó con el empleo del Espectrómetro de Rayos X, tipo Phillips PW 2404, tubo de Rayos X Super Shard de 4KW, con posibilidades de determinación analítica desde el boro hasta el uranio. En todas las determinaciones se empleó el sistema de validación analítica desarrollado por Pérez A., 2005. En la determinación del carbono y azufre se utilizó el analizador continuo de carbono y azufre, modelo CS MAT-6500, marca JUWE. 2.1.4. Análisis microestructural y de microanálisis de fase Para el análisis microestructural en los depósitos de soldadura se empleó un microscopio electrónico de barrido (MEB) marca Phillips modelo EP- 536, para la determinación de los microanálisis se utilizo un emisor por plasma acoplado del tipo (Equipo spectroflame) modelo TMAQ-023 (ASTM E 1097-97). 2.1.5. Ensayos de macrodureza y microdureza Los ensayos de macrodureza y microdureza realizados a los depósitos de soldadura de las corridas B y D se desarrollaron de acuerdo a las normas cubanas NC 0563:85, NC 04-11:72. La determinación de la dureza del cordón depositado se realizó sobre una probeta según la especificación de la AWS SFA-5.13. El diseño de la probeta se muestra en la figura 8 de los anexos. �17 En la medición de la macrodureza se empleó un durómetro universal marca Heckert modelo WPN, escala Vickers y con prisma de diamante. La carga aplicada fue de 10 Kg (100 N) y el tiempo de aplicación fue de 10 s. La determinación de la microdureza se realizo en un microdurómetro Shimadzu, utilizándose un penetrador de pirámide de diamante, con una apreciación para la medición de la huella de 0,0005 mm. Se utilizó una carga 0,49N (0,05Kg) y un tiempo de aplicación de la carga 15 s. 2.1.6. Ensayo para determinar el desgaste abrasivo en el depósito de soldadura Para el ensayo de desgaste se utilizó la instalación experimental del tipo PIN – DISCO ABRASIVO según la Norma de la ASTM, G 99-2000, acoplada a un torno mecánico en el laboratorio de tribología de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Dicha instalación permite simular a nivel de laboratorio el mecanismo de desgaste abrasivo. El valor inicial de este procedimiento de ensayo radica en que predice una clasificación jerárquica relativa de materiales (Rodríguez, 1991; Álvarez, 1996). Este procedimiento de ensayo impone condiciones que causan las pérdidas de masa: los materiales a ensayar por este método deben tener alta resistente a la abrasión. Una vista de la instalación se muestra en la figura 7 de los anexos. Se utilizó el método gravimétrico por diferencia de pesadas recomendado por Álvarez y González, 1995 y Hernández, 1998, aplicando la expresión 2. PP = Go – Gf (2) Donde: PP: Desgaste gravimétrico, en (g) Go: Peso inicial, en (g) Gf : Peso final, en (g) Las características para las probetas del ensayo se realizaron a partir de la norma n ASTM, G 99-2000 2.2. Materiales empleados para obtención de la aleación 2.2.1. Caracterización del residual catalítico �18 La composición química de las muestras tomadas aparece en la tabla 1 de los anexos. Se aprecia que los componentes mayoritarios del residual lo constituyen: el óxido de silicio, el azufre y el agua, los que representan el 78,1 % de la composición química del mismo. Para analizar el comportamiento del residual catalítico durante el calentamiento, se sometió a un proceso de calentamiento a diferentes temperaturas para determinar las perdidas en peso. La figura 1b muestra el difractograma de la muestra tratada a 800 ºC. Se observa que no existe la presencia de reflejos que caracterizan la fase de azufre, considerando la no existencia de este elemento en el residual a esta temperatura; sin embargo se presenta un patrón de difracción caracterizado por reflejos bien definidos según las tarjetas PDF 18-1170 de la fase óxido de silicio como la fase representativa del soporte y los reflejos que caracterizan el óxido de vanadio según la tarjeta PDF 42-876. 2.2.2 Otros minerales de adición En la conformación de la carga del proceso de reducción carbotérmico, se tiene en cuenta la viabilidad técnico-económica del proceso teniendo en cuenta la composición química del residual catalítico y las posibilidades de suministros de los materiales de carga necesarios, así como los resultados obtenidos por Riss y Khodorosky, 1975; Perdomo, en 1999; Cruz, 2004; Morales, 2002 y 2004, con el uso de estos materiales en la fabricación de ferroaleaciones. Estando entre ellos la cromita refractaria cubana, caliza, fluorita y el coque, la composición química se muestran en la tabla 1 de los anexos. 2.3. Planificación del diseño de experimento para el proceso de reducción carbotérmico Un aspecto novedoso del trabajo es la posibilidad de la sustitución de la arena sílice empleada como fundente en la fabricación de ferrocromo como se hace habitualmente, por el óxidos de silicio que contiene el residual catalítico que representa el 47,6 % de su composición, garantizando una relación cromita / residual catalítico de 2,17, para una composición química de la escorias de 37% de SiO2; 33% de Al2O3 24% de MgO, esta composición se indica por las líneas en el diagrama ternario de la figura 2 en el anexo, situándose el intercepto en la zona de espinela a una temperatura de 1 680 oC. �19 Para el desarrollo del plan experimental se utilizó el diseño experimento para mezclas empleado por (Perdomo, 1999; Cruz, 2000 y 2001 y Morales, 2002 y 2005), para el tratamiento de los materiales seleccionado en la investigación, donde los factores del sistema son conocidos y tiene como característica particular la restricción, de que la suma de todos los componentes no puede exceder el valor de 1 ó 100 % (condición de normalidad) de la mezcla. Se utilizan como variables independientes los componentes que influyen directamente en el proceso de reducción-fusión-afino, siendo ellas el coque el cual se dosifica para garantizar la reducción, la caliza como elemento para la formación de escoria y la desulfuración, la fluorita que mejora los procesos en la escoria e influye en la disminución de su temperatura de fusión. La zona restringida seleccionada para cada una de las variables independientes según la influencia de cada de los componentes seleccionados como variables de entrada en el plan experimental son las siguientes: • Calcita,,,,,,,1,5 ≤ X1 ≥ 5,0 • Fluorita,,,,,,1,0 ≤ X2 ≥ 7,0 • Coque……9,0 ≤ X3 ≥ 12,5 Con la selección de la zona de restricción del sistema de las variables X1, X2, X3, se aplica el diseño para mezclas con restricciones del tipo Mc Lean Anderson. 2.2.1. Construcción de la matriz experimental El diseño Mc Lean Anderson nos permite procesar mezclas restringidas de forma satisfactoria, cada restricción posee dos valores definidos el valor máximo y el valor mínimo, para cada variable de entrada como se muestra en la tabla 2 en el anexo. La cantidad de experimentos iniciales queda determinada por la cantidad de componentes atendiendo a la expresión 3: N = q ∗ 2 q −1 (3) Donde; q es la cantidad de componentes. En este caso (tres componentes) la matriz inicial quedaría con 12 corridas experimentales, como se muestra en la tabla 3 de los anexos. Como resultado la matriz del diseño se reduce a seis puntos. La última etapa de la construcción del diseño se decide añadir a la matriz final un nuevo punto. Como resultado de ello la �20 matriz final del experimento queda con 7 puntos o corridas experimentales, cuyos valores se muestra en la tabla 4 de los anexos. Quedando la carga metalúrgica de acuerdo a la capacidad del horno por arco en 3 588 g, considerando, además la caliza, la fluorita, el coque y la relación cromita, residual catalítico en 2,17, lo que hace que la cantidad de cromita en la carga sea de 2 000 g, para el residual catalítico de 920 g. Para el procesamiento de los resultados del plan experimental es necesario definir las variables de respuesta, donde las variables de entrada X1, X2 y X3 definen el comportamiento que se produce durante el proceso de reducción carbotérmico conjuntamente del residual catalítico y la cromita refractaria en el horno de arco eléctrico. Por lo que se toman como variables de respuestas las siguientes: Y1 - Cantidad de cromo en la aleación en %. Y2 - Cantidad de vanadio en la aleación en %. Y3 - Cantidad de azufre en la aleación en %. 2.4. Procedimiento para la obtención de la aleación El proceso de reducción-fusión se desarrollo en tres etapas básicas; preparación de la carga, fusión – reducción vertido. 2.4.1. Preparación de la carga Los parámetros de granulometría para la preparación de la carga se utiliza los valor de tamaño de partícula propuestos por Cruz, en 2000 y 2001, para que ocurran perdidas mínima por arrastres de las mismas durante el movimiento de los gases que salida del horno, estableciendo como diámetros mínimos para los materiales de la carga con 0,026 mm para la caliza y de 0,024 mm para la fluorita, por ser estos los componentes de menor peso especifico en la carga. La caliza se utiliza con una granulometrías entre 1 a 5 mm. La fluorita se utilizó menor a 2 mm. El residual de coque se empleo la granulometría entre 1 a 5 mm, lo que permite un compromiso entre la reactividad y la superficie especifica del grano. La cromita se utilizó como se suministra comercialmente la arena para fundición entre 0,25 a 1,0 mm. El residual catalítico se empleó tal como sale de servicio con �21 granulometría mayor de un milímetro y los pellet de 5 y 10 mm de diámetros y 10 mm de largo. Luego de preparada la carga se mezcla durante 30 minutos en un mezclador de tambor giratorio como recomiendan Gómez, 1995, Perdomo, 1999 y Cruz, 2001. 2.3.1. Proceso de fusión – reducción El tratamiento de las cargas calculadas según la tabla 4 de los anexos, se selecciono el proceso de fusión en un horno de arco eléctrico con crisol de grafito, acoplado a una fuente de corriente continua del tipo Mansfield G 1000 V/S de 1000 A y 48 V. Los parámetros de trabajo del horno durante todas las coladas fue de 30 V con 500 A, los que fueron establecidos para el tratamiento de una mezcla con mineral de cromita refractaria cubana y otros minerales por Perdomo, 1999. Estando conectando el electrodo al polo positivo y el crisol al negativo, con el objetivo de aumentar la vida útil del crisol y se produzca mayores temperatura en la escoria, con estas características el horno permite trabajar a temperaturas entre 1 600 oC a 1 850 oC, siendo el volumen libre del crisol del horno de 1 439 dm3. El proceso se continúa con la alimentación de las cargas en porciones que se adicionan a medida que se va fundiendo la misma. El tiempo para el proceso de obtención de la aleación en el horno eléctrico de arco tuvo una duración de sesenta minutos. 2.3.3. Vertido El vertido al agua de los productos del proceso desde el horno de arco se hace desde una altura entre 0,5 - 0,6m, en una cubeta rectangular que se coloca debajo del horno, realizándose a razón de 1- 1,5 l / min, durante el vertido de la masa fundida la temperatura del agua en la cubeta nunca sobrepaso los 60 oC. Durante el vertido se generan altas tensiones internas durante el proceso de solidificación de la aleación aumentando la fragilidad lo que favorece la trituración, la escoria durante el enfriamiento rápido en el agua desde las altas temperatura se vuelve esponjosa alcanzando un alto grado de amorfismo, teniendo un aspecto vítreo - porosa de fácil trituración, de forma similar a lo especificado en los trabajos de Quintana, 2002. Luego se elimina el agua de la cubeta y los productos obtenidos se someten a un �22 proceso de secado en una estufa a 120 OC durante 2 h con altura de capa de 50 mm, según recomiendan Gómez, 2000 y Cruz, 2001. 2.5. Procedimiento para la evaluación de la aleación como carga aleante de electrodos tubulares 2.5.1. Características de las carga aleante para electrodos tubulares Uno de los aspectos fundamentales en el desarrollo de los consumibles de soldadura es la naturaleza de la carga aleante, la cual decide en gran medida las propiedades mecánicas fundamentalmente del deposito de soldadura, como ocurre con la resistencia al desgaste de las piezas. 2.5.2. Procedimiento para fabricar el electrodo tubular revestido El electrodo de alambre tubular consiste en una envoltura o cinta de acero de bajo carbono que cubre o envuelve el núcleo donde se coloca la carga aleante, como se muestra en las figura 3 y 4 de los anexos. En la elaboración del alambre tubular con el primer paso de perfilado, se obtiene un perfil en forma de canal el cual se llena con la carga aleante mediante un sistema alimentador-dosificador acoplado a la instalación. El cierre sin soldadura se utiliza a tope como aparece en la figura 3 de los anexos, con un diámetro de electrodo de 3,2 mm, valor recomendado por Rodríguez, 1992; Rivera, 2003; Morales, 2005, para la evaluación de las cargas aleantes en electrodos tubulares. En la conformación del electrodo tubular se empleo una cinta de acero al carbono del tipo AISI / SAE de 0,5 x 15 mm, con una composición química de; C: 0,085 %; Si: 0,27 %; Mn: 0,55 %; P: 0,035 %; S: 0,04%; Cr: 0,1%. 2.5.3. Preparación de la carga aleante para el electrodo En la preparación de la carga aleante de los electrodos tubulares se utiliza la granulometrías entre >0.08 mm y <0.25 mm, según los resultados de las investigaciones de (Rodríguez, 1992 y 2002, Marcelo, 1999 y Rivera, 2003), lo que garantiza un alto coeficiente de llenado del electrodo y buena apariencia superficial sin deformación en las paredes del tubo durante el trefilado. Una vista de la maquina conformadora del alambre tubular se muestra en la figura 5 el anexo. 2.5.4. Coeficiente de llenado del electrodo tubular �23 En la selección del coeficiente de llenado de los electrodos tubulares se toman entre 0,40 a 0,5, según los resultados obtenidos por Rodríguez, 1992, 2002, y Marcelo, 1999, en el se expresa la relación en peso de la carga aleante con respecto al peso total del electrodo, para una longitud dada, la que se expresa por la ecuación siguiente: Cll = Pc / Pe (4) Donde: Cll - Coeficiente de llenado Pc - Peso de la carga aleante, en g Pe - Peso del electrodo, en g. 2.5.5. Selección del revestimiento del electrodo tubular En la selección de los materiales para el revestimiento del electrodo se tuvo en cuenta las propiedades físicas que deben tener las escorias en el proceso de soldadura para recargue de superficie. Para el revestimiento de los electrodos a fabricar, se selecciono el revestimiento desarrollado por Rodríguez, 1992 a y utilizado por Rivera, 2004, los que tienen altas prestaciones en la calidad del metal depositado, siendo un revestimiento de carácter básico, mostrándose su composición en la tabla 6 de los anexos. 2.5.6. Procedimiento para realizar el depósito de soldadura Para la realización del deposito de soldadura en la evaluación de los electrodos tubulares, se selecciono la intensidad de corriente entre 100 a 110 A, donde se logra un arco estable. Se utiliza polaridad invertida para lograr las mejores características del depósito con el revestimiento básico, el cordón se depositó sin precalentamiento. El deposito de soldadura para la evaluación en los diferentes ensayos se realizaron sobre la probeta normada en la especificación de la AWS en la especificación SFA - 5.13, la que se muestra en la figura 8 de los anexos. �24 CAPITULO III. RESULTADOS EXPERIMENTALES Y SU DISCUSION En este capítulo se exponen los resultados derivados del trabajo experimental y se establecen los criterios que corroboran la veracidad de la hipótesis científica declarada. 3.1. Caracterización de las escorias En las escorias obtenidas se realiza el análisis de difracción por rayos X, todos los difractogramas mostraron alto grado de amorfismo, en la figura 3 del anexo, se aprecia la correspondiente a la corrida D. Se determinó como fase más representativa de las escorias a la de espinela del tipo MgAl2O4, según los datos de la tarjeta PDF 21-1152 reportada por la cartoteca Mineral Powder Diffraction File, 1980, que coincide aceptablemente con los valores de d(Å) y Ir representado en difractograma y se caracteriza por los valores d(Å) = 2,437 (100); 2,020 (65); 1,554 (45); 2,858 (40) y 4,660 (35), con valores de Dx = 3,5675 g / cm3 y un parámetro de la red ao = 8,086 Å. Las escorias formadas se caracterizan por tener en su composición química, según se refleja en la tabla 7 de los anexos, por encima al 75 % de los óxidos de SiO2, Al2O3, MgO. En esta tabla se aprecia lo efectividad del proceso de desulfuración, debido a la retención del azufre en la misma, variando los contenidos de este elementos entre el 1,8 y 2,7%, Se destaca, por lo tanto, el papel que juega en el proceso la caliza y fluorita empleadas, Una muestra de las escorias obtenidas se presenta en la fotografía de la figura 10 de los anexos, caracterizada por una coloración gris-azul y una masa porosa. 3.2. Caracterización de las aleaciones Durante el proceso de vertido en agua de la masa de aleación se desarrolla un aumento considerable en el grado de deformación reticular, así como sustituciones isomórficas de diferentes magnitudes de hierro y cromo por vanadio y de carbono por silicio en el compuesto base (Cr,Fe)7C3, formando un compuesto complejo predominantemente del tipo (Fe,Cr0,9V0,1)C0,5Si0,25 → [(Fe4Cr3,6V0,4)C2Si] presentando una estructura hexagonal deformada, lo cual pueden resumirse las características químicas en las formulas estequiométricas anteriores y las fases por un espectro característico especificado por bandas y líneas anchas de mayor intensidad expuestas en el difractógrama de la figura 11 y en la tabla 8 de los �25 anexos, la muestra de la aleación de la corrida D se muestra en la figura 10 de los anexos. Se estableció por Kadapmetov, 1982 que a temperatura de 1 200 ºC se forma el carburo (Cr,Fe)3C2, en una red rómbica con los parámetros (a = 2,31, b = 5,52, c = 11,46) y a temperatura de 1 300 ºC se forma el carburo (Cr,Fe)7C3 con red hexagonal con los parámetros de (a = 13,98, c = 4,52). La composición química se muestra en la tabla 9 de los anexos. Se considera que con los resultados de la caracterización por difracción por rayos X y la composición química para las escorias y las aleaciones, cumple lo esperado para la planificado de experimento realizado a partir del de diseño para mezclas empleado. En la tabla 10 de los anexos, se aprecia el comportamiento del balance de masa de los productos que salen del horno a partir según Castellanos, 2001. Comportándose el rendimiento para las aleaciones señaladas el 23, 64 % y 25,0 % con relación a la carga alimentada al horno. En estos resultados se tiene que tener en cuenta que existen varios componentes de las cargas formadores de gases. De las aleaciones obtenidas a partir de la metodología empleada. Se deciden seleccionar las corridas B y D, para la evaluación como cargas aleantes en los electrodos tubulares a fabricar. Siendo significativo para la aleación B que tiene los menores contenidos de cromo y vanadio y la aleación D tiene los mayores, así como los contenidos de carbono, azufre son similares y los de silicio no difiere mucho entre una y otra. La alto recuperación del cromo y del vanadio se debe a la eficacia del proceso de reducción-carbotérmica para las cargas metalúrgicas establecidas por el diseño de experimentos. Los rendimientos para el cromo y el vanadio en las aleaciones B y D, se ofrecen en tabla 11 de los anexos, influyendo en estos resultados, el desarrollo estable de las corridas en el horno de arco eléctrico. En la recuperación del cromo y el vanadio influyo el contenido de fluorita y coque en estas cargas. En la obtención de los ferrocromos de alto carbono, el rendimiento del cromo cuando se procesan cromitas metalúrgica, según (Edneral, 1977; Riss, y Khodorosky, 1975), se encuentra en el 90 %, siendo el mismo reportado por Perdomo, et. at. 2003, para la cromita refractaria cubana, según Riss y Khodorosky 1975, la recuperación del vanadio durante la fabricación de �26 ferromanganesovanadio, es de 87 y 92%. En la trituración de las aleaciones B y D, se obtuvo el 87 % con granulometría entre +0,08 y -0,25, con solo el 13 % con granulometría de -0,18, corroborando estos niveles de trituración el alto grado de fragilidad de las mismas, que se produce por el vertido en agua de la masa fundida. 3.2.1. Recuperación del cromo en la aleación Para los cálculos estadísticos de los resultados se toman los niveles de confiabilidad del 95%, el procesamiento estadístico se realizo utilizando el Software STATGRAPHICS PLUS versión 4,1 sobre Windows. Los resultados experimentales para los contenidos de cromo se muestran en la tabla 9 de los anexos, donde se aprecia que los mayores contenidos, se obtiene en la corrida D, alcanzando 49,0 %. Las variables independientes en esta corrida son; 1,9% de caliza, 4,3 % para la fluorina y 12,3 % de carbón. El comportamiento para la recuperación del cromo se obtuvo a partir del modelo estadístico 5. Y1 = 1,86465*Caliza +2,1456*Fluorita + 2,90698*Coque (5) En el modelo estadístico para la recuperación del cromo, tiene un comportamiento lineal con un valor de R2 igual a 97,9909. Los resultados estadísticos para el modelo 25, demuestran que a partir del factor p-value en la tabla 12 de los anexos, existe una alta correlación en todas las variables y un nivel de confianza por encima del 95 %. Este modelo cumplió satisfactoriamente con las pruebas estadísticas para su validación. La variable independiente de mayor significación es el coque, al ser el mayor coeficiente en la ecuación del modelo. Cuando ocurre la reacción de reducción con la formación de los carburos aumenta la recuperación del cromo aspecto comprobado anteriormente durante la caracterización de las aleaciones. Según en el trabajo de Golodov, 1995, se obtuvieron valores de recuperación del cromo similares. Con menor influencia en el modelo están los coeficientes para la caliza y la flluorita, estas variables influyen poco en la reducción. 3.2.2. Recuperación del vanadio en la aleación El comportamiento de la recuperación del vanadio a partir de las cargas establecidas por el diseño de experimento fue obtenido a través del modelo estadístico, a partir de los datos reflejados en la tabla 9 de los anexos. �27 Y2 = 0,131923*Caliza + 0,221923*Fluorita + 0,29681*Coque (6) Como se4 aprecia en la expresión del modelo estadístico la recuperación del vanadio tiene un comportamiento creciente siguiendo una ley lineal con un valor de R2 de 98,75 %, con alta correlación entre las variables independientes establecidas. El modelo cumplió todas las pruebas estadísticas para su validación como se muestra en la tabla 13 de los anexos. Del modelo 6, se establece que la variable independiente (caliza) es la que menor influye en el proceso de reducción del óxido de vanadio (V), siendo este un resultado esperado. Para el coque el coeficiente en la ecuación es más acentuado, por ser este un componente determinante en el proceso de reducción del óxido de vanadio (v). La influencia del contenido de coque en la carga se muestra en la figura 13 de los anexos, donde se observa que a medida que aumenta este, se incrementa la recuperación del vanadio. 3.2.3. Comportamiento de la desulfuración en la aleación El contenido de azufre en las aleaciones obtenidas oscila entre 0,16 y 0,18 %, su fuente fundamental es el residual catalítico. Durante el calentamiento de las cargas metalúrgicas, la mayor parte de este, pasa a la fase gaseosa representando el 85 % del azufre que alimenta, otra parte menor al 2%, se disuelve en el hierro y la otra se retiene en la escoria con el 13 %. El modelo estadístico que obtenidos se refleja en la ecuación 7, nos permite analizar el comportamiento de proceso de la desulfuración durante el proceso de reducciónfusión en la investigación: Y3 = 0,0153122*Caliza + 0,0102908*Florita + 0,00548073*Coque (7) Como características importantes del modelo, se muestran un comportamiento creciente y lineal obtenido con un coeficiente de 97,0696. Otro aspecto a destacar del modelo es que la desulfuración, decrece en la medida que se incrementan los contenidos de Caliza y Fluorita. Este resultados, corrobora el efecto de estos componentes analizados anteriormente, sin embargo el coque influye poco. En el modelo 27, se observa que la mayor influencia en la desulfuración se tiene con la fluorita. En la tabla 14 de los anexos se muestran los resultados del tratamiento de estadísticos para el azufre en la aleación. De acuerdo a los resultados reflejados en �28 esta tabla, el modelo se puede simplificar, ya que el p-value obtenido es de 0,3608 mucho mayor que 0,01, lo que lo hace no siendo significativo para un nivel de confianza mayor al 90 %. 3.3. Evaluación de la aleación como carga aleante. Caracterización del depósito de soldadura Para la confección del electrodo tubular se seleccionaron las aleaciones según el diseño experimental con el menor y mayor contenidos de cromo y vanadio correspondientes a las corridas B y D. La utilización de la aleación como carga aleante proporciona la ventaja de que el vanadio no se introduzca en forma de vanadio metálico el cual tiene gran afinidad por el oxígeno a temperaturas relativamente bajas 610 ºC según Emlin y Zacuk, 1974, lográndose mayor eficiencia en los procesos de transferencia de los elementos al baño fundido durante la formación del cordón de soldadura. El coeficiente de llenado del electrodo fabricado con la aleación de la corrida D, se calcula utilizando la ecuación 9, siendo de 0,46. 3.3.1 Caracterización química de los depósitos de soldadura Se considera que el revestimiento seleccionado garantiza excelentes propiedades tecnológicas como son; estabilidad del arco, desprendimiento fácil de la capa de escoria, proceso de desulfuración durante la formación del cordón de soldadura estando los contenidos de azufre entre el 0,09 y 0,023 como se muestra en la tabla 17 en los anexos, por debajo a lo exigido en la especificación de la AWS SFA-5.13, el aspecto del cordón se aprecia en la figura 6 de los anexos. Los contenidos de los elementos en el deposito, hace que los mismos estén cercano al EFeCr-A3 de la especificación SFA-5.13 de la AWS, con altos contenidos de carburos de cromo y una matriz de martensita dado a su bajo contenido de manganeso menor al 2 %, el deposito no es maquinable, tiene cierta fragilidad. El electrodo se recomienda para su uso en el recargue de superficies de equipos para la trituración de rocas, martillos de impactos en transportadores. 3.3.2. Análisis microestructural En el microanálisis EDAX para la fase de la matriz se muestra en las figuras 15 y 16 de los anexos, se reporta presencia de cromo, hierro y silicio, siendo baja la �29 presencia del carbono por lo que la fase es una solución sólida en hierro α con elementos de aleación disueltos en el hierro, lo que fue analizado por Pero-Sanz, 1994. La estequiometría para la solución sólida de la matriz se muestra en la tabla 16 de los anexos. Para la fase de los carburos en los datos mostrados en la tabla de las relaciones atómicas de las figuras 14 y 17 de los anexos, se calcula las formulas estequiométricas para los carburos que se forman durante la solidificación del cordón de soldadura, las que obedecen a una relación estequiométrica típica de los carburos complejos cuando se normaliza a 23 átomos metálicos quedando la formula como se muestran en la tabla 15. Los microanálisis arrojan como resultado principal que los carburos y las matrices obtenidas obedecen a combinaciones químicas cuyas formulas generales son M23C6 y CrSiFe respectivamente. 3.3.2.1. Análisis metalográfico del depósito de soldadura El análisis microestructural arrojó la presencia de dos fases completamente nítidas siendo las fases definidas de carburos y de la matriz, como se ilustran en las figuras 18 y 19, para cada electrodo fabricado utilizándose aumentos de 2530x. Las dos muestras evaluadas presentaron características microestructurales similares, diferenciándose en la cantidad de la fase de carburo de la matriz, influyendo en estas variaciones en las cantidades de carbono, cromo y vanadio que existen en la carga aleante. 3.3.2.2. Determinación de la macrodureza y microdureza en los depósitos Los ensayos de medición de macrodureza y microdureza, se realizaron de acuerdo a las normas cubanas NC 05-63:85, NC 04-11:72. La determinación de la dureza del cordón depositado realizado sobre una probeta según la especificación de la AWS SFA-5.13, con los electrodos tubulares fabricados a partir de las ferroaleaciones de los puntos B y D, los valores obtenidos se aprecian en la tabla 18 en el anexo. La microdureza de las fases existentes en el depósito del metal, permite definir las fases o microconstituyentes donde se realiza el análisis de microdureza, los valores se muestran en la tabla 18 en el anexo. En la zona 1 marcada en la microfotografía de las figuras 10 y 11 de los anexos, los valores que se obtienen son característicos de carburos con 1443.3 HV, para el metal depositado con electrodo de la corrida D. La zona 2 en las microfotografías de las �30 figuras 18 y 19, los valores obtenidos indican que la fase presenta valores inferiores de microdureza y en el microanálisis de fase aprecio una solución de hierro con valores de microdureza de 801.9 HV lo que corrobora la existencia de fase dura como la martensita. 3.3.2.3. Evaluación del desgaste abrasivo del depósito de soldadura En la resistencia al desgaste de las aleaciones de hierro-carbono con alto contenido de cromo, se tiene según el trabajo de Pero-Sanz E., J., A en 1994, que las propiedades mecánicas como la dureza dependen de las fases, así por ejemplo la la martensita tiene valores de 720 – 800 HV, Para los carburos que sustituyen los átomos de cromo por los de hierros tipos (Cr,Fe)23C6 ó (Cr,Fe)7C3 los valores de dureza son del orden de 1 000 – 1250 HV y estos carburos llegan a la dureza de topacio escala # 8 de Mohr Como se aprecia en la tabla 20 de los anexos, los valores de desgaste gravimétrico obtenidos a partir de los depósitos de soldadura de dos electrodos comerciales y el fabricado utilizando como carga aleante la ferroaleación de la corrida D, se puede apreciar como los valores de desgaste menores corresponde al electrodo tubular fabricado a partir de la ferroaleación, con valores de desgaste gravimétrico de 0,0297 g, menor a las demás pruebas realizada por lo que la carga aleante utilizada garantiza altos valores de resistencia a la abrasión por lo que se puede utilizar el electrodo fabricado para el recargue de superficies en piezas que exijan estas prestaciones en el servicio de desgaste abrasivo. 3.4. Análisis económico de los resultados Como se analizó anteriormente, en la evaluación de la aleación en calidad de carga aleante es factible de uso para la fabricación de los electrodos tubulares para el recargue de superficie, independientemente de que el consumible desarrollado no coincide con las composiciones químicas de los depósitos recomendados por la norma SFA-5.13-2000. Para el recargue de superficies existen muchos electrodos que no responden a esta norma, sino que son desarrollado por cada fabricante para propósitos similares, por lo que este electrodo se puede comercializar como un electrodo tubular cubano para el recargue de superficies con alta resistencia al �31 desgaste por abrasión. Por lo que se hace necesaria por lo tanto la valoración económica para los costos de producción para su comercialización en el país. Este análisis tomando como base fundamental el equipamiento disponible en la planta multipropósito, según el trabajo de Quintana, 2005, para la fabricación de consumibles de soldadura ubicada en la Empresa Mecánica “Fabric Aguiar Noriega de la ciudad de Santa Clara“ que funciona en producción cooperada entre esta empresa y el Centro de Investigaciones de Soldadura de la Universidad Central de Las Villas, donde se garantizan volúmenes de producción para satisfacer una parte de la demanda nacional que sobrepasa las 12 toneladas de varios tipos de consumibles de soldadura y de aleaciones multicomponentes para cargas aleantes o de uso directo en los procesos siderúrgicos. La ficha de costo se muestra en la tabla 21 de los anexos. CONCLUSIONES GENERALES 1. Es factible el empleo del proceso de reducción carbotérmico, para la obtención de una aleación compleja con alrededor del 50 % de cromo, el 5,0 % de vanadio y el 5,7 % de carbono, la que tiene un alto valor metalúrgico para el desarrollo de cargas aleantes de electrodos para soldadura por arco eléctrico manual, con un amplio rango de aplicación en el campo del recargue de superficies para el desgaste por abrasión. 2. Las escorias obtenidas son del tipo MgO-SiO2-Al2O3, las que garantizan temperaturas de fusión entre los 1 630 a 1 680 ºC. Según lo previsto en el diseño de experimento. Son de carácter básico- neutro B = 1,05, lo que permite una adecuada desulfuración de la aleación. 3. Los análisis de difracción con rayos X y de microscopia electrónica de barrido, demuestran la formación de dos fases bien definidas en la aleación y en el metal depositado por medio de la soldadura manual con arco eléctrico, siendo de carburos complejos del tipo (Fe,Cr,V)23C6 y una solución sólida del tipo �32 Fe85,64Cr7,58Si6,78. Lo que la hacen idóneas para recargues de superficies de desgastes por abrasión. 4. El electrodo tubular fabricado a partir de la aleación de la corrida D se puede utilizarse en las aplicaciones del EFeCr-A3, propuesto por la AWS en la norma SFA-5.13, para soldadura de recargue superficial. Teniendo similitud sus estructura metalográfica, siendo bifásica con carburos complejos y martensita. 5. Con los costos de fabricación de los electrodos tubulares a partir de la aleación obtenida, permite comercializar un consumible de soldadura con alto valor agregado, haciéndolo competitivo con relación a los electrodos que se comercializan para propósitos similares en el recargue de superficie sometidas a desgastes con abrasión. Por lo que la solución propuesta para el tratamiento del residual catalítico de óxido de vanadio (V), es económicamente factible. RECOMENDACIONES 1. Introducir en la planta multipropósito en la Empresa Mecánica de Santa Clara, el proceso propuesto para la obtención de aleaciones complejas de cromovanadio, para formulaciones de cargas aleantes en consumibles de soldadura. 2. Aplicar la estrategia metodológica empleada, para el tratamiento conjunto de otros minerales y el residual catalítico en la obtención de cargas aleantes para consumibles de soldaduras. 3. Hacer estudios para la utilización de la aleación obtenida para desarrollar otros consumibles de soldaduras. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. Aknazarova, S., y V., Zafarov. Experimental Optimization in Chemistry and Chemical Engineering. Ed. Mir Moscú. 1982. 312 Pág. �33 2. Akverdin, I. Propiedades físicas de los sistemas fundidos CaO – SiO2 – Al2O3 – MgO – CaF2. Ed. Metalurgía. Moscú, 1987. 143 Pág. 3. Alvarez G., E., A. Desarrollo y Evaluación de Materiales Elastomérico para la Fabricación y Recuperación de Rodillos del Tren de Estiraje de Maquinas Hiladoras. Tesis Doctoral. UCLV. Santa Clara. 1996. 4. Álvarez G., E., y R., J., M., González. Maquinas para el Estudio del Desgaste Abrasivo en Pares Tribológicos. Construcción de Maquinaria. UCLV. Año 20. No 2. Mayo – Agosto. 1995. Pag 69 – 76. 5. Arangurent, F. Siderurgia. Ed. Dorssat S.A. Madrid 1963. 617 Pág. 6. Arniella O., A., y R., Q., Puchol. 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Composición química de los minerales de la carga Mineral Componentes Caliza Fluorita Catalizador Cromita Coque Ceniza coque SiO2 0,34 3,2 47,6 5,8 0 88,1 Al2O3 0,23 0,35 1,6 26,5 0 0 FeO 0,15 0 0,8 16,2 0 0 MgO 0,68 0 0,1 17,0 0 1,6 CaO 55,2 0,25 0,5 0,4 0 2,2 Na2O 0 0 6,9 0 0 4,4 K2O 0 0 3,3 0 0 3,7 H2O 0 0 19,1 0 0 0 CO2 43,4 0 0 0 0 0 C fijo 0 0 0 0 86,4 0 Cenizas 0 0 0 0 12,0 0 S 0 0 11,5 0 1,1 0 CaF2 0 96,2 0 0 0 0 V2O5 0 0 8,6 0 0 0 Cr2O3 0 0 0 32,9 0 0 Tabla 2. Valores extremos de las variables de entrada X’i* Variable Min, (g) Max, (g) Media (Xio) Min, (g) Max, (g) X1 70 190 130 10,52 28,57 X2 50 230 140 7,52 34,59 X3 350 440 395 50,63 66,17 ∑Xio 665 * La ponderación se realiza con la expresión siguiente: X’i = (Xi/∑Xio)×100 �MgO......24,9 % SiO2.......40,7 % Al2O3......34,4 % Figura 2. Diagrama ternario SiO2 – Al2O3 – MgO �Tabla 3. Matriz completa del diseño Exp, X1 X2 X3 X1’ X2’ X3’ Valido 1 + + (……) 28,57 34,59 (36,84) No (<) 2 + (……) + 28,57 (5,27) 66,16 No (<) 3 (……) + + (……) 34,59 66,16 No (>100) 4 - - (……) 10,52 7,51 (81,97) No (>) 5 - (……) - 10,52 (38,85) 50,63 No (>) 6 (……) - - (41,86) 7,51 50,63 No (>) 7 + - (……) 28,57 7,51 (63,92) Si 8 + (……) - 28,57 (20,80) 50,63 Si 9 - + (……) 10,52 34,59 (54,63) Si 10 - (……) + 10,52 (23,32) 66,16 Si 11 (……) + - (14,78) 34,59 50,63 Si 12 (……) - + (26,33) 7,51 66,16 Si Tabla 4. Matriz final del diseño de experimento X1 Corrida X2 X3 ∑Xi en g g %* g %* g %* 7(A) 190 5,3 50 1,4 425 11,8 665 8(B) 190 5,3 138 3,9 337 9,4 665 9(C) 69,96 1,9 230 6,5 365 10,2 665 10(D) 69,96 1,9 155 4,3 440 12,3 665 11(E) 98,30 2,7 230 6,5 337 9,4 665 12(F) 175,1 4,9 50 1,4 440 12,3 665 G 132,2 3,7 142 4,0 390 10,9 665 * Por ciento con relación a la carga del horno �Revestimiento Carga aleante Núcleo metálico Figura 3. Perfil de cierre a tope para el electrodo tubular Revestimiento aleante Figura 4. Carga Detalles del electrodo tubular revestido Núcleo Metálico �Figura 5. Vista de la máquina para conformar electrodo Tabla 5. Composición química de minerales del revestimiento Mineral Composición química en % Rutilo (TiO2) TiO2 = 98% Grafito Tabla 6. Composición del revestimiento del electrodo Minerales Cantidad en (%) Calcita 40 Fluorita 32 Rutilo 8 Grafito 20 Fe2O3 = 1,81% �Figura 6. Depósito de soldadura Probeta Figura 7. Instalación experimental para el estudio de la resistencia al desgaste mediante prueba de abrasión (PIN–DISCO ABRASIVO) �Figura 8. Esquema de la probeta para análisis químicos de los depósitos de los electrodos tubulares Para diámetro de electrodos de 3.12mm, L = 64 mm; W = 13 mm; L = 16 mm 2,020 2,858 11,05 4,660 1,453 1,429 2,437 1,554 Figura 9. Difractógrama de la escoria de la corrida D �Figura 10. Muestra de las escorias Tabla 7. Composición química de las escorias, en % Componentes Corrida A B C D E F G C 0,37 0,37 0,35 0,38 0,35 0,4 0,37 CaF2 5,0 7,2 7,6 7,6 6,9 4,2 7,2 Na2O 2,7 2,6 2,1 2,2 2,3 3,1 1,6 MgO 17,8 17,2 17,5 18,5 17,7 18,0 17,5 Al2O3 30,8 30,6 30,2 30,2 30,7 31,1 30,2 SiO2 24,5 25,5 26,5 25,5 25,5 24,0 25,2 S 2,6 2,0 1,8 1,8 1,8 2,7 2,2 K2O 1,8 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,8 CaO 6,1 5,6 4,5 4,6 5,3 6,3 6,0 TiO2 0,26 0,23 0,25 0,33 0,25 0,35 0,23 V2O5 0,25 0,21 0,18 0,17 0,2 0,22 0,2 Cr2O3 2,2 2,1 2,0 1,8 2,3 2,4 2,3 MnO 1,4 1,4 1,4 1,4 1,3 1,5 1,4 FeO 3,4 2,9 3,3 3,3 3,1 3,3 3,3 �2264 2184 2069 2117 Figura 11. Difractógrama de la ferroaleación de la corrida D Tabla 8. Parámetros del difractógrama de la aleación en la corrida D Observ. Lectura dÅ I rel Lectura dÅ I rel 1 13.331 47.06 16 2.406 35.29 2 9.788 170.59 17 2.368 47.06 3 7.386 41.18 18 2.264 35.29 7.199 35.29 2.184 100.00 6.649 35.29 2.118 70.59 5.589 35.29 2.069 64.71 7 4.682 35.29 22 1.954 35.29 8 4.432 47.06 23 1.875 35.29 9 4.238 47.06 24 1.822 35.29 10 3.872 35.29 25 1.797 35.29 11 3.632 41.18 26 1.749 35.29 12 3.401 29.41 27 1.745 47.06 13 2.860 47.06 28 1.638 29.41 14 2.658 35.29 29 1.567 47.06 15 2.454 35.29 30 1.445 41.18 4 5 19 6 20 21 Banda ancha Banda ancha �Figura 12. Muestra de las ferroaleaciones Tabla 9. Composición química de las aleaciones en % Corrida Elementos A B C D E F G C 5,8 5,8 5,6 5,7 5,8 6,0 5,8 Mg 0,6 0,6 0,6 0,5 0,6 0,6 0,8 Al 0,9 1,2 1,1 1,0 1,4 1,8 1,0 Si 4,4 4,5 4,4 4,8 4,6 4,3 4,4 P 0,04 0,04 0,04 0,04 0,03 0,04 0,03 S 0,16 0,18 0,10 0,17 0,18 0,13 0,18 Ti 0,29 0,28 0,26 0,24 0,24 0,25 0,25 V 4,3 4,5 4,4 5,0 4,3 4,2 4,7 Cr 46,5 46,0 46,5 49,0 46,3 48,0 47,5 Mn 1,5 1,4 1,5 1,4 1,4 1,5 1,5 Ni 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 Fe 33,5 34,0 33,2 30,6 33,0 31,0 32,0 �Tabla 10. Rendimiento del proceso para la formación de las aleaciones Corridas Cantidad de materiales que salen Rendimiento frente a la carga, % del horno, g Total Aleación Escoria Aleación Escoria B 2 518,8 896,3 1 622,5 25,0 45,25 D 2 443,7 847,5 1 596,2 23,64 44,35 Tabla 11. Resultados de las corridas B y D, (masa en %) Rendimiento del cromo y el vanadio Cantidad de cromo, g Cantidad de vanadio, g Corridas Escoria (Cr2O3) Aleación (Cr) Rendimiento % Escoria (V2O5) Aleación (V) Rendimiento % B 34,10 416,68 92,68 4,0 40,30 91,42 D 28,73 415,32 92,23 2,71 42,38 96,03 Vanadio en % 5,1 5 4,9 4,8 4,7 4,6 4,5 4,4 9,4 9,9 10,4 10,9 11,4 11,9 Coque en % Figura 13. Influencia del coque en la recuperación del vanadio 12,4 �Tabla 12. Tratamiento estadístico para el contenido de cromo en la aleación Multiple Regression Analysis ----------------------------------------------------------------------------Dependent variable: Cromo metal ----------------------------------------------------------------------------Standard T Parameter Estimate Error Statistic P-Value ----------------------------------------------------------------------------Caliza 1,86465 0,176293 10,577 0,0005 Fluorita 2,1456 0,113106 18,9698 0,0000 Coque 2,90698 0,0872904 33,3025 0,0000 ----------------------------------------------------------------------------Analysis of Variance ----------------------------------------------------------------------------Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value ----------------------------------------------------------------------------Model 15544,0 3 5181,34 14684,32 0,0000 Residual 1,41139 4 0,352849 ----------------------------------------------------------------------------Total 15545,4 7 R-squared = 99,9909 percent R-squared (adjusted for d.f.) = 99,9864 percent Standard Error of Est. = 0,594011 Mean absolute error = 0,381537 Durbin-Watson statistic = 2,77195 Ftable = 6,59 Cromo metal = 1,86465*Caliza + 2,1456*Fluorita + 2,90698*Coque Further ANOVA for Variables in the Order Fitted ----------------------------------------------------------------------------Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value ----------------------------------------------------------------------------Caliza 13455,5 1 13455,5 38133,94 0,0000 Fluorita 1697,19 1 1697,19 4809,97 0,0000 Coque 391,328 1 391,328 1109,05 0,0000 ----------------------------------------------------------------------------Model 15544,0 3 �Tabla 13. Tratamiento estadístico para el contenido de vanadio en la aleación Multiple Regression Analysis ----------------------------------------------------------------------------Dependent variable: Vanadio metal ----------------------------------------------------------------------------Standard T Parameter Estimate Error Statistic P-Value ----------------------------------------------------------------------------Caliza 0,131923 0,0868448 1,51907 0,2034 Fluorita 0,221932 0,055718 3,98314 0,0164 Coque 0,285641 0,0430007 6,6427 0,0027 ----------------------------------------------------------------------------Analysis of Variance ----------------------------------------------------------------------------Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value ----------------------------------------------------------------------------Model 140,977 3 46,9925 548,81 0,0000 Residual 0,342505 4 0,0856261 ----------------------------------------------------------------------------Total 141,32 7 R-squared = 99,7576 percent R-squared (adjusted for d.f.) = 99,6365 percent Standard Error of Est. = 0,292619 Mean absolute error = 0,21201 Durbin-Watson statistic = 2,95599 Ftabla = 6,59 Vanadio metal = 0,131923*Caliza + 0,221932*Fluorita + 0,285641*Coque Further ANOVA for Variables in the Order Fitted ----------------------------------------------------------------------------Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value ----------------------------------------------------------------------------Caliza 120,069 1 120,069 1402,24 0,0000 Fluorita 17,1305 1 17,1305 200,06 0,0001 Coque 3,7783 1 3,7783 44,13 0,0027 ----------------------------------------------------------------------------Model 140,977 3 �Tabla 14. Tratamiento estadístico para el contenido de azufre en la aleación Multiple Regression Analysis ----------------------------------------------------------------------------Dependent variable: Azufre en el metal ----------------------------------------------------------------------------Standard T Parameter Estimate Error Statistic P-Value ----------------------------------------------------------------------------Caliza 0,0153122 0,0107354 1,42633 0,2269 Fluorita 0,0102908 0,0068876 1,4941 0,2095 Coque 0,00548073 0,00531555 1,03108 0,3608 ----------------------------------------------------------------------------Analysis of Variance ----------------------------------------------------------------------------Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value ----------------------------------------------------------------------------Model 0,173366 3 0,0577888 44,17 0,0016 Residual 0,00523373 4 0,00130843 ----------------------------------------------------------------------------Total 0,1786 7 R-squared = 97,0696 percent R-squared (adjusted for d.f.) = 95,6044 percent Standard Error of Est. = 0,0361723 Mean absolute error = 0,0225853 Durbin-Watson statistic = 2,83859 Ftabla = 6,59 Azufre metal = 0,0153122*Caliza + 0,0102908*Fluorita + 0,00548073 Further ANOVA for Variables in the Order Fitted ----------------------------------------------------------------------------Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value ----------------------------------------------------------------------------Caliza 0,155391 1 0,155391 118,76 0,0004 Fluorita 0,0165844 1 0,0165844 12,67 0,0236 Coque 0,00139102 1 0,00139102 1,06 0,3608 ----------------------------------------------------------------------------Model 0,173366 3 Tabla 15. Composición química (% at.) y estequiometría deducida de los microanálisis de las fases de carburos Electrodo % C % V % Cr % Fe Formula Formula desarrollada Global Corrida D 22,23 4,05 32,08 41,64 (Cr32,08Fe41,64V4,05 ) C22,23 (Cr;FeV)77,77 C22,23 Corrida B 21,36 2,33 31,32 44,99 (Cr31,32Fe44,99V2,33 ) C21,36 (Cr;FeV)78,64 C21,36 �Tabla 16. Composición química (% at.) y estequiometría deducida para los microanálisis de la matriz Electrodo % Si % Cr % Fe Formula desarrollada Corrida D 6,78 7,58 85,64 Fe85,64Cr7,58Si6,78 Corrida B 3,72 7,50 88,78 Fe88,78Cr7,50Si3,72 Tabla 17. Composición química promedio de los depósitos de soldadura Elementos Composición química en % Corrida B Corrida D C 5,60 5,73 SI 0,87 1,62 Mn 0,6 0,63 P 0,035 0,038 S 0,09 0,023 Cr 14,63 17,28 Ni 0,11 0,14 Ti 0,1 0,2 V 0,68 1,89 �Titled: M-4-1 Label kV: 15.0 Tilt: 0.0 FS: 1916 LSec: 46 Take: 33.4 Det Type: SUTW+ Res: 140 Tc:40 11-Dec-2 Cr 19:42:19 Fe EDAX ZAF Element Wt % At % K-Ratio Z A F CK 5.68 21.36 0.0154 1.1942 0.2262 1.0004 VK 2.63 2.33 0.0267 0.9688 0.9930 1.0545 Cr K 36.06 31.32 0.3845 0.9861 0.9976 1.0838 Fe K 55.63 44.99 0.5290 0.9856 0.9648 1.0000 Total 100.00 100.00 Figura 14. Microanálisis de la fase carburo del electrodo con la carga aleante de la corrida B �Untitled: M-4-2 Label kV: 15.0 FS: 1701 Tilt: 0.0 Take-off: 33.4 Det Type: SUTW+ LSec: 23 Res: 140 Tc:40 11-Dec-2 19:47:09 Fe Cr C EDAX ZAF Element Wt % At % K-Ratio Z A F Si K 1.92 3.72 0.0123 1.1431 0.5633 1.0009 Cr K 7.16 7.50 0.0859 09971 0.9934 1.2113 Fe K 90.93 88.78 0.9001 0.9970 0.9929 1.000 Total 100.00 100.00 Figura 15. Microanálisis característicos de la fase de la matriz del electrodo con la carga aleante de la corrida B �Untitled: M-5-2 Label kV: 15.0 Tilt: 0.0 FS: 3203 LSec: 50 Take: 33.4 Det Type: SUTW+ Res: 140 Tc:40 11-Dec-2 Cr C 19:12:09 Fe EDAX ZAF Element Wt % At % K-Ratio Z A F Si K 3.62 6.78 0.0230 1.1402 0.5683 1.0009 Cr K 7.34 7.58 0.0874 0.9946 0.9930 1.2044 Fe K 89.11 85.64 0.8796 0.9945 0.9925 1.0000 Total 100.00 100.00 Figura 16. Microanálisis de la fase de la matriz en el deposito con el electrodo con la carga aleante de la corrida D �Untitled: M-5-1 Label kV: 15.0 Tilt: 0.0 FS: 2073 LSec: 40 Take: 33.4 Det Type: SUTW+ Res: 140 Tc:40 11-Dec-2 Cr 19:02:09 Fe EDAX ZAF Element Wt % At % K-Ratio Z A F CK 5.98 22.23 0.0164 1.1939 0.2291 1.0004 VK 4.62 4.05 0.0467 0.9684 0.9934 1.0495 Cr K 37.34 32.08 0.3952 0.9857 0.99.80 1.0759 Fe K 52.06 41.64 0.4934 09852 0.9620 1.0000 Total 100.00 100.00 Figura 17. Microanálisis de la fase del carburo del deposito con el electrodo con la carga aleante de la corrida D �2 1 Figura 18. Microestructura del depósito de soldadura del punto B, 2500x 1. Carburo 2. Matriz 1 2 Figura 19. Microestructura del depósito de soldadura del punto D, 2500x 1. Carburo 2. Matriz �Tabla 18. Dureza de los depósitos de soldadura para los electrodos en HV Medición Dureza en HV Corrida B Corrida D 1 665 690 2 673 698 3 665 698 4 664 695 5 670 697 Promedio 667,4 695,6 Dureza en HRc 58,2 59,8 Tabla 19. Microdurezas de las fases de los depósitos de soldadura en HV Microdureza de las fases en HV Medición Corrida B Corrida D Matriz Carburo Matriz Carburo 1 792.2 1402.0 846.6 1332.0 2 724.4 1150.0 762.0 1452.0 3 882.0 1197.0 796.0 1782.0 4 742.8 1246.0 792.0 1402.0 5 746.6 1168.0 789.5 1464.0 6 742.8 1187.0 824.2 1378.0 7 689.5 1168.0 784.0 1561.0 8 746.6 1378.0 846.6 1310.0 9 745.4 1164.0 797.0 1420.0 10 771.9 1181.0 781.1 1332.0 Promedio 758.4 1224.1 801.9 1443.3 �Tabla 20. Desgaste abrasivo de los depósitos de soldadura Electrodos Peso inicial Peso final Desgaste en g en g en g B-1* 3,3160 3,2738 0,0422 B-2* 3,206 3,1575 0,0485 B-3* 3,1396 3,0802 0,0594 D-1* 3,1732 3,1425 0,0307 D-2* 3,120 3,0901 0,0299 D-3* 3,0981 3.0695 0,0286 N700-1** 3,0193 2,9765 0,0428 N700-2** 3,320 3,2508 0,0508 N700-3** 3,170 3,1183 0,0517 4004N-1** 2,8058 2,7684 0,0374 4004N-2** 3,0427 3,0076 0,0351 4004N-3** 3,0427 3,0076 0,0351 Acero 45-1 3,0211 2,8007 0,2204 Acero 45-2 3,0625 2,8343 0,2282 Acero 45-3 3,0826 2,8451 0,2375 Acero 45-2 3,0625 2,8343 0,2282 Acero 45-3 3,0826 2,8451 0,2375 * Electrodos revestidos de la firma Eutectic Castolin Promedio en g 0,0500 0,0297 0,0484 0,0372 0,2287 �Tabla 21. FICHA DE COSTO TOTAL PARA UNA TONELADA DEL ELECTRODO TUBULAR REVESTIDO COSTO DE LA TONELADA DE LA FERROALEACIÓN CUC % COSTOS DIRECTOS $1 957.17 Materiales $255.37 Transporte $11.89 Costo energía eléctrica $303.26 Mano de obra $1 160.71 Costo de mtto. $192.34 Gasto de laboratorio $33.16 83,10 COSTO FIJOS $154.44 6,55 COSTOS DE OPERACIÓN $243.55 16,35 COSTO TOTAL $2 355.16 COSTO PARA UNA TONELADA DEL ELECTRODO COSTOS DIRECTOS CUC % $2351.79 72,50 Materiales $979.00 Transporte $1.20 Costo energía eléctrica $95.88 Mano de obra Costo de Mtto. y reparación $1 160.71 $120.68 COSTO FIJOS $84.85 2,62 COSTOS DE OPERACIÓN $807.28 24,88 COSTO TOTAL $3 243.78 X 10% de ganancias $3 568.16 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Tesis Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Obtención de carga aleante para consumibles de soldadura utilizando residual catalítico y cromita cubana Creator An entity primarily responsible for making the resource Félix Ariel Morales Rodríguez Publisher An entity responsible for making the resource available Editorial Digital Universitaria de Moa Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 2005 Type The nature or genre of the resource Tesis doctoral https://repoedum.ismm.edu.cu/files/original/d4667f16df793a50ab0f91963f9a1772.pdf 5283c074ce3c461b94f7af3a69c0a4ee PDF Text Text Tesis doctoral MODELACIÓN Y SIMULACIÓN DEL PROCESO DE MOLIENDA DEL MINERAL LATERÍTICO CON COMPOSICIÓN SUSTANCIAL VARIABLE Reynaldo Laborde Brown �REPÚ BLICA DE CUB A MINI STER IO DE EDU CACI ÓN SUPERIO R INST ITU TO SUP ERIO R MIN ERO METALÚ RGICO “DR. ANTO NIO NÚÑE Z JIMÉ NEZ” FACU LTA D DE MET ALU RGIA- ELE CTRO MECÁNICA DEPA RTAM ENTO DE META LUR GIA TESI S PRE SENT ADA EN OPC IÓN AL GRADO CIEN TÍFICO DE DR. EN CIENCIAS TÉCN ICA S MODELACIÓ N Y SIMUL ACIÓN DEL PROCESO DE MOLIENDA DEL MINERAL LATE RÍTI CO CON COM POS ICIÓ N SUSTAN CIAL VARI ABLE Auto r: Ing . Reyn ald o Laborde Bro wn Tuto res: Dr. C. Alf redo L. Coel lo Velá zque z Dr. C. Jua n M. Mené nde z Agua do Dr. C. Secun dino Marrero Ramír ez Moa, 2005 1 �SÍNTESIS En el presente trabajo se ha particularizado la aplicación de los modelos matemáticos de molienda, basados en el en balance de masas de la población de partículas, a un mineral de alta complejidad y variación de su composición sustancial, como es el caso de la laterita. Son establecidas determinadas regularidades entre las funciones de la fragmentación, la composición sustancial variable y el índice de Bond. Estas regularidades son aprovechadas para la formulación de un procedimiento que permite utilizar la concepciones clásicas de la modelación en el caso en que la composición sustancial del mineral sea variable, dando solución a las limitantes que hasta el momento han existido para el empleo de estos modelos en el caso de la laterita. El trabajo está desarrollado sobre una amplia base experimental, tanto a escala de laboratorio como a escala industrial y queda demostrada la factibilidad de emplear el procedimiento propuesto en una planta en explotación, donde los costos de producción en la sección de molienda pueden ser reducidos en un 17 %, en lo que se refiere al pago de electricidad, lo que equivale al ahorro de 337.4 MUSD anualmente por este concepto. 2 �INTRODUCCIÓN En las últimas cuatro décadas la molienda seca de los minerales lateríticos ha sido objeto de estudio con el fin de profundizar en los complejos fenómenos que tienen lugar durante el proceso industrial y sus altos consumos energéticos. La molienda de minerales es considerada un verdadero coloso energético, consume aproximadamente el 3% de toda la energía que producen los países industrializados (Schonert ,1979), de ahí que en términos de costos, la etapa de molienda es la más significativa en el procesamiento de los minerales (M. Duarte et al, 1998). Durante los últimos 25 años los investigadores han realizado grandes esfuerzos dirigidos hacia el mejoramiento de la eficiencia de este proceso, apoyándose en la modelación y simulación matemática del mismo. Se destacan en estas investigaciones países tales como Sudáfrica, Finlandia, Australia y Canadá. Los modelos utilizados hasta el presente con mayor éxito y difusión para la simulación de la molienda, se basan en el balance de masa de la población de partículas (F. Muller et al, 1999). En dichos modelos juegan un rol esencial dos funciones básicas de la conminución: la función razón específica de la fragmentación y la función de distribución de la fragmentación. La primera, expresa la probabilidad que tiene una partícula de ser fragmentada. Esta función depende de las características del mineral y el equipamiento (Lynch, 1977); la segunda, expresa la distribución de la prógeni de partículas hijas en la fragmentación, antes de que ocurra la refragmentación. Algunos autores al describir la naturaleza de esta función (Lynch, 1977; Prasher, 1987; Austin y Concha, 1994; King, 2001), plantean la tesis de que ella no depende de las condiciones de operación. Particularmente Shoji (1979) señala que los valores de dicha función son insensibles a las condiciones de molienda al menos, en las condiciones normales de operación. En general, estas funciones han sido ampliamente investigadas y aplicadas en la modelación y simulación de los circuitos de molienda, con una gran cantidad de minerales cuya composición sustancial es invariable (cuarzo, cromita, dolomita, magnetita, granito, oro, etc). En el caso de los minerales multicomponentes, es escasa la bibliografía, aunque aparecen algunos trabajos donde se toma como alternativa la de determinar las funciones de la fragmentación para cada componente por separado (Ramírez y Finch, 1980). En el caso particular del mineral laterítico del yacimiento de Punta Gorda (ubicado al este de la provincia de Holguín), estudios preliminares han puesto de relieve la alta complejidad de este tipo de mineral y la conveniencia de tratarlo como un mineral multicomponente, donde la 3 �variación de su composición sustancial está dada por la proporción en que se mezclen las componentes limonítica y serpentinítica, (Coello 1993 a, Coello 1993 b , Coello y Tijonov, 1996). Como parte del programa de perfeccionamiento empresarial de las empresas niquelíferas cubanas, procesadoras del mineral laterítco, surge la necesidad de elevar la eficiencia del proceso de molienda, para lo cual a su vez es imprescindible la modelación y simulación matemática de dicho proceso, sin embargo, en la literatura está poco tratado el tema de la aplicación de la concepción clásica de la modelación a los minerales multicomponentes, con composición sustancial variable, de aquí surge el siguiente problema científico: La alta variabilidad y complejidad de la composición sustancial del mineral laterítico y su clasificación como un mineral multicomponete, limitan la aplicación de la concepción clásica utilizada en la modelación y simulación del proceso de molienda de este tipo de mineral. Sobre la base de este problema, se establece el objeto de la investigación, los objetivos del trabajo y la hipótesis científica. Objeto de estudio: la modelación y simulación del proceso de molienda del mineral laterítco. Campo de acción: modelación y simulación de un mineral multicomponente, con composición sustancial variable. Objetivo general: desarrollar la modelación matemática de la molienda tomando como base el balance de masa de la población de partículas considerando la alta variabilidad de la composición sustancial del mineral laterítico como principal limitante en el empleo de las concepciones clásicas. Objetivos específicos: 1. Determinar el índice de Bond para el mineral laterítico y las regularidades del comportamiento de las funciones de la fragmentación de este mineral. 2. Establecer un procedimiento para la modelación y simulación de la molienda del mineral laterítico con composición sustancial variable. A partir de este diseño metodológico se definen las siguientes tareas de investigación: 1. Establecimiento del estado del arte y sistematización de los conocimientos y teorías relacionadas con el objeto de estudio. 2. Determinación del comportamiento del índice de Bond, para el mineral laterítico con composición sustancial variable. 4 �3. Determinación del comportamiento de las funciones de la fragmentación para la molienda de la laterita con, a escala de laboratorio y en el proceso industrial. 4. Determinación de la variabilidad de la composición sustancial del mineral laterítico , en el proceso de molienda industrial. 5. Establecimiento del procedimiento para la modelación y simulación del proceso de molienda de la laterita, tanto a escala de laboratorio como a escala industrial. Se plantea como hipótesis del trabajo que, si se comprueba que el mineral laterítico presenta una molibilidad variable, entonces para la modelación y simulación matemática del mismo, empleando los modelos basados en el balance de masa de la población de partículas, es necesario utilizar los parámetros de las funciones de la fragmentación en forma de variables, que expresen las regularidades de dichas funciones con respecto al cambio de la composición sustancial del mineral. Consecuentemente con el cumplimiento de los objetivos propuestos y la hipótesis planteada, constituyen novedades y aportes del trabajo las siguientes: 1. Se establecen las regularidades entre las funciones de la fragmentación, el índice de Bond y la composición sustancial variable del mineral laterítico 2. Se realiza la adaptación de los modelos de molienda basados en el balance de masa de la población de partículas, a la molienda de un mineral con composición sustancial variable. Metodología de trabajo. Para la realización del trabajo se tomaron muestras del mineral laterítico en el yacimiento de Punta Gorda, y en el proceso de molienda de la empresa ‘’Cmdte Ernesto Che Guevara’’. Con estas muestras fueron preparadas diferentes mezclas de serpentina y limonita para simular la variación de la composición sustancial del mineral. Las muestras fueron sometidas a ensayos de molienda en molinos de laboratorio y a partir de los resultados obtenidos fueron determinadas la molibilidad de las mismas, los parámetros de las funciones de la fragmentación y las regularidades entre dichas funciones respecto la variación de la composición sustancial del mineral, hecho que fue aprovechado para la formulación de un procedimiento que permite aplicar los modelos del balance de masa de la población de partículas, a un mineral multicomponente con composición sustancial variable. El procedimiento se hizo extensivo al proceso industrial, donde fue validada su efectividad. 5 �I.- MARCO TEÓRICO-CONCEPTUAL Introducción En el presente capítulo se realiza un análisis de los diferentes aspectos relacionados con los temas que son discutidos en la bibliografía consultada, con el fin de disponer de los elementos básicos y de las tendencias actuales que resultan esenciales para el desarrollo del trabajo. Son tratados temas relacionados con las funciones de la fragmentación, con la modelación y simulación matemática del proceso de molienda y con los diversos usos del índice de Bond. Los objetivos específicos de este capítulo son los siguientes: 1. Exponer los fundamentos teóricos de la modelación y simulación matemática del proceso de molienda de los minerales. 2. Analizar los trabajos precedentes relacionados con la modelación y simulación de la molienda del mineral laterítico con composición sustancial variable. 1.1 Generalidades sobre las funciones de la fragmentación. El estado del arte actual, en la modelación y simulación matemática de los proceso de reducción está basado esencialmente en dos conceptos fenomenológicos-mecanicistas, la función de selección o función razón de la fragmentación y la función de distribución de la fragmentación (Epstein, 1947). Estas dos funciones de la conminución son básicas para la representación de un modelo realista y el conocimiento detallado de sus estructuras es esencial para la simulación del proceso La razón específica de la fragmentación S(x), es definida como la fracción de partículas del punto de tamaño x, fragmentadas en la unidad de tiempo. Representa la probabilidad de las partículas de ser fragmentadas (Lynch, 1980). La función de distribución de la fragmentación B (x,y) representa la proporción de partículas inicialmente de tamaño y que aparece en la gama granulométrica menor que x después de la fragmentación. (Lynch, 1980). En los trabajos desarrollados por S. R. Broadbent y T. G. Callcott (1956), A. J. Lynch (1980), E. G. Kelly y D.J Spottiswood (1990), entre otros, están ampliamente tratadas estas funciones de la fragmentación. En los trabajos examinados, relacionados con la determinación de las 6 �funciones de la fragmentación aparecen algunos ejemplos desarrollados para un grupo de materiales (antracita, cuarzo, mica, granito, galena, pirita, calcita, etc) sin embargo no se hace referencia a la determinación de estas funciones para el mineral laterítico con composición sustancial variable, (el término de composición sustancial variable ha sido introducido para denotar las proporciones en que se combinan las componentes mineralógicas fundamentales en un mineral multicomponente, para el caso de la laterita nos referimos a la relación serpentina-limonita). 1.2. Modelos de la molienda, basados en el balance de masa de la población de partículas. La aplicación de las funciones de la fragmentación aparece, en primer lugar, en la ecuación integrodiferencial de la cinética de la molienda (Bass, 1954; Filippov, 1961; Gaudin y Meloy, 1962; Gardner y Austin, 1962): ∞ ∂ M ( x, t ) = − S ( x) M ( x, t ) + ∫ S ( y ) b( x, y ) M ( y, t ) dy ...........................1.1 ∂t x y en la ecuación diferencial: dM i (t ) = − S i (t ) M i (t ) + dt i −1 ∑S j =1 j (t ) bi , j (t ) M j (t ) .................................1.2 Estas ecuaciones constituyen modelos basados en el balance de masa de la población de partículas en régimen estacionario, con tamaño y tiempo continuo. La solución analítica general a la ecuación integrodiferencial es complicada y no ha encontrado una aplicación práctica (Bass, 1954). Diferentes autores han intentado buscar soluciones analíticas más simples utilizando funciones especializadas para las funciones de la fragmentación (Gaudin y Meloy, 1962; Harris, 1968; Austin et al, 1972; Gupta y Kapur, 1976), sin embargo, se mantienen las dificultades para la aplicación práctica, por lo que los investigadores se han inclinado hacia el uso de los modelos de cinética de molienda de tamaño discreto, Bass, 1954; Reid, 1965; Mika , 1967; Austin 1971/72; Olsen, 1972; Whiten, 1974, entre otros. A partir de la expresión (1.2), Bass (1954) ha planteado el modelo: dM i (t ) = − S i M i (t ) + dt i −1 ∑S j =1 j bi , j M j (t ) para i = 1, 2 , 3, ... 7 ..................................... (1.3) �Este es el modelo de la cinética de la molienda que ha encontrado mayor aplicación práctica. Soluciones analíticas al mismo han sido propuestas por Reid, (1965) y Olsen, (1972). Gupta y Kapur (1974), introducen la función reducida de Bass como una ruta alternativa para obtener los parámetros de la molienda: S j Bi , j = Ag ( xi ) = S i .................................... (1.4) y presentan entonces el llamado modelo de la función reducida de Bass, cuya forma matricial es: M (t ) = [Θ(t )] M (0) .............................................. (1.5) v donde M(t) es un vector que representa al producto, M(0) es el vector que representa a la alimentación y Θ(t), es una matriz triangular inferior de orden n x n, llamada la matriz del molino y cuyo elemento Θi,j es la fracción de material inicialmente en el tamaño j, que es encontrada en el intervalo de tamaño i después de sufrir repetidos ciclos de fragmentación durante un período t. Dada la relativa simplicidad de este modelo, el mismo es ampliamente utilizado en la simulación. En la literatura examinada, la mayor parte de los casos en que se han aplicado los modelos del balance de masa de la población de partículas, se refieren a minerales con composición sustancial invariable y de poca complejidad, no obstante aparecen algunos casos de aplicación a minerales multicomponentes de alta complejidad, como el plomo-zinc (Ramírez y Finch. 1980). Para la modelación y simulación de este mineral se determinan las funciones de la fragmentación independientes para cada componente. En esta solución, si se produce una variación de las proporciones de los componentes, entonces esto puede provocar alteración en los resultados durante la simulación del proceso. En sentido general, la teoría sobre la molienda de los minerales multicomponentes se encuentra dispersa en los trabajos de Holmes y Paching (1957), Fuerstenau (1962), Tanaka (1966), Remenii (1974), Tovorov et al (1981), Bilenko (1984, 200), Kapur y Fuerstenau (1988), Coello (1993), Coello y Tijonov (1996). El análisis crítico valorativo sobre estos trabajos arrojan como conclusión que en la molienda de los minerales multicomponentes, los minerales participantes en las mezclas, se muelen de acuerdo a sus propias regularidades individuales, independientes unos de otros (Coello y Tijonov, 2001). En estos trabajos no se hace referencia a la aplicación de los 8 �modelos para un mineral multicomponente con composición sustancial variable, como es el caso del mineral laterítico del yacimiento de Punta Gorda 1.3.- El uso del índice de Bond y de las características energéticas del molino, como herramienta para valorar la eficiencia energética de los circuitos de molienda en operación. El índice de Bond ha sido definido como el parámetro de la reducción de tamaño o dimensional, que expresa la resistencia del material a la trituración y a la molienda (Morrell, 2004). Este índice se ha empleado en la industria desde finales de la década del 20 del pasado siglo XX (Mosher y Tague, 2001). En diversos trabajos se dan indicaciones prácticas para facilitar la determinación del índice de Bond, con diferentes tipos de materiales, Deister (1987), Leving (1989), Lewis y Pearl (1990), Aksani y Sonmez (2000), Aguado (2001), sin embargo no aparecen referencias sobre la determinación de este índice para un mineral de composición sustancial variable como es el caso de la laterita 1.4.- Investigaciones realizadas sobre la molienda de los minerales lateríticos cubanos. En Cuba existen dos plantas procesadoras de las minas oxidadas de níquel y cobalto, ubicadas al nordeste de la zona oriental (empresa ‘’Cmdte Ernesto Che Guevara’’, en Moa y la empresa ‘’Cmdte René Ramos Latour’’, en Nicaro), ambas plantas incluyen la molienda como parte del proceso de preparación de minerales y en las mismas está establecido moler de forma conjunta las fracciones serpentinítica y limonítica a razón de 1:3, sin embargo, en la práctica se observa que es difícil mantener de forma estable esta relación (Llorente, 2003). En ambas plantas se han realizado importantes trabajos dirigidos a investigar la influencia de la carga de bolas del molino sobre los indicadores energotecnológicos del proceso (Coello , 1993); las variables operacionales sobre la productividad (Aldana y Legrá, 1996); la influencia del petróleo aditivo sobre los indicadores energotecnológicos (Llorente y Coello , 2003; Zaldívar y Fajardo, 1999); El comportamiento del consumo específico de energía en la sección de molienda (Laborde , 2003; Laborde et al, 2005); y otros. En todas estas investigaciones, sobre el mejoramiento de la eficiencia energética en el proceso de molienda de la laterita, han sido tratados con profundidad problemas particulares, utilizando diversos métodos, sin embargo, están pobremente tratados los temas relacionados con los modelos de la conminución, con la 9 �determinación del comportamiento de las funciones de la fragmentación, para el mineral laterítico y con la simulación matemática del proceso de molienda. Conclusiones del capítulo I 1. Los fundamentos de la modelación y simulación del proceso de molienda de los minerales se encuentran en dos funciones esenciales: la función de distribución de la fragmentación y la función razón específica de la fragmentación. El comportamiento de estas dos funciones para el caso de un mineral multicomponente, con composición sustancial variable, está pobremente tratado en la literatura. 2. En los trabajos investigativos desarrollados con el mineral laterítico cubano, y en particular, con la laterita de composición sustancial variable, no han sido desarrollados los modelos matemáticos basados en el balance de masa de la población de partículas. 10 �II.- MATERIALES Y MÉTODOS. Introducción La adecuada selección de los métodos y de los materiales es fundamental en todo trabajo investigativo, para garantizar su desarrollo eficaz y la veracidad de los resultados, de ahí que este haya sido uno de los momentos más cuidadoso, en cuanto a la toma y preparación de las muestras, los análisis granulométricos, la aplicación de las metodologías para la determinación del índice de Bond, la determinación de los parámetros de la funciones de la fragmentación, así como para el tratamiento de los resultados. Los objetivos específicos de este capítulo son: 1. Exponer de forma general la planificación de la investigación 2. Caracterizar los principales equipos, medios de medición, y materiales que fueron utilizados, durante el desarrollo del trabajo. 3. Exponer las principales técnicas y procedimientos utilizados durante el trabajo experimental. 2.1.- Diseño de la investigación. Para dar solución al problema planteado, se procedió a la simulación física de la variación de la composición sustancial del mineral laterítico, mediante la preparación de un conjunto de muestras formadas a partir de diferentes mezclas de serpentina y de limonita. A estas muestras se les determinó el índice de Bond, aplicando convenientemente un diseño clásico del experimento, con el fin de conocer los posibles cambios en la naturaleza del mineral con los cambios en la relación serpentina-limonita. Revelada la molibilidad variable del mineral, son determinados los parámetros de las funciones de la fragmentación para las componentes mineralógicas fundamentales y las mezclas, a fin de establecer las regularidades de dichas funciones respecto a los cambios que experimenta el mineral en su composición sustancial. A los modelos clásicos , basados en el balance de masa de la población de partículas, donde los parámetros Sj y Bi,j, por lo general se consideran constantes para un material dado, se les incorporan las regularidades observadas en las funciones de la fragmentación del mineral laterítico, considerando los parámetros variables y se obtiene un nuevo modelo que es validado primeramente en un circuito abierto a escala de laboratorio y luego en un circuito 11 �cerrado industrial, en la planta de Punta Gorda, dando así solución al problema científico planteado. Un amplio programa de muestreo del mineral industrial, así como el estudio del comportamiento energético y de la productividad de una unidad de molienda, permiten realizar una valoración económica sobre el impacto que puede producir la aplicación del procedimiento propuesto para la modelación y simulación del mineral laterítico. 2.2. Principales equipos e instrumentos utilizados durante los ensayos . Durante los ensayos de laboratorio fueron utilizados un pequeño molino cilíndrico de 190 x 245, un molino de Bond (360 x 360); un molino semi-industrial de 430 x 490, un juego de tamices de la serie Taylor ( 40; 25; 20; 18; 10; 8; 5; 3,5; 3; 1,5; 1; 0,85; 0,60; 0,40; 0,30; 0,20; 0.16; 0.074; 0.044 ; mm); una estufa para el secado de las muestras con rango de temperatura de 0 – 350o C, un reloj cronómetro, y otros medios auxiliares. Durante los experimentos realizados en la industria, fue utilizada una unidad de molienda integrada principalmente por el molino de bolas de 3 200 x 5 700, el cual es accionado por un motor sincrónico de 800 kW, y el ventilador de recirculación, que es un ventilador centrífugo con capacidad nominal de 134 000 m3/h, accionado por un motor asincrónico de 400 kW. Para la medición del flujo de aire en el sistema se utilizó un minibarómetro. Las mediciones de los parámetros eléctricos se realizaron mediante dos analizadores de redes: uno tipo PQM (de la serie Multilin) y otro marca ANALYST. Para el análisis de otras variables del sistema como porcentaje de humedad en el mineral, porcentaje de petróleo aditivo, etc, fueron utilizados los resultados que se obtienen diariamente en el laboratorio, con el empleo de los medios propios de la planta. 2.3. - Materiales utilizados y sus características. Para el trabajo experimental fueron utilizadas muestras del mineral laterítico, tomadas directamente en el yacimiento de Punta Gorda, este yacimiento es un típico depósito residual de níquel, cobalto y hierro asociado a una corteza de meteorización desarrollada en forma de un potente manto, esencialmente laterítico, sobre un macizo de rocas ultrabásicas serpentinizadas. La constitución del mineral laterítico se compone de una mezcla de limonita (de carácter terroso) y de serpentinas parcialmente descompuestas y duras. Se seleccionaron muestras de las componentes serpentinítica dura, blanda y de limonita. La limonita aparece como tierra suelta o en terrones de color amarillo; por su parte el material serpentínico 12 �presenta toda la gama desde mineral terroso hasta fracciones de rocas duras de diversos tamaños (Rojas, 1995) Este mineral está acompañado de una humedad promedio de 38%, variando desde un 30 a un 40%. El peso volumétrico del mineral seco “in situ” es de 1,20 t/m3 y el del mineral húmedo “in situ” es de 1,78 t/m3 2.4- Metodología para la determinación de la composición granulométrica La composición granulométrica se determinó por medio del análisis de tamiz. Este análisis se realizó por vía seco-húmeda, mediante el juego de tamices de la serie Taylor con una relación de 2 entre tamices contiguos. 2.5.- Procedimiento para la determinación de los parámetros Sj de la función razón específica de la fragmentación S. Para la determinación de los parámetros Sj de la función razón específica de la fragmentación para los distintos tipos de materiales ensayados, se hizo uso del principio de linealidad, demostrado por Sedlatscheck y Bass (1953), de la función razón específica de la fragmentación respecto a la cantidad de material a ser fragmentado. Así: − [ ] d M j (t )W = S j M j (t )W ........................................ (2.1) dt Si Sj es constante en el tiempo, entonces se puede expresar: [ ] log M j (t ) M j (0) = − 1 S jt 2,3 ó [ ] ln M j (t ) / M j (0) = − S j t .... (2.2) donde M j(0) es la fracción de masa del material de tamaño j para t = 0 (tamaño de alimentación). Entonces si log Mj(t) se plotea contra t, resulta una línea recta de pendiente Sj /2,3 ó -Sj. Los ensayos de molienda, necesarios para la obtención de las ecuaciones de regresión, fueron simulados con la ayuda del modelo cinético acumulativo. 2.6. Procedimiento para la determinación de los parámetros Bi,j de la función de distribución de la fragmentación B. En este trabajo fue utilizado el método de determinación indirecta, con alimentación de partículas de un solo tamaño, y en específico el método modificado de Kapur con los parámetros concentrados G y H. El procedimiento se basa en esencia en realizar ensayos de 13 �molienda para diferentes tiempos y con los resultados obtener un conjunto de ecuaciones de regresión como la (2.). Al utilizar como alimentación un monotamaño, el segundo término de la ecuación se hace cero y los interceptos en la ordenada dan directamente los valores de los parámetros Bi,1. ln Ri ( t ) ln R1 ( t ) = B i ,1 − Hi 2 S1 t .................................... (2.3) Los ensayos de molienda fueron simulados con ayuda del modelo cinético acumulativo, previa validación del mismo. 2.7.-Procedimiento para la determinación del modelo cinético acumulativo. Para la determinación de los parámetros de los modelos de los materiales ensayados, primeramente fue investigada la granulométrica inicial del material (para t = 0) y luego se procedió a realizar la molienda de las muestras para diferentes tiempos. En todos los casos las muestras fueron de 1200 g Los valores del parámetro cinético k, para cada tamaño, fueron determinados a partir de una regresión lineal de los valores del retenido del material en el tiempo, con un ajuste de la forma: lnW(x,t) − lnW(x,0) = k t Los valores de C y de ........................................... (2.4) n para cada tamaño se calculan a partir de los valores de k estableciendo una regresión lineal, con un ajuste de la forma: ln k = ln C + n ln x ................................................. (2.5) 2.8.- Toma de muestras en el proceso industrial. La toma de muestras en el circuito industrial se realizó en 5 puntos que se corresponden con con gi (alimentación fresca al molino, en la banda transportadora de alimentación); fi (entrada al molino); pi (descarga del molino); fc (material de retorno al molino); y qi (producto final, muestreado en la descarga de los ciclones primarios y secundarios). Las muestras fueron tomadas en el sentido del flujo, con 5 réplicas, dejando transcurrir 25 minutos entre cada campaña. En cada punto se tuvo en cuenta la masa mínima de la muestra. 14 �Conclusiones del capítulo II 1. El diseño de la investigación, garantiza adecuadamente el tratamiento del problema planteado y fue concebido sobre la base de simular a escala de laboratorio la composición sustancial del mineral laterítico, utilizar los modelos del balance de masa de la población de partículas en esta simulación, mediante un procedimiento elaborado con este fin y luego extender la experiencia hacia el circuito cerrado industrial. 2. La selección y procesamiento del material de trabajo, durante los experimentos, con la aplicación de técnicas y de métodos reconocidos así como el empleo de equipos e instrumentos de medición en perfecto estado técnico y certificados, han garantizado la calidad y la veracidad de los resultados. 3. La aplicación de las metodologías para la determinación de las funciones de la fragmentación del mineral laterítico, constituyeron la esencia del trabajo experimental y los resultados obtenidos fueron satisfactorios. III.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN DEL TRABAJO EXPERIMENTAL DE LABORATORIO Introducción La determinación del índice de Bond constituye el método clásico más fiable de caracterización de un material ante la molienda, en un circuito cerrado, por ello constituye la etapa de partida en este trabajo, para luego profundizar en el estudio del comportamiento de las funciones de la fragmentación con relación a la naturaleza del mineral. Los objetivos específicos de este capítulo son los siguientes: 1. Determinar el comportamiento del índice de Bond y de las funciones de la fragmentación del mineral laterítico con composición sustancial variable. 2. Valorar el comportamiento de la productividad del molino de bolas frente a la variación de la composición sustancial del mineral. 3. Determinar la variabilidad de la composición sustancial del mineral laterítico, en el proceso tecnológico. 15 �3.1.- Determinación del índice de Bond para el mineral laterítico, con una composición sustancial variable. El índice de Bond fue determinado para las componentes serpentinítica, limonítica y para diferentes mezclas. Se utilizó el método clásico de forma directa (Deister, 1987) y de forma indirecta, mediante simulación de los ensayos con el modelo cinético acumulativo (B. Aksani y Sonmez, 200; Aguado, 2003). En la figura 3.1 se muestran los resultados obtenidos. Se observa una fuerte relación entre el índice de trabajo y la variación de la composición sustancial del mineral (nótese el coeficiente de determinación R2 = 0.95). Interpretando el concepto del índice de Bond dado por Morrell (2004), los resultados obtenidos muestran un aumento de la resistencia del mineral a ser molido a medida que se incrementa la componente limonítica en la mezcla. A diferencia de otros materiales, como la caliza, el feldespato, la mica, la celestina, el clinker, etc, ensayados por otros investigadores (Deister, 1987; Lewis et al, 1990,;Levin, 1990; Laplante, 1993; Aksani y Sonmez, 2000; Aguado, 2003; y otros) los cuales presentan un valor único del índice de trabajo, en el caso de la laterita se revela la particularidad de que este índice varía en dependencia de la composición sustancial del mineral. Indice de trabajo Wi, kWh/t 25 20 15 10 y = 0,1937x + 0,1109 2 R = 0,9539 5 0 0 20 40 60 80 100 Contenido de serpentina Cs, % Fig. 3.1. Dependencia del índice de trabajo en función del contenido de serpentina en el mineral laterítico. 16 �3.2. Determinación de los parámetros del modelo cinético acumulativo. Durante la determinación de los parámetros del modelo cinético acumulativo, ser observó una alta correlación entre el parámetro Cm del modelo y la relación serpentina-limonita. La relación inversa (con un coeficiente de determinación R2 = 0.97) ha sido propuesta como una vía para estimar la proporción en que se combinan las dos componentes mineralógicas fundamentales en una muestra de mineral laterítico. De acuerdo a esta hipótesis se obtiene una dependencia como la que se muestra en la figura 3.2, y que puede ser expresada analíticamente según la fórmula (3.1). Cs = 1.9595 Cm − 0.7649 % ........................ .3.1 El método propuesto fue comparado con el método de análisis mineralógico, con el empleo de técnicas de rayos X, y se obtuvieron los resultados que se muestran en la tabla 3.1. Como se observa los resultados obtenidos por uno y otro método son semejantes, con lo cual queda validado el modelo de la expresión (3.3), como una forma de análisis de la composición sustancial del mineral, mediante ensayos de molienda. Contenido de serpentina, % 100 90 80 -0,7649 y = 1,9595x 2 R = 0,9682 70 60 50 40 30 20 10 0 0,0000 0,0200 0,0400 0,0600 0,0800 0,1000 Parámetro Cm Fig. 3.2 Relación inversa de la dependencia entre el parámetro Cm y la composición sustancial. 17 �Tabla 3.1 Comparación de los resultados obtenidos mediante análisis mineralógico y mediante ensayos de molienda. Contenido de serpentina, % No Molienda Rayos X 1 31,5 32,5 2 25 25,5 3 37 35,5 Dif, % -1 -0,5 1,5 3.3 Determinación de los parámetros de la función razón específica de la fragmentación, S, para el mineral laterítico. Al aplicar el procedimiento descrito en el epígrafe 2.5, para las dos componentes fundamentales del minera laterítico y para las mezclas previamente preparadas, se obtuvo un comportamiento de la función razón específica de la fragmentación como el que se muestra en la figura 3.3. Como puede apreciarse, los parámetros de la función razón específica de la fragmentación para las mezclas ocupan un lugar intermedio con respecto a los parámetros de las dos componentes mineralógicas fundamentales. Se aprecia un aumento de los Sj con la disminución del contenido de serpentina en el mineral y viceversa por lo que mientras menor sea el contenido de serpentina en el mineral el proceso de desmenuzamiento transcurre a una mayor velocidad. Aquí se aprecia la semejanza entre el parámetro Cm, del modelo cinético acumulativo y los parámetros Sj de la función razón específica de la fragmentación. Al investigar la relación entre los parámetros Sj y la composición sustancial del mineral se obtuvo la expresión: S j = [− 0.0288 ln( x ) + 0.0238 ] ln C s + 0.1774 ( x ) 0.2345 ....... 3.2 j = 1, 2, ..., 10 x: tamaño del tamiz correspondiente, en µm Cs: contenido de serpentina en el mineral, en % La expresión (3.2) sintetiza la regularidad observada entre los parámetros de la función razón específica de la fragmentación y la variación de la composición sustancial del mineral 18 �Razón específica de fragmentación, 1/min. 0,8 serpentina 100% 0,7 0,6 mezcla de serpentina 85%, limonita 15% 0,5 mezcla de serpentina 75%, limonita 25% 0,4 mezcla serpentina 50%, limonita 50% 0,3 mezcla serpentina 25% limonita 75% 0,2 mezcla de serpentina 10%, limonita 90% 0,1 limonita 100% 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Tamaño de las partículas, micrones Fig.3.3 Comportamiento de la función razón específica de la fragmentación S(x), para las componentes fundamentales y las mezclas. 3.4 Determinación de los parámetros de la función de distribución de la fragmentación, B, para el mineral laterítico. Al aplicar el procedimiento explicado en el epígrafe 2.6 se obtuvo un comportamiento de la función de distribución de la fragmentación como el que se muestra en la figura 3.4. Como se observa, los parámetros Bi,j para las mezclas, quedan comprendidos entre los límites definidos por los parámetros de las dos componentes mineralógicas fundamentales. Este resultado concuerda con el obtenido por Coello y Tijonov (1996), durante la investigación de la cinética de las mezclas. Entre los parámetros de la función de distribución de la fragmentación y la composición sustancial de mineral pudo ser establecida una dependencia como la que se muestra en la expresión (3.3). 19 �1,2 serpetina 100% función de fractura, u 1 mezclas de serpentina 85%, limonita 15% 0,8 mezclas de serpentina 75!%, limonita 25% mezclas de serpentina 50%, limonita 50% 0,6 mezclas de serpentina 25%, limonita 75% 0,4 mezclas de serpentina 10%, limonita 90% limonita 100% 0,2 0 0 200 400 600 800 1000 1200 tamaño de las partículas, micrones Fig. 3.4. Comportamiento de la función de distribución de la fragmentación B. [ ] Bi , j = 10 − 6 ( x) − 0.0035 Cs + 0.1683 ( x) 0.2346 ............ 3.3 i = 2, 3, ....., 10 x : tamaño del tamiz, en µm Cs: contenido de serpentina, en % La expresión (3.3) sintetiza la regularidad observada entre la función de distribución de la fragmentación y la variación de la composición sustancial del mineral. 3.5 Variación de la composición sustancial del mineral laterítico en el proceso industrial. La valoración de la variabilidad de la composición sustancial del mineral laterítico en el proceso industrial, ha sido sustentada en el análisis de la variación de la granulometría del mineral en un período de cinco meses y mediante análisis de molienda según el procedimiento explicado en el epígrafe 3.2. Se observó como promedio un 16 % de contenido en peso de la 20 �clase + 5.00 mm, que corresponde a partículas de serpentina y por otro lado se determinó que el mineral de alimentación a los molinos posee un contenido de serpentina aproximadamente de un 32 %, valor que está por encima del establecido según las normas para esta planta (25 %). 21 �Conclusiones del capítulo III 1. A medida que aumenta la componente serpentinítica en la mezcla, aumenta el valor del índice de Bond, según una dependencia lineal con un coeficiente de determinación de 0.95. Esta regularidad evidencia un cambio en la naturaleza del mineral, y de hecho, en el comportamiento de las funciones de la fragmentación. 2. Han sido establecidas, como regularidades, las dependencias de los parámetros de las funciones de la fragmentación, con respecto a la variación de la composición sustancial del mineral, con un coeficiente de determinación de 0.97 3. Se observa como una regularidad que, a medida que aumenta la componente serpentinítica en la mezcla disminuye la productividad del molino. Esta regularidad se manifiesta como una dependencia lineal, con un coeficiente de determinación de 0.98. 4. Ha sido demostrado que, en el proceso tecnológico la variación de la composición sustancial del mineral, es un hecho característico. IV.- MODELACIÓN DE LA MOLIENDA SECA DEL MINERAL LATERÍTICO CON COMPOSICIÓN SUSTANCIAL VARIABLE Introducción. La simulación incuestionablemente es una herramienta muy útil en la tecnología de los procesos, sobre todo si el modelo del proceso satisface la precisión requerida en tales casos, y más aún si los parámetros del modelo pueden ser determinados en el laboratorio o en la planta industrial (Benzer et al, 2001). La mayoría de los algoritmos, utilizados para la simulación de los circuitos de molienda, basados en el balance de masa de la población de partículas en estado estacionario, utilizan una matriz del molino con los parámetros delas funciones de la fragmentación constantes, por cuanto las funciones de la fragmentación una vez determinadas permanecen invariables para el material dado. El mineral laterítico por ser un mineral constituido esencialmente por dos fracciones mineralógicas que se distinguen por la diferencia en sus propiedades físicas y fisico-mecánicas, impone la necesidad de reconsiderar este último elemento. Como se demuestra más adelante en este capítulo, la no consideración de estas especificidades del mineral en cuestión, trae consigo grandes desviaciones entre los resultados observados y los modelados. La variabilidad de la composición sustancial de este mineral es 22 �un hecho a considerar de manera importante en la modelación de la molienda seca de las lateritas. Para resolver este problema, hemos incorporado a los algoritmos clásicos, las regularidades observadas en el comportamiento de las funciones de la fragmentación con respecto a las variaciones de la composición sustancial del mineral. Los objetivos específicos de este capítulo son: 1. Modelar la molienda del mineral laterítico con composición sustancial variable, en un circuito abierto y circuito cerrado similar al esquema industrial de la planta de Punta Gorda. 2. Valorar la influencia de la variación de la composición sustancial del mineral sobre la productividad y el consumo específico de energía en el circuito de molienda industrial. 4.1.- Modelación de la molienda seca del mineral laterítico con composición sustancial variable. La modelación de la molienda seca fue desarrollada por los algoritmos expuestos en las figura 4.1 y 4.4. Su principal ventaja es que los parámetros del modelo pueden ser determinados offline en pruebas de laboratorios sencillas. Su distinción con respecto a los expuestos en trabajos anteriores (Benzer et al, 2001; King, 2000; Austin et al, 1984 y otros) radica precisamente en sostener variable los parámetros de las funciones de la fragmentación en dependencia de la composición sustancial de la alimentación al molino, 4.1.1.- Modelación de la molienda seca del mineral laterítico en un circuito abierto. El algoritmo elaborado para tal efecto aparece en la figura 4.1. Al aplicar este algoritmo para la modelación de la molienda de las componentes fundamentales y de las mezclas se obtuvo el resultado que aparece en la figura 4.2, para el caso particular de la clase –0.074 mm, como se aprecia existe una buena correspondencia entre los valores observados y los estimados. 23 �Datos Q1,Ma0, Ma1,Ma2, Ma3, xi, Tr1 Modelo cinético W(x,t) = f (Cm, n) Composición sustancial Cs = f (Cm) Parámetros Bi, Bi,j = f (Cs) Sj = f (Cs) Elementos de la matriz Xi,j = f (Bi,j, Sj, Tr) Producto M(t) = [X(t)]v M(0) M(x); γ + 0.060 ,γ - 0.074 , Tr , v No γ + 0.060 ≤ 5 γ -0.074 ≥ 80 v = Q1/Q2 Q2, Tr2 Si M(x); Tr, v γ + 0.060 , γ -0.074 Fig. 4.1 Esquema para la modelación y simulación del circuito abierto 24 �Peso acumulado en la clase - 0,074, % 80 70 obs cal 60 50 40 30 20 10 0 25 35 50 75 100 Cont de serpentina, % Fig. 4.2 Comportamiento de la clase - 0.074 en la descarga del molino. Al aplicar una matriz del molino única (concepción clásica) para este tipo de mineral, con variación de su composición sustancial se obtienen los resultados que se muestran en la tabla 4.1, donde se ha tomado como referencia de matriz única, la correspondiente a la mezcla que contiene el 25 % de serpentina. Se aprecia el incremento de las diferencias entre los valores calculados y observados a medida que nos alejamos de la matriz de referencia, lo que evidencia la inconsistencia de la concepción clásica en este caso. Tabla 4.1 Comportamiento del error al estimar el contenido de las clases en la descarga del molino, al utilizar el método clásico. Contenido de serpentina en la mezcla, % Tamaño, mm 35 50 75 100 Error + 0.160 -0.074 -0.044 -2,0 3,0 15,0 28,0 -2,0 -10,0 -20,0 -26,0 -4,0 -7,0 -18,0 -23,0 25 �4.1.2 Validación del modelo La validación del modelo se realizó mediante las pruebas estadísticas F, de Fisher y la t, de Student, para ambos casos los valores calculados fueron: Fcal = 1.12 y tcal = 0.03 , frente a los valores críticos Fcrí(0.95) = 6.4 y tcri(0.025) = 2.3. Con estos resultados se demuestra que el, procedimiento propuesto es válido para la modelación de la molienda del mineral laterítico, utilizando los modelos basados en el balance de masa de la población de partículas y que da solución al problema planteado para el caso del circuito abierto. 4.1.3 Simulación del circuito abierto. Para la simulación de la molienda en el circuito abierto, con la aplicación del modelo propuesto, en el esquema de la fig. 4.1, se ha incorporado un lazo que recoge las variaciones de la cantidad de mineral en la alimentación (Q) y del tiempo de retención (Tr). Las variaciones de Q, son simuladas a través del parámetro v, considerando la molienda como un proceso de etapas repetitivas (Lynch, 1980). Con el aumento del tiempo de retención aumenta el pasante acumulativo para las clases más gruesas, como se muestra en la fig. 4.3, al simular la molienda para una mezcla con un 25 % de serpentina, para t = 5 y t = 10 min. 100,0 pasante acumulativo, % 90,0 80,0 70,0 fobs5 60,0 fcal5 50,0 fobs10 40,0 fcal10 30,0 20,0 10,0 0,0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 tamaño, x, mm Fig. 4.3 Simulación de al molienda en el circuito abierto, variando el tiempo de retención. 26 �Se aprecia una diferencia muy pequeña entre los valores observados y los calculados. El error en la mayor parte de los casos no sobrepasa el 5 %, lo que evidencia la validez del algoritmo propuesto para la simulación de la molienda en el circuito abierto. 4.2. Modelación de la molienda del mineral laterítico en un circuito cerrado. Se procedió a realizar un análisis similar para un circuito cerrado industrial, aplicando una metodología semejante a la propuesta para el circuito abierto, aunque con ciertas particularidades. Se tiene en cuenta el escalado de los parámetros de S(x) y se incorporan las regularidades de las funciones de la fragmentación al modelo básico, donde se incluye el modelo de la función reducida de Bass, por ser uno de los modelos del balance de la población de partículas, en estado estacionario, con tamaño discreto y con tiempo continuo que tiene mayor difusión y a través del cual se logra un nivel avanzado de simulación. La distribución de tamaño del producto es estimada mediante la expresión: Pi = (1 + C ) (1 − s i ) θ (t ) M i (0) ..................... (4.1) donde, θ (t): matriz del molino formada por los términos θ i, j =e − Bi , j S j t Mi (0): fracción de masa de las partículas en la alimentación al molino Al aplicar el procedimiento propuesto para la modelación del circuito cerrado, bajo diferentes condiciones de operación de la unidad de molienda (flujo de Alimentación Q, flujo de aire a través del molino, Qa, ángulo de inclinación de las paletas del separador α, carga circulante composición sustancial del mineral, Cs) se obtienen los resultados que se muestran en la figura 4.5. Como se puede apreciar, existe gran semejanza entre los valores observados y los estimados mediante el modelo, lo que fue reafirmado mediante las pruebas estadísticas F de Fisher y la t de Student, Se demuestra así que el modelo propuesto es una solución para la aplicación de los modelos basados en el balance de masa de la población de partículas, en el caso del mineral laterítico con composición sustancial variable. 27 �Datos Q1, Qa, Qa(x), Xia, Xi, M2, Ma0, Ma1, Ma2, Ma3, Tr, , si, C Modelo cinético acumulativo W(x,t) = f(Cm,n) Composición sustancial Cs = f(Cm) Parámetros Bi,j y Sj Bi,j = f (Cs) Sjlab = f (Cs) Escalado de los Sjlab Sjind = Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Sjlab Tiempo de retención Tr2 Tr2 = f (C, Qa) Elementos de la matriz Xi,j = f(Sjind, Bi,j, Tr) C, si, Qa2 Modelo básico No γ + 0.160 ≥ γ1 γ - 0.074 ≥ γ2 γ - 0.044 ≤ γ3 Indice operacional W = f (Cs) Sí Con específco Wu = f (Q) Nuevo flujo Q2 = f(W) Número de ciclos v = f (Qa, Q2) Salidas Q, C, Wu, γp Fig. 4.6 Esquema para la modelación y simulación del circuito cerrado Fig. 4.4 Esquema del ircuito cerrado. 28 �% en peso acumulativo 90 80 70 60 obs(+0,160) 50 40 cal(+0,160) obs(-0,074) 30 cal(-0,074) 20 10 0 18 19 25 27 32 36 38 Contenido de serpentina, Cs, % Fig.4.5 Modelación del circuito cerrado, bajo diferentes regímenes de operación. Productividad relativa, Q 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 Contenido de serpent, Cs, % Fig. 4.6 Dependencia de la productividad del molino industrial, respecto a la variación de la composición sustancial del mineral. 29 �Durante la investigación del comportamiento energético de la unidad de molienda y de la productividad se aprecia que la diferencia entre el índice operacional y el consumo específico de energía observado, se encuentra alrededor de un 80 %, aún considerando el posible error que se comete con el método de Bond (hasta un 20 %). Este hecho pone en evidencia un consumo de energía excesivo en el proceso de molienda industrial, al no tomarse en consideración la modelación y simulación del proceso, sobre la base de la variación de la composición sustancial del mineral. Se observa una disminución de la productividad del molino con el aumento del contenido de serpentina en el mineral (ver fig.4.6). 4.4 Simulación del circuito cerrado. Al añadir al modelo propuesto, los elementos discutidos más arriba, sobre la productividad del molino y sobre el consumo energético, se obtiene un algoritmo como el que se muestra en la figura 4.4, con el cual a partir de un muestreo en las condiciones de operación del circuito cerrado industrial, es posible predecir, mediante la simulación, no sólo el comportamiento del contenido de las clases en el producto fino, sino también el comportamiento de variables tan importantes como la productividad, el índice operacional y el consumo específico de energía real del molino. Según el esquema, la simulación permite comparar el contenido estimado de las clases en el producto final con el contenido establecido por normas para este proceso ( ϒ +0.160 ≤ 5 % ; 80 % ≤ γ -0.074 ≤ 85 %; γ -0.044 ≤ 75 %) y en caso de alejamiento de las clases de salida, respecto a las normadas, puede ser tomada una primera decisión de lograr un mejor régimen de operación variando la carga circulante, de no lograrse el ajuste deseado, entonces una segunda decisión puede consistir en reducir un tanto el flujo de alimentación hasta lograr resultados aceptables. De las tres condiciones que establecen las normas la fundamental se refiere a la clase –0.074 mm, mientras que las otras dos son complementarias. El no cumplimiento de la condición para la clase – 0.044 mm trae como consecuencia la sobremolienda, con sus efectos negativos en el circuito (Coello, 1993). En la tabla 4.2 se recogen los resultados que se obtienen al simular el circuito, primeramente con un aumento del flujo de alimentación (con lo que se obtiene una respuesta no satisfactoria en las clases de salida) y luego con un aumento de la carga circulante y disminución del flujo de alimentación (se obtiene una respuesta satisfactoria). La simulación del circuito con la aplicación del modelo propuesto, conduce a un mejoramiento significativo de los indicadores energotecnológicos del proceso. 30 �Tabla 4.2. Resultados obtenidos durante la simulación del circuito cerrado. Régimen de trabajo actual Prod, Q, t/h 50,0 Carg. Circ. Clase γ + 0.160 Clase γ - 0.074 Clase γ - 0.044 Con esp We C, % % % % kWh/t 77,0 10,0 84,4 70,8 13,0 70,0 7,6 Simulación variando la productividad 86,0 77,0 13,1 76,0 Simulación variando Carga circulante y la productividad 70,0 87,0 10,7 84,0 74,0 10,3 4.5.- Valoración económica De ser aplicado el procedimiento que hemos propuesto en este trabajo, para la modelación y simulación de la molienda con la aplicación de los modelos basados en el balance de masa de al población de partículas, entonces pueden lograrse reducciones del consumo específico de energía en el orden de un 35 % para el molino y de un 30 % para la unidad de molienda (incluye el ventilador de recirculación) Tomando en consideración las condiciones actuales de operación de las unidades de molienda, las reservas energéticas y productivas detectadas en el sistema y las tarifas eléctricas, de ser aplicada la modelación y simulación en la planta objeto de estudio, según el procedimiento propuesto en este trabajo es posible alcanzar los beneficios económicos que aparecen en la tabla 4.3. 31 �Tabla 4.3 Efecto económico posible a alcanzar mediante la aplicación del procedimiento propuesto. Observado Estimado Product Consumo Increm Reduc Product Consumo media, esp de la media, Qmed, t/h unidad, Wu, 15,0 Ahorro de anual, la del con costo, % MUSD esp de la de Qmed, unidad, prod Q, esp t/h Wu, % Wu , % kWh/t kWh/t 73,0 Reducc 85,0 13,0 11 13 17 337,4 Conclusiones del capítulo IV 1. La simulación de la molienda del mineral laterítico, con composición sustancial variable, en un circuito abierto, utilizando los modelos matemáticos del balance de masa de la población de partículas, es posible siempre y cuando sea utilizada una matriz del molino, cuyos elementos varíen en función de la composición sustancial del mineral. 2. Para la simulación de la molienda del mineral laterítico, en el circuito cerrado industrial, empleando los modelos del balance de masa de al población de partículas, puede aplicarse un procedimiento similar al propuesto para el circuito abierto, tomando los mismos parámetros de la función de distribución de la fragmentación hallados a escala de laboratorio y escalando los parámetros de la función razón específica de la fragmentación. 3. La variación de la composición sustancial del mineral laterítico, en el proceso industrial, tiene una marcada influencia sobre la productividad y sobre el consumo específico de energía de la unidad de molienda. El hecho de tener en cuenta este factor, durante la modelación y simulación del proceso, puede permitir una disminución significativa del costo de producción. 32 �CONCLUSIONES GENERALES 1. A medida que aumenta la fracción serpentinítica en el mineral laterítico, aumenta el valor del índice de Bond, según una dependencia lineal. Esta regularidad evidencia la variación de la molibilidad del mineral con la variación de su composición sustancial. 2. Las regularidades observadas en el comportamiento de las funciones de la fragmentación, respecto a la variación de la composición sustancial del mineral laterítico, dada por la relación serpentina-limonita, han sido expresadas a través de una dependencia logarítmica con un coeficiente de determinación de 0,97 para el caso de la razón específica de la fragmentación y por una dependencia lineal con igual coeficiente de determinación para el caso de la función de distribución de la fragmentación. 3. La aplicación de las concepciones clásicas de los modelos de molienda, basados en el balance de masa de la población de partículas, en el caso del mineral laterítico, es posible cuando los parámetros de las funciones de la fragmentación se consideran variables que expresan las regularidades de dichas funciones con respecto a la variación de la composición sustancial del mineral. 4. El procedimiento propuesto para la modelación y simulación de la molienda de la laterita con composición sustancial variable, resuelve las limitaciones encontradas para aplicar las concepciones clásicas de modelación a este tipo de mineral y se demuestra el impacto económico que puede producir la aplicación de este procedimiento en un proceso industrial, ascendente al ahorro de 337,4 MUSD anualmente, por concepto de racionalización en el portador energético, así como en otros beneficios adicionales de carácter económico, social y medioambiental. 33 �RECOMENDACIONES 1. Dar continuidad al trabajo con la elaboración de un software para la aplicación del procedimiento propuesto. 2. Utilizar este trabajo como una base de conocimiento en la automatización del proceso de molienda en la empresa ‘’Cmdte Ernesto Che Guevara’’. 34 �REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. Aguado M. J., Aplicación de la simulación matemática a la determinación de consumos energéticos en fragmentación. (Tesis doctoral) Universidad de Oviedo, 2003. 2. Aksani. B y Sonmez B. Simulation of Bond grindability test by using cumulative based kinetic model. Minerals Engineering,. Vol 13. No. 6. pág 673-677. 2000 3. Aldana S. Eugenio y Legrá L. Angel. Optimización de la productividad y la fineza de la molienda en la planta de preparación de minerales de la empresa ‘’Cmdte Ernesto Che Guevara’’. Centro de Investigación de la Laterita, Moa, Holguín, 1996 4. Andreiev, S. E. Andreiev; V. A. Perov; V. V. Zverievich. Trituración, desmenuzamiento y cribado de los minerales. Editorial Mir, Moscú, 1980. 5. 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XV Forum de Ciencia y Técnica (relevante a nivel Municipal). 5. Influencia de la relación serpentina-limonita sobre los indicadores energotecnológicos en el proceso de molienda del mineral laterítico. CIER 2005. 6. El consumo de energía eléctrica en el proceso de molienda del mineral laterítico. CIMEI 2004. 7. El consumo de energía eléctrica en el proceso de molienda del mineral laterítico. CINAREM 2004. Publicaciones de ponencias presentadas en eventos científicos: 1. Optimización del proceso de molienda del mineral laterítico en la empresa ‘Cmdte Ernesto Che Guevara’ SIE 2001, Universidad Central de Las Villas. (ISBN) 2. Diagnóstico energético en la sección de molienda de la empresa ‘Cmdte Ernesto Che Guevara’. SIE 2003. Universidad Central de Las Villas. (ISBN) 3. Normación del consumo de energía eléctrica en la molienda de la laterita. FIE 2002, Universidad de Oriente. (ISBN) 41 �4. El consumo de energía eléctrica en el proceso de molienda del mineral laterítico. CINAREM 2004. (ISBN) 5. Influencia de la relación serpentina-limonita sobre los indicadores energotecnológicos en el proceso de molienda del mineral laterítico. CIER 2005. (ISBN) Publicaciones en revistas científicas 1. Productividad y Eficiencia energética en el proceso de molienda del mineral laterítico. Revista Minería y Geología. Vol XVII, No. 2 del 2001. 2. Diagnóstico energético del proceso de molienda de la laterita. Minería y Geología Vol XIX, No. 3 – 4 .del 2004. Trabajos de diplomas dirigidos , relacionados con la tesis doctoral. 1. Estudio de las características energéticas de una unidad de molienda de mineral laterítico en la empresa ‘’Cmdte Ernesto Che Guevara’’. Fredy González Fernández. ISMM. Dpto de Eléctrica. 2000. 2. Simulación del proceso de molienda del mineral laterítico a escala de laboratorio. Carlos M. Rojas Jomarrón . ISMM. Dpto de Eléctrica. 2002. 3. Comportamiento energético del proceso de molienda , en la empresa ‘’Cmdte Ernesto Che Guevara’’. Rodolfo Pérez Pérez y Alexis Rodes Condis., ISMM, Dpto de Eléctrica, 2003. 4. Consumo energético del proceso de molienda de la empresa ‘’Cmdte René Ramos Latour’’. José M. Vargas Estévez. ISMM, Dpto de Eléctrica. 2003. 5. Modelación a escala de laboratorio del proceso de molienda del mineral laterítico, procedente del yacimiento de Punta Gorda. Yusmay Núñez González y Zolnier Pérez González. ISMM. Dpto de Metalurgia. 2003. 6. Consumo electroenergético en el proceso de molienda a escala de laboratorio. Lilia Encinas Bertolín y Luis E. Santiesteban Powery. ISMM, Dpto de Eléctrica. 2003. 7. Determinación de las funciones de la fragmentación para el mineral laterítico. Alexander Garcés Rigñag y Yulio Feria Tamayo. Dpto de Metalurgia. 2003. 8. Determinación del índice de trabajo o índice de Bond para el mineral laterítico. Yosbany Reina Licea. ISMM. Dpto de Metalurgia. 2004. 42 �9. Procedimiento para la regulación de la alimentación de los molinos de bolas en la empresa ‘’Cmdte Ernesto Che Guevara’’Nersy Fonseca. ISMM. Dpto de Eléctrica. 2004. 10. Estudio del comportamiento energético de la unidad de molienda 2, en la empresa ‘’Cmdte René Ramos Latour’’. Elvis Gil Riverón. ISMM. Dpto de Eléctrica. 2004. 11. Análisis del comportamiento del consumo específico de energía en el proceso de molienda de la Laterita en la Empresa “Cmdte Ernesto Che Guevara”. Uberlandis Lafargue Barrientos. ISMM, Dpto de Metalurgia. 2005. (Premio Relevante en el XVI Forum Nacional Estudiantil de Ciencia y Técnica) 12. Valoración de la influencia de algunos factores tecnológicos, sobre el consumo específico de energía en el proceso de molienda del mineral laterítico. Delvis Toirac Martínez. ISMM, Dpto Eléctrica. 2005. 43 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Tesis Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Modelación y simulación del proceso de molienda del mineral laterítico con composición sustancial variable Creator An entity primarily responsible for making the resource Reynaldo Laborde Brown Publisher An entity responsible for making the resource available Editorial Digital Universitaria de Moa Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 2005 Type The nature or genre of the resource Tesis doctoral https://repoedum.ismm.edu.cu/files/original/0d67b08a5bb2911ca86bfc366e50e6f5.pdf 1084d203280ab35304f32f822949bb66 PDF Text Text Tesis doctoral DESARROLLO DE HERRAMIENTAS PARA LA CREACIÓN, MODELACIÓN Y COMPROBACIÓN DE PROTECCIONES ELÉCTRICAS Orlys Ernesto Torres Breffe �Resumen de la Tesis 1 MINI STER IO DE EDUCACI ÓN SUPE RIOR INSTITU TO SUP ERIO R MINE RO MET ALÚR GICO “DR. ANTO NIO NÚÑE Z JIMÉNEZ ” FACU LTAD DE MET ALUR GIA Y ELECTRO MEC ÁNIC A DEP ARTAM ENTO DE EL ÉCTRI CA TESI S PRES ENT ADA EN OPCI ÓN AL TÍTU LO ACAD ÉMICO DE DOC TOR EN CIEN CIAS TÉCNI CAS TÍ TULO: Desar roll o de herra mientas para la crea ción, model ación y comp roba ción de prot ecci ones eléc tri cas Auto r: MSc. Orl ys Ern esto Torr es Bre ffe Tuto re s: Dr. Anto nio Martínez García Dra. Mir iam Vilarag ut Llan es 2005 Año de la Alte rna tiva Boli vari ana par a las Amér icas De sar ro ll o de he rr am ien ta s pa ra la cre ac ión , mo de la ci ón y com pr ob ac ión de Pr ot ec cio ne s Elé ct ri cas M.Sc . Orlys Ernesto To rres Breffe In st it ut o Sup er ior Mi ne ro Me ta lú rg ico de Mo a Dr. Ant on io Núñ ez Jim én ez �Introducción General 2 Introducción General La ciencia de las protecciones eléctricas tiene poco más de un siglo de existencia. Los primeros dispositivos de protección surgen, por necesidad, al unísono con el primer Sistema Eléctrico de Potencia a finales del siglo XIX. A lo largo del siglo XX, se desarrollan sorprendentemente tanto los conceptos teóricos como la tecnología utilizada en los dispositivos de protección. El siglo XXI augura cambios aún más sorprendentes con modificaciones conceptuales y filosóficas para esta ciencia. Los conceptos desarrollados a principios del siglo pasado, basados fundamentalmente en el empleo de la lógica booleana (protecciones convencionales), aún son la base de la filosofía empleada en la comprensión y el trabajo de los dispositivos digitales que se emplean en la actualidad. La introducción de los Métodos de Inteligencia Artificial amenaza con transformar radicalmente estos conceptos (protecciones inteligentes). A finales del siglo XX tanto la modelación matemática y la simulación de los dispositivos de protección comenzaron a ser una necesidad. Los dispositivos digitales, basados en microprocesadores, han incorporado funciones de protección que evolucionaron en numerosas y necesarias combinaciones lógicas, si se comparan con los clásicos dispositivos de principios de siglo, aumentando las probabilidades de una selección y/o ajuste incorrectos. En la actualidad, un Relé Digital Multifunción, además de constituir la protección integral de un elemento cualquiera del Sistema Eléctrico de Potencia, incluye los instrumentos de medición y control necesarios. Esto ofrece numerosas ventajas en cuanto a la reducción del tamaño de las instalaciones y el costo del mantenimiento, entre otras. �Introducción General 3 Situación problémica Los fabricantes de Relés Digitales modernos precisan de verificar adecuadamente el correcto funcionamiento de cada una de las funciones de protección, medición y control, así como sus combinaciones, antes de introducirlos al mercado. Constantemente se están publicando nuevas versiones del software de bajo nivel de estos dispositivos, ya sea para corregir determinado error encontrado, hacer determinada modificación o mejorar una u otra función de protección, medición o control. Los técnicos que proyectan y/o instalan los sistemas de protecciones digitales, necesitan asegurar o garantizar la correcta selección de las funciones de protección y sus ajustes. De la misma forma, en caso de que se presenten incorrectas operaciones, el problema radica en determinar rápidamente las causas que las provocan. Las numerosas combinaciones lógicas de las funciones de protección incluidas en los Relés Multifunción, así como la complejidad de las mismas, hacen de este proceso de selección, ajuste y búsqueda de las causas de operaciones incorrectas, un proceso lento y costoso. Este problema, tanto desde el punto de vista del fabricante como de los técnicos y proyectistas, se incrementará con el empleo de los Métodos de Inteligencia Artificial en los dispositivos de protección. Estos métodos sencillamente no pueden ser analizados sin la ayuda de una computadora digital potente. Problemas no resueltos A finales del siglo XX las grandes compañías fabricantes de Relés comenzaron con la aplicación de Simuladores Digitales en Tiempo Real que les permitieron verificar el �Introducción General 4 comportamiento de sus Relés antes de introducirlos en el mercado, pero estos simuladores no están al alcance de los técnicos y proyectistas en los países subdesarrollados. Estos simuladores son de dos tipos: en un caso realizan la simulación del Sistema Eléctrico de Potencia para verificar en la práctica los Relés Digitales simulados y en el otro caso, hacen la simulación de las funciones del Relé Digital, utilizando modelos detallados del hardware, el cual comprueban con parámetros de averías generadas en Simuladores Analógicos. Por otra parte, hasta el momento los software que permiten hacer una simulación del Sistema Eléctrico de Potencia y sus Protecciones (EMTP®) no incluyen las Técnicas de Inteligencia Artificial, para estos análisis se emplean otras herramientas informáticas por parte de los investigadores. En nuestro país existe poco desarrollo en la modelación y simulación de protecciones eléctricas. En escasas ocasiones prácticas se utilizan software con modelos fasoriales y estos modelos no permiten hacer un análisis dinámico o transitorio de las instalaciones, el resto no utiliza la simulación. Escasos investigadores han estudiado la modelación y simulación transitoria de algunos dispositivos de protección, pero separando la operación del sistema de potencia y las protecciones eléctricas. No se reportan trabajos de aplicación de las Técnicas de Inteligencia Artificial en las protecciones eléctricas, por tanto no se pueden hacer valoraciones técnicas profundas de las investigaciones realizadas por otros autores. No se fabrican Relés de Protección ni se cuenta con las herramientas adecuadas para hacerlo. �Introducción General 5 Objetivo General Crear una herramienta que permita simular el comportamiento de las funciones de protección de un sistema convencional o inteligente, que esté instalado o se pretenda instalar, a partir de los datos de averías simuladas (al unísono) en el propio Sistema Eléctrico de Potencia, que permita predecir las operaciones incorrectas en las protecciones y buscar sus soluciones. Hipótesis Si se crea una herramienta computacional que involucre no sólo la modelación y simulación de los dispositivos de protección sino incluso, de los elementos del Sistema Eléctrico de Potencia, se podrá facilitar el proceso de verificación del comportamiento de los sistemas de protección instalados o que estén en proyección. Adicionalmente, esta herramienta virtual ayudará a investigadores relacionados con las protecciones eléctricas en la búsqueda de nuevas soluciones, tanto con la tecnología convencional como con la aplicación de los Métodos de Inteligencia Artificial. La herramienta a crear debe ser capaz de conectarse, mediante tarjetas interfases, a señales eléctricas provenientes de simuladores analógicos o de instalaciones reales, para así verificar el comportamiento de los métodos de medición utilizados en las nuevas funciones de protección creadas. Novedades del trabajo 1. La creación de una Biblioteca en el SIMULINK del MATLAB que incluya los dispositivos de protección más utilizados en la práctica, así como soportar los dispositivos basados en técnicas de inteligencia artificial y que permita predecir el �Introducción General 6 comportamiento ante fenómenos transitorios de los sistemas de protecciones completos a partir de la simulación del sistema eléctrico de potencia y sus protecciones eléctricas como una unidad. 2. Obtener los patrones de entrenamiento, entrenar una Red de Neuronas Artificiales para ser utilizada en específico en la protección de Transformadores de Potencia y que opere correctamente, para aquellos regímenes más difíciles de identificar, incluso con determinados defectos en los instrumentos de medición como la apertura de un conductor en el circuito secundario de los transformadores de corriente. Tareas de la investigación: Para hacer esta investigación el autor se propuso las siguientes etapas: 1. Investigar el desarrollo tecnológico y científico de las protecciones eléctricas desde su surgimiento, para lograr una fundamentación coherente del por qué del empleo de los simuladores digitales de protección, así como para hacer una valoración de los trabajos anteriores relacionados con la modelación de dispositivos de protección. 2. Investigar el desarrollo y las aplicaciones de las Técnicas de Inteligencia Artificial en las Protecciones Eléctricas. 3. Seleccionar la herramienta matemática o plataforma de programación y crear sobre ella la Biblioteca Virtual de Protecciones Eléctricas que permita simular al unísono un Sistema de Potencia cualquiera y sus protecciones. 4. Hacer la modelación matemática de los dispositivos secundarios convencionales mayormente utilizados en la práctica nacional. �Introducción General 7 5. Validar en tiempo real los modelos matemáticos creados, empleando tarjetas interfases, comparando su funcionamiento con el de los Relés reales. 6. Simular, con la herramienta creada, instalaciones importantes de protecciones eléctricas reales del país y verificar sus comportamientos. En caso de encontrar deficiencias concretas, verificar las soluciones antes de proponerlas, utilizando la propia herramienta. 7. Proponer un Relé Inteligente basado en Redes de Neuronas Artificiales y comprobar su funcionamiento comparándolo con una aplicación real de protecciones convencionales. El documento se divide en 4 capítulos en los cuales se resuelven las tareas anteriormente enumeradas. El capítulo inicial se dedica a describir el estado actual de la modelación, simulación y comprobación de protecciones eléctricas en el ámbito internacional. En el segundo capítulo se desarrollan y comprueban los modelos de los dispositivos de protecciones creándose una Biblioteca Virtual de Protecciones Eléctricas. Estos modelos se emplean en la simulación de las protecciones eléctricas de instalaciones industriales reales del territorio de MOA (Cuba), lo cual se encuentra en el tercer capítulo. El último capítulo se dedica a la creación, entrenamiento y verificación de un Relé basado en Redes de Neuronas Artificiales para la protección de un transformador de potencia, mostrando sus ventajas con respecto a los Relés convencionales simulados y estudiados en el tercer capítulo. �Resumen de la Tesis 8 Capítulo I. Actualidad en la Modelación y Simulación de Protecciones Se presenta una panorámica del desarrollo actual de la modelación matemática de las protecciones eléctricas en la que se destaca el desarrollo de software tales como EMTP® y MATLAB®, para la simulación de Sistemas Eléctricos de Potencias con sus protecciones. Se reconoce como modelo matemático de Relés de Protección al conjunto de ecuaciones que describen las características de operación de los mismos. Estas características pueden ser disímiles: corrientes versus tiempo, corriente diferencial versus corriente de retención, resistencia versus reactancia, entre otras. Hoy día, los fabricantes de Relés simulan sus diseños y nuevos métodos de protección en las computadoras. Los modelos empleados en estos casos son modelos detallados del hardware, que resultarían inadecuados para la simulación del comportamiento de un Sistema Eléctrico de Potencia y sus protecciones. Los modelos genéricos resultan suficientes para el análisis y prevención de las operaciones incorrectas en sistemas de protecciones eléctricas instalados o que se pretendan instalar en un Sistema Eléctrico de Potencia cualquiera. Estos modelos son mucho más representativos que los modelos fasoriales que utilizan los valores eficaces calculados mediante métodos matriciales. En la modelación genérica de los dispositivos de protección se está empleando el método de caja negra, donde se relacionan matemáticamente las entradas y salidas de un dispositivo determinado. Esta variante, aunque es la más utilizada, presenta inconveniente Desarrollo de herramientas para la creación, modelación y comprobación de Protecciones Eléctricas M.Sc. Orlys Ernesto Torres Breffe Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa Dr. Antonio Núñez Jiménez �Capítulo I. Actualidad en la Modelación y Simulación de Protecciones Eléctricas 9 en la modelación de los Relés Electromecánicos; dado que en estos, influyen otras variables en su funcionamiento. Los dispositivos basados en técnicas de inteligencia artificial, ampliamente investigados en la actualidad, pero de muy poca aplicación real o comercial, no pueden ser puestos en funcionamiento sin el uso de simuladores. Muchos de estos dispositivos aprenden o precisan de reglas de conocimientos, es decir, no necesitan de ser ajustados, por lo que el empleo de simuladores que brinden los datos necesarios para el aprendizaje, son imprescindibles. Los actuales estudios de protecciones, basadas en Redes de Neuronas Artificiales (RNA), emplean el simulador EMTP® y crean, entrenan y comprueban la RNA utilizando MATLAB® u otras herramientas matemáticas. �Resumen de la Tesis 10 Capítulo II. Modelación Matemática, Simulación y Comprobación de Dispositivos de Protección Se construyeron los modelos matemáticos de varios dispositivos de protección y se simularon utilizando el software MATLAB/Simulink. En la Biblioteca Power System Blockset de Simulink existen varios modelos de los elementos del Sistema Eléctrico de Potencia (transformadores, generadores, líneas, motores, entre otros) así como algunos dispositivos de protección tales como los descargadores valvulares, interruptores de potencia, entre otros que se utilizan en la modelación matemática de un sistema de protecciones. En este capítulo se construyeron modelos para Transformadores de Corriente dado que no existen en MATLAB, así como el modelo genérico de varios Relés de Protección de mayor utilización en la práctica nacional. Modelación y simulación de Transformadores de corriente El conjunto de ecuaciones utilizadas para la modelación matemática de los transformadores de corriente se muestra a continuación: i' P = iP K TC i0 = i ' P − iS ψ = f (i0 ) I S (s) = (RH s ψ (s) + s ⋅ LH ) Donde: Ip: corriente del devanado primario Desarrollo de herramientas para la creación, modelación y comprobación de Protecciones Eléctricas M.Sc. Orlys Ernesto Torres Breffe Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa Dr. Antonio Núñez Jiménez �Capítulo II. Modelación Matemática, Simulación y Comprobación de Dispositivos de Protecciones Eléctricas 11 I’p: corriente del primario referida al secundario Is: corriente del devanado secundario KTC: relación de transformación de corriente Io: corriente de magnetización ψ: concatenaciones totales de Flujo RH: resistencia equivalente calculada a partir de la suma de la resistencia interna del devanado secundario y la carga. XH: reactancia equivalente calculada a partir de la suma de la reactancia interna del devanado secundario y la carga. s: operador de Laplace Figura 1.0. Modelo en Simulink para la simulación de un TC monofásico considerando la saturación a través de una sola curva de histéresis y la máscara dinámica para identificar el modelo con el TC que se desea estudiar. �Capítulo II. Modelación Matemática, Simulación y Comprobación de Dispositivos de Protecciones Eléctricas 12 Estas ecuaciones se obtuvieron con la aplicación de las Leyes de Kirchhoff al circuito equivalente del Transformador de Corriente. Son fundamentalmente ecuaciones diferenciales de primer orden, pero la relación entre las concatenaciones totales de flujo (ψ) y la corriente de magnetización es una relación no lineal, que representa los fenómenos de histéresis del núcleo. Se construyó un modelo en Simulink (figura 1.0) para la simulación de los Transformadores de Corriente el cual utiliza una sola curva para simular la histéresis del núcleo, mediante una tabla de búsqueda (look up table). También se muestra la máscara dinámica creada para que el usuario introduzca los datos que identifican el Transformador de Corriente que se desea simular. 120 100 Corriente secundaria (A) 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Tiempo(s) Figura 2.0. Corriente ideal (línea discontinua) y real (línea continua), simuladas con el modelo del TC de 100/5, R = 1.58 y X = 4.52 utilizando la función tangencial hiperbólica para simular la alinealidad del núcleo. Devanado secundario en cortocircuito. La corriente simulada es de 10 veces la nominal. También se creó un modelo de transformador de corriente trifásico, construido a partir de la unión de tres transformadores de corriente monofásicos, en el que adicionalmente a la �Capítulo II. Modelación Matemática, Simulación y Comprobación de Dispositivos de Protecciones Eléctricas 13 curva de saturación del núcleo se permite cambiar la conexión de los devanados del secundario. En la figura 2.0 se muestra los resultados de la simulación de un TC monofásico con corriente mayores a 10 veces la nominal y con componentes de directa, muy frecuentes en los cortocircuito de los sistemas eléctricos de potencia. En la figura 3.0 se muestra la dependencia de la deformación de la onda de la corriente en el secundario con relación a la componente resistiva o reactiva de la impedancia 80 80 60 60 40 40 20 20 Corriente (A) Corriente (A) equivalente del circuito secundario del Transformador de Corriente. 0 -20 -40 -20 -40 -60 -60 -80 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 Tiempo(s) a) Figura 3.0. 0.08 0.09 0.1 -80 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Tiempo(s) b) Corrientes secundarias, ideal y real simulada, de un TC, con una intensidad de 10 veces el valor nominal. Cargas a) resistiva pura b) mayormente inductiva. El TC simulado posee los mismos datos que el utilizado en la figura 2.0 Cuando la componente resistiva es mayor (figura 3.0 a), la deformación es visualmente menor y dura mucho menos ciclos si se compara con la corriente cuando la impedancia es mayormente inductiva (figura 3.0 b). Adicionalmente se comprobó la validez de los modelos comparándolos con los resultados de dos ensayos a Transformadores de Corriente reales y las formas de onda son muy similares. Como curva de excitación se utilizó la función tangencial hiperbólica. �Capítulo II. Modelación Matemática, Simulación y Comprobación de Dispositivos de Protecciones Eléctricas 14 Modelación y Simulación de Relés de protección Los modelos de los Relés de Protección se realizaron según el método de caja negra, tomando como señal de entrada los parámetros eléctricos que utilizan en su funcionamiento y como señal de salida, el estado del contacto de disparo. La salida “0” significa que el dispositivo virtual (modelo) ha operado. Figura 4.0. Modelo en Simulink para un Relé de Porcentaje Diferencial de doble rampa, pero representa la generalidad de los modelos creados. En la figura 4.0 se muestra el modelo de un Relé Porcentaje Diferencial donde se pueden observar las características fundamentales de la modelación empleada en Simulink para cualquier Relé. Las salidas del modelo son controladas por el estado de la variable A, la cual es modificada por el usuario en las máscaras dinámicas que se crearon para este fin. En este caso, el modelo utiliza tres señales de corriente y una salida. El bloque Trip Color permite cambiar el color del modelo durante la modelación, si el dispositivo modelado ha operado. Se modelaron los siguientes dispositivos, que se enumerarán en forma general utilizando la numeración ANSI/IEEE: �Capítulo II. Modelación Matemática, Simulación y Comprobación de Dispositivos de Protecciones Eléctricas • 15 Relés de Magnitud o Relés de Sobrecorriente (50 y 51) o Relés de Baja y Alta Tensión (27 y 59) o Relés de Baja y Alta Frecuencia (81 U/O) • Relés Direccionales (67 y 32) • Relés de Distancia (21) • Relés Diferenciales (87) Los Relés de magnitud son aquellos que utilizan una sola variable o parámetro eléctrico para su funcionamiento. Dentro de estos se modelaron varios tipos de Relés de Sobrecorriente, Relés de Sobrecorriente de Tiempo Inverso y Tiempo Definido. Los Relés de tiempo definido con tiempo cero, imitan los Relés de Sobrecorriente instantáneos. Se crearon los siguientes modelos de Relés de Sobrecorriente: • Relés de fase de Tiempo Definido e Inverso. • Relés de Secuencia Cero de Tiempo Definido e Inverso. • Relés de Secuencia Negativa de Tiempo Definido e Inverso. • Relés con Restricción por Tensión. Estos Relés pueden ser seleccionados en la biblioteca y ser instalados en un modelo de Power System Blockset de Simulink, para ser una simulación de una instalación real cualquiera. Todos los Relés de Sobrecorriente modelados son de amplia utilización en la práctica nacional e internacional. Las curvas de tiempo contra corriente modeladas responden a los estándares ANSI, IAC, IEC. �Capítulo II. Modelación Matemática, Simulación y Comprobación de Dispositivos de Protecciones Eléctricas 16 Se construyeron los modelos de varios Relés Direccionales, tanto los Relés Direccionales de comparación de fase, como los Relés Direccionales de potencia. Adicionalmente se incluyen los Relés Direccionales de Sobrecorriente (67). En sus variantes monofásicas y trifásicas, así como los Relés Direccionales de Secuencia Cero. Las ecuaciones que permitieron modelar estos Relés son las siguientes: Cos (ϕ sm − ϕ r ) = Cos (ϕ sm − (ϕ u − ϕ i )) > 0 Pr = Ur ⋅ Ir ⋅ Cos (ϕ sm − ϕ r ) donde: ϕ r: ángulo de desfase entre las señales de tensión y corriente medidas por el Relé Direccional. ϕu : ángulo de desfase de la tensión medido por el Relé Direccional. ϕi : ángulo de desfase de la corriente medida por el Relé Direccional ϕsm: ángulo de máxima sensibilidad ajustado en el Relé Direccional o característico del mismo. Ur: valor eficaz de la tensión medida por el Relé Direccional. Ir: valor eficaz de la corriente medida por el Relé Direccional. Pr: potencia medida por el Relé Direccional. Modelos de Relés de Distancia también fueron incluidos en la biblioteca creada. Se pueden simular dos tipos fundamentales de Relés de Distancia, basado en un modelo de comparación de fase, los del tipo MHO y los Elípticos. Las ecuaciones son las siguientes: Z2 = Ur Ir Z op = Z 2 − Z 1 Z pol = Z 2 Donde: Ur: valor complejo de la tensión medida en el Relé de Distancia. Ir: valor complejo de la corriente medida en el Relé de Distancia. Z1: valor complejo de la impedancia ajustada en el Relé de Distancia. Z2: valor complejo de la impedancia medida en el Relé de Distancia. Zop: impedancia de operación calculada en el Relé de Distancia. Zpol: impedancia de polarización calculada en el Relé de Distancia. �Capítulo II. Modelación Matemática, Simulación y Comprobación de Dispositivos de Protecciones Eléctricas 17 Igualmente se simularon varios tipos de Relés Diferenciales. Los Relés Diferenciales de Sobrecorriente, así como los de Porcentaje Diferencial de una y dos rampas, con diferentes comportamiento en dependencia de las corrientes de retensión. Las ecuaciones para modelar un Relé Diferencial de 2 rampas es la siguiente: Iop = I 1 − I 2 Iret = máximo( I 1 , I 2 ) Si Iret ≤ 1 pu y Iop > Is1 entonces opera Si 1 pu < Iret < Is 2 y Iop > K 1 ⋅ Iret entonces opera Si Iret ≥ Is 2 y Iop > K 2 ⋅ Iret entonces opera Donde: Iop: valor eficaz de la corriente diferencial calculada en el Relé Diferencial. Iaj: valor eficaz de la corriente preestablecida en el Relé Diferencial por encima de la cual opera. I1: valor complejo de la corriente medida por el Relé Diferencial en un terminal del elemento protegido. I2: valor complejo de la corriente medida por el Relé Diferencial en el otro terminal del elemento protegido. Iret: valor eficaz de la corriente de retención del Relé. K1: coeficiente de retención ajustable en el Relé. Is1: corriente ajustable que establece el mínimo valor de corriente de operación del Relé. Is2: corriente de retención del Relé Diferencial por encima de la cual se cambia a la segunda rampa K2: coeficiente de retención de la segunda rampa Validación práctica los modelos de Relés de Protección Para validar el funcionamiento de los Relés de Protección creados, se utilizó la posibilidad de MATLAB para el trabajo en tiempo real a través del equipo dSPACE, que es una interfase para la adquisición de datos. En la figura 6.0 se muestra un diagrama monolineal de la instalación utilizada. �Capítulo II. Modelación Matemática, Simulación y Comprobación de Dispositivos de Protecciones Eléctricas 18 a) b) Figura 6.0. a) Esquema simplificado del experimento para la protección digital de un motor de inducción. b) Vista frontal del dSPACE Se experimentó con varios tipos de defectos y averías en el motor: cortocircuitos multifásicos y monofásicos a tierra en el motor, sobrecargas simétricas y asimétricas, baja y sobre tensión, entre otros, los cuales se repitieron más de 20 veces cada uno. Los resultados de la operación de la protección computarizada mostraron que los modelos simulados en MATLAB responden como lo hacen sus homólogos en la práctica. En la figura 7.0 se muestra la forma de onda de la corriente del estator durante el proceso de arranque y durante un cortocircuito bifásico en el terminal del motor que es desconectado. a) b) Figura 7.0. Imagen capturada desde el osciloscopio digital, que presenta las corrientes en la fase A del motor referida al secundario del TC a) durante el arranque b) durante un fallo bifásico a tierra que involucró las fases A y C. �Resumen de la Tesis 19 Capítulo III. Simulación de las Protecciones Convencionales para Transformadores de Potencia En este capítulo se simulan las protecciones instaladas en dos transformadores de potencia diferentes correspondientes a subestaciones industriales reales. Los casos de estudios corresponden con los Transformadores de Potencia de las empresas niquelíferas Comandante Pedro Soto Alba y Comandante Ernesto Che Guevara. En ambos Transformadores de Potencia, que tienen características diferentes en cuanto a la potencia nominal, la conexión del neutro, entre otros aspectos, están siendo protegidos por Relés basados en microprocesadores de la firma General Electric Power Management. Los Relés SR-745 (protección integral de transformadores) y SR-750 (protección integral de alimentadores) están interconectados para proteger a los transformadores contra todos los defectos tanto interno como externos a los mismos. Caso de estudio I. Protección del Transformador de Potencia perteneciente a la Empresa Comandante Pedro Soto Alba (PSA). En la figura 8.0 se muestra un diagrama monolineal de las funciones de protección instaladas en los Relés SR-745 y SR-750. Este diagrama se construyó a partir de los ficheros de ajustes extraídos de los Relés Digitales, los planos de instalación y las entrevistas con los técnicos y especialistas de la empresa. A partir de los niveles de corrientes de cortocircuitos y los datos generales de la instalación, se modeló el Sistema Eléctrico de Potencia y sus protecciones. Utilizando los modelos de Relés de la Biblioteca Virtual de Protecciones Eléctricas creada en MATLAB/Simulink, se Desarrollo de herramientas para la creación, modelación y comprobación de Protecciones Eléctricas M.Sc. Orlys Ernesto Torres Breffe Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa Dr. Antonio Núñez Jiménez �Capítulo IIII. Simulación de las Protecciones Convencionales para Transformadores de Potencia 20 modelaron las funciones de protección de los Relés Digitales Multifunción SR-745 y SR750. Figura 8.0. Esquema simplificado del sistema de protección del Transformador de la Subestación en la empresa Comandante Pedro Soto Alba, utilizando la simbología ANSI. En la figura 9.0 se muestra el modelo creado en Simulink para la simulación de las protecciones eléctricas en el transformador de potencia de la PSA. Se simularon muchas averías tanto internas como externas, se simuló la magnetización durante las condiciones más severas, tanto por el primario como por el secundario, entre otros muchos regímenes para verificar el comportamiento de las protecciones instaladas. Luego de realizada la simulación, se detectaron las siguientes dificultades: 1. Ajustes incorrectos en la función de Porcentaje Diferencial 2. Ajustes incorrectos en la función Diferencial Instantánea 3. Demoras excesivas para la acción contra cortocircuitos externos en el secundario �Capítulo IIII. Simulación de las Protecciones Convencionales para Transformadores de Potencia 21 4. No existe protección contra Sobretensiones A A A B B B C C C No Fault No Fault 3-Phase Fault5 A A N B 3-Phase Fault1 A A1 B B1 C com C C1 3-Phase Breaker C NOT Out In C1 n Scope1 A B1 B C C C1 I3f Scope2 I3f TC wye 1600/1 A B C A A A B C A B B C C Vabc com Iabc B C 3-Phase Breaker1 Three-Phase V-I Measurement Iabc 1.048e-012 PQ 3-phase Instantaneous Active & Reactive Power TP Display1 Controlled Timer A1 A Vabc If Ground Resistor 25.4 Ohm 1 NOT Fault ABC 3-Phase Fault6 A TC wye 1600/5 Three-phase T ransformer Locker 1 (86)1 Timer2 B1 TC 1 A 200/5 Out C B b c C B C A1 a B A B 3-Phase Fault3 I3f TC wye 200/5 Start Reset A B A No Fault 3-Phase Fault2 A B C No Fault u O u O u O 1.434e-017 Display A B C c b a U A B C 3-Phase Series RLC Load 0 Display2 NOT In NOT Out Start Reset Controlled Timer1 Out Locker 2 (86) Open wires Timer1 Iabc_P Out Out In Iabc_S AND Uph em SR-745 Iabc Out In SR-750 Figura 9.0. Esquema en Simulink para el análisis del comportamiento del transformador de la Empresa Comandante Pedro Soto Alba. Las dificultades en la función de Porcentaje Diferencial se refieren a tres aspectos relacionados con la corriente mínima, el nivel (%) de la segunda rampa y el mecanismo de bloqueo por armónicos. La corriente mínima está ajustada a un valor muy pequeño y se demuestra que este ajuste provoca la activación de esta función cuando un conductor del secundario de uno de los TCs está abierto y la carga aumenta por encima del 30% de la nominal. El ajuste relacionado con la segunda rampa es igualmente elevado y se demuestra que provoca la insensibilidad de la función de protección para cortocircuitos internos, si el interruptor del secundario está abierto. También se propone activar el mecanismo de bloqueo por segundos armónicos solo durante la magnetización, evitando con esto demoras de las protecciones si los cortocircuitos internos saturaran a los TCs. �Capítulo IIII. Simulación de las Protecciones Convencionales para Transformadores de Potencia 22 Todas las deficiencias encontradas fueron demostradas utilizando regímenes de máximas y mínima sensibilidad a través de la simulación. Las recomendaciones no solo se limitaron al reajuste de algunas funciones de protección sino incluso a la selección de otras funciones que evitaran los retardos de tiempos. De la misma forma se ofrecieron otras sugerencias en aspectos relacionados con el trabajo y la función de los Relés de la familia SR. Caso de estudio II. Protección del Transformador de Potencia perteneciente a la Empresa Comandante Ernesto Che Guevara (ECG). El esquema de protecciones instalado en el Transformador de Potencia de esta empresa fue facilitado por los técnicos (especialistas) de la misma. Las conexiones del neutro en este caso son diferentes, así como existen más funciones activadas en cada Relé Multifunción. Se hicieron simulaciones a diferentes regímenes de los que se conocen que pueden afectar el correcto funcionamiento de las funciones de protección activadas. Luego de simulado el sistema y sus protecciones, se descubrieron las siguientes dificultades: 1. No existe protección contra fallas a tierra en el devanado primario si el neutro está desconectado. 2. Incorrecta selección de las funciones de protección contra fallas a tierra devanado secundario. 3. Ajustes incorrectos en la función de Porcentaje Diferencial. 4. Ajustes incorrectos en la función Diferencial instantánea 5. No existe protección contra fallas multifásicas externas en el secundario 6. No existe protección contra Sobretensiones. en el �Capítulo IIII. Simulación de las Protecciones Convencionales para Transformadores de Potencia 23 De la misma forma en que se realizó para el caso de estudio 1, todas las dificultades fueron demostradas a través de la simulación y se ofrecieron variantes para cada una de ellas. Igualmente cada una de las variantes fue verificada en las condiciones más severas de operación. En cada caso se ofrecieron los valores de ajustes correspondientes. En este capítulo se evidenció la necesidad del empleo de la simulación adecuada para determinar las causas de las incorrectas operaciones de los sistemas de protecciones que ya están instalados, así como para proponer mejoras de forma rápida y eficaz evitando que se repitan en el futuro. Adicionalmente se muestra la eficacia del empleo de la Biblioteca Virtual de Protecciones Eléctricas creada sobre MATLAB/Simulink para la validación y comprobación de sistemas complejos de protecciones eléctricas, aún con la utilización de Relés Multifunción. �Resumen de la Tesis 24 Capítulo IV. Protección de un Transformador de Potencia utilizando Redes de Neuronas Artificiales En este capítulo se muestra la propuesta de un Relé basado en Redes de Neuronas Artificiales para la protección de un Transformador de Potencia, que no tiene las dificultades que aún muestran las protecciones convencionales basadas en la lógica booleana. Figura 10.0. Diagrama en bloques de los componentes del Relé basado en RNA Se escoge un Relé para la protección del transformador de potencia considerado en el caso de estudio II del capítulo III, que tiene el devanado del primario conectado en estrella y el secundario está conectado en delta. El Relé propuesto se muestra en la figura 10.0, el cual está conectado a los transformadores de corriente de las fases de ambos devanados y el neutro. Como se observa, la RNA es solo un bloque dentro del Relé. Desarrollo de herramientas para la creación, modelación y comprobación de Protecciones Eléctricas M.Sc. Orlys Ernesto Torres Breffe Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa Dr. Antonio Núñez Jiménez �Capítulo IV. Simulación de la protección de un Transformador de Potencia utilizando Redes Neuronales Artificiales 25 Estructura de la RNA En este trabajo se hizo énfasis fundamentalmente en los últimos 3 bloques, lográndose a través de subrutinas apropiadamente escritas en MATLAB. El bloque RNA está representado por una RNA de 2 capas ocultas, con 35 neuronas en la capa de entrada y 3 neuronas en la capa de salida, con la que se puede diferenciar entre un régimen normal (RN) un fallo interno (FI) o un fallo externo (FE). La primera capa oculta se construyó con 18 neuronas con función tangencial sigmoidal, al igual que la segunda capa oculta con 10 neuronas, pero en la capa de salida se utilizó la función logarítmica sigmoidal. Se empleo una Red multicapa con propagación hacia delante (MFNN). Se empleó una ventana de datos de 5 muestras para conformar la entrada de la RNA, a una frecuencia de muestreo de 960 Hz (16 muestras por ciclos) Entrenamiento de la RNA El entrenamiento se realizó a través de regímenes simulados en un modelo en MATLAB/Simulink, utilizando el método de entrenamiento supervisado con propagación del error hacia atrás. Las simulaciones fueron ejecutadas mediante el método ode23tb (stiff/TRBDF2) con intervalos de temporización variables, pero que lograban un muestreo mucho más rápido que 6µs. Cada régimen fue almacenado en ficheros con nombres codificados y almacenados en listas (celdas) de variables. Se utilizaron 2652 regímenes entre cortocircuitos externos e internos que involucraron todas las fases, procesos de magnetización, regímenes normales, con ambos interruptores conectados o solo uno de ellos, el neutro desconectado o conectado y diferentes �Capítulo IV. Simulación de la protección de un Transformador de Potencia utilizando Redes Neuronales Artificiales 26 conductores del secundario de los TCs en estado abierto. Esto generó un entrenamiento de 678912 patrones. Luego de entrenada la RNA se comprobó su operación para regímenes diferentes a los que fue entrenada y su comportamiento fue satisfactorio. En ningún caso la red mostró resultados inadecuados o diferentes a la condición comprobada. En la figura 11.0 se muestra el comportamiento de la RNA para el caso de un cortocircuito interno en el transformador que provoca la saturación profunda (errores de hasta el 20%) del TC del primario. Este caso puede provocar demoras excesivas en las protecciones convencionales dado que la onda deformada de la corriente del secundario, puede ser fuente de armónicos de segundo orden que puedan bloquear la operación de la función de Porcentaje Diferencial. En este caso, la RNA muestra claramente una salida indicando un cortocircuito interno sin demoras, después de leer 5 muestras de las señales de corriente de cada fase. Azul (…) (FASE A) Rojo ( - ) (FASE B) Verde (- -) (FASE C) Corrientes de fase (A) 60 1 0.9 40 0.8 0.7 20 Verde (ο) (RN) Rojo (x) (FI) Azul (∆) (FE) 0.6 0.5 0 0.4 -20 0.3 0.2 -40 0.1 -60 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 0 140 Tiempo (s) 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 Ventanas de medición Figura 11.0. Ensayo de la RNA para un régimen normal seguido por cortocircuito trifásico interno, en condiciones de máxima generación que provocó la saturación profunda de los TCs del primario. a) Corrientes en las fases del primario, b) Salidas de la RNA para este ensayo. �Capítulo IV. Simulación de la protección de un Transformador de Potencia utilizando Redes Neuronales Artificiales 27 En la figura 12.0 se muestra el comportamiento de la RNA para otro caso típico que puede provocar el incorrecto funcionamiento de las protecciones convencionales, un cortocircuito monofásico en el primario justo en el momento de la magnetización. En el proceso de magnetización se genera una cantidad de armónicos que puede demorar la operación de la protección de Porcentaje Diferencial. En este caso la RNA muestra claramente una salida indicando Fallo Interno (x FI). Azul (…) (FASE A) Rojo ( - ) (FASE B) Verde (- -) (FASE C) 1 15 0.9 Salidas de la RNA Corrientes de fase (A) 20 10 5 0 -5 0.8 0.7 0.6 Verde (ο) (RN) Rojo (x) (FI) Azul (∆) (FE) 0.5 0.4 0.3 0.2 -10 0.1 -15 0 0.05 0.1 Tiempo (s) 0.15 0.2 0.25 0 0 5 10 15 Ventanas de medición Figura 12.0 Ensayo de la RNA para un fallo monofásico en fase A, interno en el devanado primario, con el neutro conectado a tierra justo en el momento de la energización para las condiciones de mayor generación de armónicos. a) Corrientes referidas al secundario de los TC, b) Salidas de la RNA. Un caso seguro de operación incorrecta de las protecciones convencionales son las sobrecorrientes si existe un conductor en el devanado secundario de los transformadores de corriente abierto. En la figura 13.0 se muestra la operación de la RNA para el caso de un cortocircuito externo a máxima generación, pero la fase A del secundario de los transformadores de corrientes está abierta. La salida de la RNA muestra claramente un cortocircuito externo. Muchos fueron los casos complejos en los que fue comprobada la RNA y en todos los casos se comportó correctamente indicando el tipo de régimen que se estaba �Capítulo IV. Simulación de la protección de un Transformador de Potencia utilizando Redes Neuronales Artificiales 28 comprobando. Incluyendo los casos de apertura de conductores en el secundario de los TCs que provoca inevitablemente disparos incorrectos en las funciones diferenciales. 30 1 0.8 Salidas de la RNA Corrientes de fase (A) 0.9 Azul (…) (FASE A) Rojo ( - ) (FASE B) Verde (- -) (FASE C) 20 10 0 -10 0.7 0.6 0.5 0.4 Verde (ο) (RN) Rojo (x) (FI) Azul (∆) (FE) 0.3 0.2 -20 0.1 -30 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0 100 120 140 160 180 Tiempo (s) Ventanas de medición a) b) 200 220 Figura 13.0. Ensayo de la RNA para una un cortocircuito trifásico externo en el secundario a 10 ciclos después de energizado el transformador de potencia, con la fase A del secundario de los TC, abierta. a) Corrientes en las fases, la fase A está solo mostrada virtualmente (línea de puntos). b) Salidas de la RNA para este ensayo. En este capítulo se demuestra que los Relés basados en RNA son superiores a los convencionales, dado que son más eficaces y pueden ser entrenados para las condiciones más complejas y severas que pudieran provocar incorrectas operaciones en los dispositivos convencionales. Adicionalmente se corrobora que MATLAB es una herramienta adecuada para la implementación de la Biblioteca Virtual de Protecciones Eléctricas, dado que posee herramientas para el tratamiento de protecciones que utilizan las técnicas de Inteligencia Artificial. �Resumen de la Tesis 29 Conclusiones Generales • De los programas simuladores digitales analizados, MATLAB\Simulink fue seleccionado y demostró ser un programa informático adecuado para la simulación de modelos matemáticos de los dispositivos de protecciones tanto primarios como secundarios más empleados en la práctica nacional y además permite crear dispositivos virtuales basados en las Técnicas de Inteligencia Artificial. • Los modelos matemáticos creados que conforman la Biblioteca Virtual de Protecciones en MATLAB\Simulink, demostraron operar iguales a sus homólogos prácticos, utilizando para ello las tarjetas interfases del sistema dSPACE en la protección computarizada de un motor de inducción. • La aplicación de la Biblioteca Virtual creada por el autor permitió detectar numerosas deficiencias en las instalaciones de protección de los Transformadores de Potencia de las Empresas Comandante Pedro Soto Alba y Comandante Ernesto Che Guevara, así como proponer variantes de soluciones para cada deficiencia encontrada. • Se confeccionó un Relé Inteligente para la protección del Transformador de Potencia de la Empresa Comandante Ernesto Che Guevara. El Relé basado en una Red de Neuronas Artificiales con ventana de tiempo, con un total de 35 neuronas en la capa de entrada, 18 en la primera capa oculta, 10 en la segunda y con 3 neuronas de salida. Este Relé demostró la capacidad de diferenciar entre los regímenes normales, fallos internos y externos, incluyendo la apertura de un conductor en el circuito diferencial secundario, cuestión no analizada con anterioridad por otro autor. Desarrollo de herramientas para la creación, modelación y comprobación de Protecciones Eléctricas M.Sc. Orlys Ernesto Torres Breffe Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa Dr. Antonio Núñez Jiménez �Resumen de la Tesis 30 Recomendaciones Finalmente se recomienda lo siguiente: • Continuar las investigaciones para introducir otros modelos en la Biblioteca Virtual representativos de nuevas funciones de protección como las Distancias dinámicas y las Direccionales con memoria, así como modelos de Relés basados en Redes de Neuronas Artificiales para la protección de redes y generadores eléctricos contra fallas monofásicas en sistemas aislados, entre otros. • Continuar trabajando y perfeccionando la modelación matemática de los Transformadores de Corriente de tal forma que se pueda añadir a la Biblioteca Virtual, un modelo de Transformador de Corriente genérico con un proceso de histéresis que permita representar todos los fenómenos que ocurren en la realidad. • Lograr una modelación matemática menos rigurosa de los elementos del Sistema Eléctrico de Potencia con el fin de ganar en velocidad de modelación y reducir las exigencias del hardware de la PC que se utilice. • Adquirir un sistema dSPACE para fomentar la creación en el país de nuevos Relés Digitales con novedosas funciones de protección e iniciar la producción nacional de Relés Digitales Inteligentes. • Utilizar la herramienta creada en la verificación de los sistemas de protección digitales multifunción, instalados en el Sistema Eléctrico de Potencia del país. Desarrollo de herramientas para la creación, modelación y comprobación de Protecciones Eléctricas M.Sc. Orlys Ernesto Torres Breffe Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa Dr. Antonio Núñez Jiménez �Resumen de la Tesis 31 Bibliografía del autor: 1. TORRES, O. E. Et al. Simulación de Transformadores de Corrientes en MATLAB/ SIMULINK. Ingeniería Energética. 1(3), 2004. 2. TORRES , O. E. Protección Computarizada de un motor de inducción utilizando el Sistema dSPACE y una biblioteca de protecciones eléctricas hecha en MATLAB/SIMULINK. Ingeniería Energética. 1(3), 2004. 3. DÍAZ, R. Y. Relé para la protección de un Transformador de Potencia basado en Redes Neuronales Artificiales. Orlys E. Torres Breffe (Tutor). Trabajo de Diploma. ISMM. Dr Antonio Núñez Jiménez, 2004._69h. 4. TORRES, O. E. TURSCHNER, D. Protección Computarizada de Motores. IV Conferencia Internacional de Aprovechamiento de los Recursos Minerales y el Desarrollo Sostenible: ELECMEC’2004._MOA, 2004. 5. MULET, C. Relé para la Protección de Transformadores de Potencia basado en Lógica Difusa. Orlys E. Torres Breffe (Tutor). Trabajo de Diploma. Instituto Superior Minero Metalúrgico, 2004. 67p. 6. ORDÓÑEZ, J. G. Simulación de Transformadores de Corriente. Orlys Ernesto Torres Breffe (Tutor). Trabajo de Diploma. Instituto Minero Metalúrgico, 2004. 113p. 7. TORRES, O. E. Protección de Generadores Eléctricos. Conferencia para ingenieros electricistas. Instituto Superior Minero Metalúrgico, 2003. 13p. 8. TORRES, O. E. Protección de Motores Eléctricos. Conferencia para ingenieros electricistas. Instituto Superior Minero Metalúrgico, 2003. 15p. Desarrollo de herramientas para la creación, modelación y comprobación de Protecciones Eléctricas M.Sc. Orlys Ernesto Torres Breffe Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa Dr. Antonio Núñez Jiménez �Bibliografía del Autor 32 9. TORRES, O. E. Protección de Transformadores Eléctricos. Conferencia para ingenieros electricistas. Instituto Superior Minero Metalúrgico, 2003. 13p. 10. TORRES, O. E. Dispositivos Virtuales, Alternativa para los costosos Laboratorios de Protecciones Eléctricas. I Taller sobre la utilización de las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) en la enseñanza de la Ingeniería Eléctrica _La Habana. jun. 2003. 11. HERRERA, J. Librería Virtual de Protecciones Eléctricas en MATLAB. Orlys E. Torres Breffe (Tutor). Trabajo de Diploma. Instituto Superior Minero Metalúrgico, 2001. 70p. 12. TORRES, O. E. CORDOVÉZ, A. R. Selección y ajuste de la protección especial para las barras colectoras principales de la Che Guevara. X Simposio del Centro de Investigaciones de la Literitas_ MOA, 2001. 13. TORRES, O. E. Librería Virtual de Protecciones Eléctricas en “Power System Blockset” de MATLAB 5.2 (Simulink). Conferencia Científica Internacional FIE 2000_ Santiago de Cuba, 2000. 14. TORRES, O. E. LUCOBA, C. Relés Virtuales vs Relés Reales. IX Simposio de Ingeniería Eléctrica: SIE’99_ Santa Clara, 1999. 15. TORRES, O. E. Laboratorio Virtual de Protecciones Eléctricas en LabView. XIV Conferencia Científico Metodológica del ISMM _Moa, 1999. �Resumen de la Tesis 33 Bibliografía: 1. KEZUNOVIC, M. GOU, Y. Modeling and Simulation of Power Transformer Faults and Related Relay Behavior. IEEE Transactions on Power Delivery, 2000,15(1):44-50 2. KEZUNOVIC, M. et al. Bibliography of Relay Literature 1996. IEEE Transaction on Power Delivery, 13(1).pp. 78-84, Jan. 1998. 3. KEZUNOVIC, M. KASZTENNY, B. GALIJASEVIC, Z. User-Friendly, Open–System software for teaching protective relaying application and design concepts. IEEE Transaction on Power System, 18(3), agt. 2003, pp. 886-992. 4. KEZUNOVIC, M. Fundamentals of Power System Protection. Academic Press, The Electrical Engineering Handbook, Chapter on Electric Power Systems, Wai-Kai Chen, pp. 787-804, Academic Press, 2005. 5. 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GE Power management (Canada)_ SR-745 Transformer Management Relay _2004. 19. GE Power management (Canada)_ SR-489 Generator Management Relay _2004. 20. GE Power management (Canada)_ SR-469 Motor Management Relay _2004. 21. ABB (USA) SPAD 346 Stabilized Differential Relay_2004 22. SCHNEIDER (España)_ SEPAM 2000 Relé Multifunción _ 2004. 23. SIEMENZ (Alemania)_Catálogo de Relé Multifunción SIEMENZ_ 2004. �Bibliografía 35 24. LI, H. Y. SOUTHERN, E. P. CROSSLEY, P. A. A New Type of Differential Feeder Protection Relay. Using the Global Positioning System for Data Synchronization. IEEE Transaction on Power Delivery, 12(3). July 1997. 25. SAHA, M. M. ROSOLOWSKI, E. IZYKOWSKI, J. Artificial Intelligent Application to Power System Protection. Power Engineering Journal. 2000 26. SONG, Y. H. ALLAN, T. J. Applications of Fuzzy logic in power systems. Part 3 Example applications. Power Engineering Journal. 1998. 27. KEZUNOVIC, M. 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For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Tesis Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Desarrollo de herramientas para la creación, modelación y comprobación de protecciones eléctricas Creator An entity primarily responsible for making the resource Orlys Ernesto Torres Breffe Publisher An entity responsible for making the resource available Editorial Digital Universitaria de Moa Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 2005 Type The nature or genre of the resource Tesis doctoral https://repoedum.ismm.edu.cu/files/original/ceb9658fc317daa71261f4a29d1f8ad5.pdf 88a85166093b1ddbe6324729cc3acf12 PDF Text Text Tesis doctoral CRITERIOS PARA EL DISEñO DE VOLADURAS EN EL LABOREO DE EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS Gilberto Sargentón Romero �Tesis Doctoral INSTITUTO SUPERIOR MINERO METALÚRGICO DE MOA “DR. ANTONIO NÚÑEZ JIMÉNEZ” FACULTAD DE GEOLOGÍA - MINERÍA DEPARTAMENTO DE MINERÍA CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE VOLADURAS EN EL LABOREO DE EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS Tesis presentada en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas GILBERTO SARGENTÓN ROMERO MOA, 2008 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 1 �Tesis Doctoral INSTITUTO SUPERIOR MINERO METALÚRGICO DE MOA “DR. ANTONIO NÚÑEZ JIMÉNEZ” FACULTAD DE GEOLOGÍA - MINERÍA DEPARTAMENTO DE MINERÍA CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE VOLADURAS EN EL LABOREO DE EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS Tesis presentada en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas Autor: MSc. GILBERTO SARGENTÓN ROMERO Tutor: Pof. Tit., Ing. José A. Otaño Noguel, Dr.C. MOA, 2008 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 2 �Tesis Doctoral AGRADECIMIENTOS M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 3 �Tesis Doctoral El trabajo presentado en esta disertación no hubiera sido posible sin el apoyo y la interacción con numerosas personas. Deseo expresar mi agradecimiento al tutor José Otaño Noguel por su paciente guía y sugerencias útiles en estos cinco años, durante ese tiempo supo intercambiar sus vastos conocimientos de la mecánica de fragmentación de las rocas por voladura y participar conjuntamente en las investigaciones lo que constituyó para mí un alto honor. Deseo también agradecer a Israel Sierra Cruz por las recomendaciones y por el apoyo continuo en la aplicación de los resultados de estas investigaciones en el laboreo de los túneles del Trasvase Caney-Gilbert. Se debe resaltar el sostenido apoyo concedido por Emilio Vidal Pérez Hernández y Ricardo Macdonal Bron, los cuales depositaron plena confianza en mi al aceptar la aplicación de los resultados de esta tesis, me dieron la oportunidad de realizar los experimentos en los tramos de túneles de Yagrumal-Guaro y Manacal –Castellanos y me asignaron la tarea de emboquillar los mismos empleando los criterios que se proponen. Mis sinceros reconocimientos a todo el personal del Dpto. de Minas del Instituto Superior Minero-Metalúrgico de Moa “Dr.Antonio Nuñez Jiménez” Ha sido un honor disponer de las oponencias de Juan Rams Veranes y Roberto Watson Quesada por lo que deseo expresar mi gratitud por sus críticas y recomendaciones. Considero imprescindible expresar además que la realización de esta tesis no hubiera sido posible sin el constante apoyo de Arturo Leyva, Ileana Abesada Lobaina, Elsy Pérez M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 4 �Tesis Doctoral Serrano y los técnicos Lisandra Guerrero y Karel Negreira Fuentes, todos ellos trabajadores de la Vice-Rectoria de Investigación y Postgrado, de los profesores Arenas y Alkaid Benitez Pérez del Dpto de Ingeniería Civil y el decano William Paneque de la Universidad de Holguín. Deseo expresar gratitud a mis amigos: Maria Josefa Zamora Quiala, Orlando Belete Fuentes, Ricardo Acosta Betancourt, Gilberto Palacios, Ricardo Ricardo Avila, Eloy Marrero Concepción, por todo el apoyo brindado y por alentarme en todo estos años de arduo y difícil bregar científico. Mis agradecimientos a todos los doctorantes de los gabinetes doctorales de la Universidad de Holguìn y del ISMM de Moa por sus opiniones y debates críticos y por el intercambio de sus experiencias durante la preparación de la tesis doctoral. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 5 �Tesis Doctoral DEDICATORIA M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 6 �Tesis Doctoral En memoria de mis eternos e imprescindibles gigantes: Virgemina Guzmán de Sargentón Pierre Sargenton Despagne Arcadio Romero Prometa. A Nery Romero Legrá y Gilberto Sargentón Guzmán adalides de mis ideas y de mis convicciones A Marlon Sargentón Soffi, Maikel Sargentón Novoa y Mayelín Sargentón Novoa por los cuales tengo fe y creo en la vida A mi tia Edith Sargentón Guzmán A todos mis hermanos y familiares A los mineros y tuneleros del mundo que día a día entregan todo lo de mejor de sí por un mundo mejor y constituyen la savia imprescindible del conocimiento minero. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 7 �Tesis Doctoral SÍNTESIS M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 8 �Tesis Doctoral SÍNTESIS En el presente trabajo de investigación, se proponen nuevos criterios para el diseño y la ejecución de las voladuras en el laboreo de excavaciones subterráneas de mediana y pequeña sección transversal, los mismos consideran las propiedades de las rocas, las características mecánico-estructurales del macizo, las propiedades de las sustancias explosivas y la acción de la explosión de éstas sobre el medio rocoso. Para validar los criterios que se proponen, se realizó la modelación y la determinación del campo tenso-deformacional utilizando cargas compactas y desacopladas con espacio radial de aire en las litologías por las que se laborean las excavaciones subterráneas en las minas y trasvases en investigación. Debido a que en estas minas y trasvases en investigación no se alcanzaban los indicadores de efectividad de las voladuras previstos en los proyectos, se realizaron investigaciones de las propiedades másicas ,las características de resistencia ,las propiedades acústicas y elásticas de las rocas y del agrietamiento del macizo con el objetivo de proponer nuevos criterios para diseñar los pasaportes de voladuras y así disminuir la sobreexcavación , obtener contornos menos rugosos y más regulares al igual que elevar el coeficiente de aprovechamiento de los barrenos. A partir de estas investigaciones y los resultados de los trabajos experimentales se elaboraron los criterios para el diseño más racional de las voladuras, se calcularon los parámetros principales de las mismas y se diseñaron los pasaportes de perforación y voladura los cuales se comprobaron experimentalmente. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 9 �Tesis Doctoral INDICE M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 10 �Tesis Doctoral INDICE Pág. INTRODUCCIÓN 1 CAPITULO I. ANTECEDENTES Y ACTUALIDAD DEL PROBLEMA 7 I.1 7 Antecedentes y actualidad del problema I.1.1 Desarrollo histórico. 8 I.1.2 Modelos de cálculo de los investigadores franceses (siglos XVII-XVIII) 8 I.1.3 Modelos de los investigadores rusos (siglo XIX) 10 I.1.4 Modelos de los investigadores del siglo XX 10 I.1.5 Modelos de la teoría de la explosión 22 I.1.6 23 Investigaciones relacionadas con la clasificación de las rocas I.1.7 Modelos para la determinación de la onda refractada 25 I.1.8 27 Modelación de la onda de tensiones I.1.9 Resumen del contenido del capítulo I 31 CAPITULO II. CONDICIONES INGENIERO-GEOLÓGICAS Y 33 TECNOLÓGICAS DE LOS MACIZOS OBJETO DE ESTUDIO II.1 Condiciones ingeniero-geológicas de los macizos rocosos objeto de 33 investigación. II.1.1 Mina Mercedita 35 II.1.2 Mina Amores 37 II.1.3 Mina El Cobre 38 II.1.4 Trasvase Caney-Gilbert 39 II. 1.5 Trasvase Este-Oeste. 41 II 1.6 Trasvase Sabanalamar – Pozo Azul. 44 II.2 Condiciones ingeniero-tecnológicas de laboreo de las excavaciones subterráneas 45 II.2.1 Comportamiento de los principales indicadores de efectividad de los trabajos de 46 perforación y voladura. II.3 Resumen del capítulo II. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 47 11 �Tesis Doctoral 48 CAPITULO III. ESTADO TENSO-DEFORMACIONAL DE LAS ROCAS ALREDEDOR DE LA CÁMARA DE CARGA INMEDIATAMENTE DESPUÉS DE LA VOLADURA. III.1 Investigación teórica. 48 III.2 Descripción del modelo matemático 49 III.2.1 Descripción del campo tensional 49 III.2.1.1 .Parámetros de la onda de choque en cargas aisladas compactas 49 III.2.1.2 Parámetro de la onda de tensiones 50 III.2.1.3 Parámetros de la onda de tensiones por la acción de cargas aisladas 51 desacopladas con espacio anular de aire. III.2.1.4 Parámetros de la onda de tensiones con cargas desacopladas 54 III.3 Descripción del campo deformacional 54 III.3.1 Condiciones de fragmentación con cargas aisladas 54 III.3.1.1 Criterio de trituración 55 III.3.1.2 Criterio de agrietamiento para una carga aislada 55 III.3.1.3 Criterio de descostramiento 55 III.4 Criterio de fragmentación para las cargas que se explosionan al unísono 56 III.4.1 Criterio de trituración 56 III.4.2 Criterio de agrietamiento 56 III.4.3 Criterio de descostramiento 56 III.5 Mecanismos de rotura de las rocas en los cueles 58 III.5.1 Cueles rectos cilíndricos 59 III.6 63 Mecanismo de rotura de las rocas por la acción de cargas que actúan al unísono. III.6.1 Mecanismo de rotura de los cueles rectos en ranura 64 III.7 Modelación de las discontinuidades del macizo rocoso 64 III.8 Criterios para el diseño y el cálculo de las voladuras en el laboreo de 67 excavaciones subterráneas. III.8.1 Principios generales 67 III.8.2 Criterios para el diseño y el cálculo de los barrenos de cuele 68 III.8.2.1 Criterios para el cálculo de los principales parámetros de la estructura de los 69 cueles rectos o triturantes M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 12 �Tesis Doctoral III.8.2.2 Cuele recto cilíndrico con dos taladros vacíos de compensación 71 III.8.2.3 Cuele en ranura o de cremallera 72 III.8.2.4 Criterios para el cálculo de los parámetros de la estructura del cuele en cuña 72 vertical. III.8.4 Criterios para el diseño de los barrenos de arranque 74 III.8.5 Criterios para el diseño de los barrenos de contorno 74 III.9 Resumen del capítulo III 76 77 CAPITULO IV. VALIDACIÓN DE LOS CRITERIOS PROPUESTOS DE DISEÑO , CÁLCULO Y EJECUCIÓN DE LAS VOLADURAS. IV.1 Trabajos de laboratorio. 77 IV.2 Trabajos de campo 77 IV.3 Muestreo de rocas 78 IV.4 Trabajos de medición de la sección transversal de las excavaciones 78 IV.5 Voladuras experimentales 81 IV.5.1 Planificación de las voladuras experimentales 82 IV.5.1.1 Diseño de los experimentos. 82 IV.5.2 Metodología para el diseño y planificación de los experimentos 83 IV.5.2.1 Diseño de los experimentos en los barrenos de cuele 83 IV.5.2.2 Diseño de las voladuras experimentales de los barrenos de contorno 85 IV.5.2.3 Diseño de las voladuras experimentales de los barrenos de arranque 86 IV.5.3 87 Análisis estadístico de los resultados de las voladuras experimentales IV.5.3.1 Modelo matemático de la ecuación de enlace 87 IV.5.4 Evaluación de los impactos producidos por la investigación. 89 IV.6 Resumen del capítulo IV. 90 CONCLUSIONES. 91 RECOMENDACIONES. 92 PRODUCCIÓN CIENTÍFICA DEL AUTOR ASOCIADO AL TEMA DE 93 TESIS. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. ANEXOS. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 13 �Tesis Doctoral INTRODUCCIÓN M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 14 �Tesis Doctoral Introducción. El Estado cubano ha establecido como su principal estrategia lograr la invulnerabilidad económica en los próximos años, lo que le permitirá al país salir del período especial y alcanzar niveles de desarrollo en lo social, económico, político y cultural, superiores a los obtenidos en períodos precedentes. Para ello se ha previsto un volumen considerable de inversiones en las ramas energética, minera, de construcción industrial, turística, en la vivienda, en el transporte, en obras hidrotécnicas, las que están estrechamente vinculadas al desarrollo de la industria extractiva de recursos minerales. Se prevé también un considerable impulso a la construcción de obras hidráulicas con el propósito de encontrarle solución a corto, mediano y largo plazo a los efectos de las intensas sequías que han afectado y afectan a la economía con mayor intensidad en la región oriental del país. Se reinicia la construcción del Trasvase Este-Oeste , obra de ingeniería iniciada en los años 90 y propuesta en aquel entonces como obra más importante de la ingeniería cubana del siglo XX , que contempla la construcción de gran cantidad de canales y presas , el laboreo de túneles con el objetivo de trasvasar el agua existente en la zona noreste de la región oriental ,donde son mas abundantes las precipitaciones y los ríos presentan un balance hídrico más favorable , hacia el oeste , zona afectada por la sequía más intensa de los últimos 100 años. Con esos mismos propósitos fue construido ya en los años 90 en la zona sureste de la región oriental el Trasvase Caney –Gilbert, de menores dimensiones pero de gran valor económico, pues permitió enfrentar con éxito la sequía que en ese período afectaba a la ciudad de Santiago de Cuba. Fueron laboreadas excavaciones subterráneas en la minería, principalmente en las empresas minero-extractivas de cromo y cobre, aunque ya estas minas no están en explotación. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 15 �Tesis Doctoral La explotación de minerales de cromo se realizó durante un siglo en la región oriental, período en el que se acumuló experiencias y es posible generalizar y consolidar los conocimientos alcanzados. La explotación en la mina El Cobre comenzó en el siglo XVI y se extendió, alternando con períodos de inactividad, hasta hace una década cuando su explotación coincide con la etapa más difícil del período especial, y la escasez de recursos y el precio del cobre en el mercado internacional determinaron el cierre de la mina. Vinculado a la situación de la sequía, en este caso en la provincia Guantánamo fue realizada la investigación elaborado el Proyecto del Trasvase Sabanalamar – Pozo Azul, que permitirá el abastecimiento de agua más efectivo al Valle de Caujerí, zona que reporta elevados rendimientos agrícolas debido a las particularidades del microclima que allí se presenta y a la fertilidad de sus suelos. El proyecto en cuestión incluye el laboreo de dos túneles hidrotécnicos para el abastecimiento de agua y permite una mayor racionalidad energética ya que el agua se suministrará por gravedad al Valle de Caujerí, eliminando los elevados consumos energéticos que actualmente se producen por el rebombeo hacia la presa Pozo Azul desde la presa Sabanalamar. Se prevé pero a más largo plazo la construcción del Trasvase Toa –Yateras para enfrentar las afectaciones de la sequía en el Valle de Guantánamo. La situación existente plantea ante la construcción subterránea, como rama de las ciencias mineras, una de las tareas más importantes que consiste en asegurar tanto la racionalidad del arranque de las rocas como la estabilidad de las excavaciones subterráneas. Determinación del problema, objeto y objetivos. Diversos autores han propuesto metodologías para el diseño y la ejecución de las voladuras en el laboreo de obras subterráneas. Langefors y Kilstrem (1976) y Gustafsson (1977) plantean expresiones obtenidas por vía experimental y a partir de la generalización de la práctica , las cuales son válidas cuando son utilizadas en condiciones análogas a las condiciones en que fueron obtenidas, razón por lo cual no se ajustan a las condiciones ingeniero-geológicas y minero-tecnológicas de los macizos rocosos cubanos. Investigadores rusos como, Pokrovsky (1957,1980 ), Mindely (1974), Kutusov (1967,1972,1973,1980,1981,1983,1994) , Mosiniets (1976), Matveichuk et al (2002) , Paramonov et al (2004a,2004b), también han propuesto metodologías para el diseño de voladuras en el laboreo de excavaciones subterráneas , pero adolecen al igual que la M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 16 �Tesis Doctoral metodología de Langefors de la modelación matemática de la acción de la explosión sobre el medio para la determinación de los parámetros fundamentales de diseño de estos trabajos. Esa misma tendencia se aprecia en la propuesta de López Jimeno et al (1986,1994, 2000,2003), que aunque plantea la existencia de al menos ocho mecanismos de rotura de las rocas en la voladura, sólo realiza una breve descripción cualitativa de cada uno de ellos y las expresiones de cálculo que señala no permiten un diseño científicamente fundamentado y más racional de las voladuras en el laboreo de las excavaciones subterráneas. En Cuba Otaño (1984,1998) inició las investigaciones relacionadas con la temática aplicadas al corte del mármol por voladura y bajo su tutoría se ha extendido a las canteras de la industria de materiales de la construcción (Palacios, 1997; Pedro Alexandre ,2006; Seidu ,2007) y al laboreo de excavaciones subterráneas (Sargentón, 1997). Problema Científico: Necesidad de elaborar criterios que se fundamenten en la modelación de la acción de la explosión sobre el medio rocoso y que permitan el diseño más racional de las voladuras en el laboreo de excavaciones subterráneas. Objeto de estudio La voladura como fenómeno físico de la acción de la explosión del conjunto de barrenos sobre el macizo de rocas en el frente de laboreo de las excavaciones subterráneas. Campo de acción. La acción física de la explosión de las cargas de sustancia explosiva de cada grupo del conjunto de barrenos sobre el medio rocoso. Hipótesis: Si se conocen las propiedades de las rocas y las características mecánico-estructurales de los macizos por los que se laborean las excavaciones subterráneas, las propiedades de las sustancias explosivas y la acción física de la explosión del conjunto de barrenos sobre el medio rocoso, es posible la elaboración de criterios para el diseño más racional de las voladuras en el laboreo de excavaciones subterráneas. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 17 �Tesis Doctoral Objetivo general: Elaborar criterios para el diseño y la ejecución de las voladuras en el laboreo de excavaciones subterráneas que se fundamenten en la modelación de la acción de la explosión sobre el medio rocoso. Objetivos específicos: • Determinar las propiedades másicas y mecánicas y los parámetros minerotecnológicos especiales de las rocas e investigar las características mecánicoestructurales de los macizos rocosos donde se realizan las investigaciones. • Investigar analíticamente el campo tenso-deformacional alrededor de la cámara de carga para cada grupo del conjunto de barrenos. • Diseñar y realizar voladuras experimentales a escala de polígono e industriales para investigar la acción de las cargas en el macizo rocoso de los tres grupos del conjunto de barrenos. • Elaborar criterios para el diseño y la ejecución de las voladuras en el laboreo de excavaciones subterráneas que se fundamenten en la modelación de la acción de la explosión sobre el medio rocoso. Estructura de la tesis. La tesis presenta la siguiente estructura: introducción, cuatro capítulos, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos. En la introducción se establece el problema, el objeto de estudio, la hipótesis y los objetivos generales y específicos y se señalan la novedad científica y el flujograma de las investigaciones. En el primer capítulo se realiza el análisis de los antecedentes y la actualidad del problema tanto en Cuba como a nivel internacional. En el segundo capítulo se realiza una evaluación de las condiciones ingeniero-geológicas y minero-tecnológicas de laboreo de las excavaciones subterráneas en las minas y trasvases donde se realizaron las investigaciones y la determinación de las propiedades másicas, las características de resistencia, las propiedades acústicas y elásticas y los parámetros minerotecnológicos de las rocas en los macizos que se investigan. En el tercer capítulo se realiza la modelación teórica de los campos tenso-deformacionales que surgen en el barreno y en el medio rocoso alrededor de la carga explosiva inmediatamente después de la voladura, en sus dos variantes compacta y desacoplada y se argumentan y exponen nuevos criterios para el diseño de las voladuras en el laboreo de excavaciones subterráneas. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 18 �Tesis Doctoral En el cuarto capítulo se realiza el diseño, la planificación y se exponen los resultados de las voladuras experimentales y su análisis estadístico de varianza, correlación y regresión. Además se realiza una evaluación de los impactos tecnológicos, económicos, sociales y medioambientales de la investigación. Novedad científica. • Se elaboran nuevos criterios para el diseño y la ejecución de voladuras en el laboreo de excavaciones subterráneas que se fundamentan en la acción de la explosión de cada grupo del conjunto de barrenos sobre el medio rocoso. • Se elabora una metodología para el diseño, la planificación y realización de voladuras experimentales y de ajuste de los pasaportes de perforación y voladura. PROCESO DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA. Para cumplimentar la investigación se establece el proceso de investigación científica que consta de trabajos analíticos y experimentales, de gabinete, de laboratorio y de campo. Todos estos trabajos se realizan en una determinada secuencia la cual constituye el procedimiento para la realización de la investigación. Este procedimiento se refleja en el flujograma del proceso de investigación que se muestra en la figura 1. El proceso de investigación comprende cinco etapas, que son las siguientes: Primera Etapa: Comprende el diseño de la investigación y la investigación bibliográfica del tema Segunda Etapa: En la misma se realizan trabajos en los laboratorios de Mecánica de Rocas y de Física de las rocas del ISMM “Dr. Antonio Núñez Jiménez” y de la empresa de Investigación y Proyectos de Obras Hidráulicas “Raudales“de Holguín. Estos trabajos incluyen las siguientes tareas: • Determinación de las propiedades másicas de las rocas en los macizos donde se realizaron las investigaciones. • Determinación de las propiedades acústicas de las litologías presentes en los macizos rocosos de las minas y trasvases donde se realizaron las investigaciones. • Determinación de las características de resistencia de las rocas. • Determinación de las propiedades elásticas de las rocas (se determinan en el laboratorio o por cálculo a partir de las propiedades acústicas y másicas). Los trabajos de campo se realizaron en los Trasvases Este-Oeste, Caney –Gilbert, Sabanalamar –Pozo Azul y las minas Mercedita, Amores y El Cobre. Los mismos consistieron en: M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 19 �Tesis Doctoral • La descripción petrográfica de las rocas presentes en los macizos rocosos. • Análisis de la tectónica. • El estudio del agrietamiento. El estudio del agrietamiento comprendió las etapas siguientes: M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 20 �Tesis Doctoral FLUJOGRAMA DEL PROCESO DE INVESTIGACIÓN CIENTIFICA 1ª Etapa 2aEtapa a { 3 Etapa Trabajos de campo Condiciones ingenierogeológicas de los macizos Revisión bibliográfica , recopilación y procesamiento de la información Trabajos de Laboratorio Condiciones minerotecnológicas de las xcavaciones Propiedades de las rocas Estudio del agrietamiento acústica másicas elástic de resistencia Modelación del campo tenso-deformacional { a 4 Etapa 5aEtapa { Diseño de la Investigación { Parámetros de la onda refractada { Criterios para el diseño de las voladuras Parámetros de la onda de tensiones Radios de trituración , agrietamiento y descostramiento Voladuras Experimentales Elaboración del modelo teórico Trabajos experimentales Análisis estadístico de los experimentos Criterios para elevar la efectividad de las voladuras Elaboración de las normas de consumo de la sustancia explosiva y los medios de explosión Elaboración del modelo de cálculo Propuesta de metodología para el ajuste de los pasaportes Figura 1 FLUJOGRAMA DEL PROCESO DE INVESTIGACIÓN CIENTIFICA. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 1 �Tesis Doctoral I. Análisis de la documentación geológica e ingeniero-técnica de la región donde están enclavados los túneles ó del yacimiento mineral por donde se laborean las excavaciones mineras. II. Mediciones de campo de los parámetros de agrietamiento de los macizos de rocas. III. Elaboración en el gabinete de los resultados de las mediciones y su análisis; el procesamiento de esta información se realizó con el software DIPS Versión 5.103 (RockScience,2004), que permite elaborar la rosa de agrietamiento y establecer los sistemas de grietas. Tercera Etapa: En la misma se realizan trabajos de gabinete que incluyen las siguientes tareas: • Cálculo de los parámetros de la onda refractada. • Cálculo de los parámetros de la onda de tensiones. • Determinación del campo de deformación (radios de trituración, agrietamiento y descostramiento). • Elaboración del modelo teórico. • Diseño y planificación de los experimentos. Cuarta Etapa: Es la etapa experimental, y comprende la realización de las voladuras experimentales en los trasvases y minas donde se realizaron las investigaciones. Fueron realizadas voladuras de polígono (semindustriales) e industriales y después de realizadas las voladuras experimentales se procedió al análisis estadístico de los resultados de las mismas. Quinta Etapa: Es una etapa que se realiza en gabinete e incluye las siguientes tareas: • Elaboración de los criterios para el diseño y la ejecución de los trabajos de perforación y voladura en el laboreo de excavaciones subterráneas. • Elaboración de criterios para elevar la efectividad de estas voladuras. • Elaboración del modelo de cálculo. • Elaboración de la propuesta de procedimiento de cálculo. • Elaboración de las normas de consumo de sustancia explosiva y los medios de explosión en las minas y obras donde se realizan las investigaciones. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 1 �Tesis Doctoral CAPÍTULO I M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 2 �Tesis Doctoral CAPÍTULO I ANTECEDENTES Y ACTUALIDAD DEL PROBLEMA I.1Antecedentes y actualidad del problema a nivel mundial Como se señaló en la introducción ante el laboreo de excavaciones subterránea como rama de las ciencias mineras surge una de las tareas más importantes a resolver tanto a nivel nacional como internacional la cual consiste en asegurar la racionalidad del arranque de las rocas y la estabilidad de las excavaciones subterráneas. Esto sólo es posible si se utilizan métodos de diseño y ejecución tanto de las voladuras como de laboreo de excavaciones subterráneas perfeccionados y científicamente fundamentados que permitan un uso más racional de los recursos utilizados. Actualmente, a los proyectistas y constructores, no les satisface la utilización del método de la analogía para realizar el proyecto de excavaciones subterráneas, pues los problemas existentes no se resuelven por la vía de aplicar solamente la experiencia adquirida en excavaciones laboreadas acertadamente con anterioridad. Además las condiciones cada vez más complicadas en las que se laborean las excavaciones subterráneas (efecto sísmico, elevado agrietamiento tectónico y no tectónico, etc.) y el laboreo de excavaciones únicas por su tipo dejan cada vez menos posibilidades al diseño de proyectos por analogía. Al mismo tiempo se elevan sustancialmente las exigencias que se la plantean a los métodos de cálculo de las voladuras subterráneas, respecto al basamento científico y correspondencia de estos con la representación física de los fenómenos. En opinión de autores como: Hamdi (2003); Karpienko et al (2004); Rouabhi (2004);Krising y Novinsky (2006);Semeniak (2006), Vinogradof (2006) y Sargentón (2005 , 2007) es más racional la utilización de los métodos analíticos y numéricos de la mecánica de los medios continuos y del cuerpo sólido deformable y los principios y regularidades de la mecánica de la fragmentación de rocas, en comparación con las expresiones empíricas, al resolver tareas concretas de diseño de voladuras en ingeniería . La amplia difusión de la técnica moderna de computación y de las nuevas técnicas de la información ha traído consigo que la práctica ya no sea impotente ante un aparato matemático complejo. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 3 �Tesis Doctoral I.1.1 Desarrollo histórico. La teoría de la voladura comienza en el siglo XVII como resultado de la generalización de las voladuras experimentales y las observaciones elaboradas por investigadores de la ciencia militar. De esta forma aparecen los primeros modelos matemáticos, expresiones de cálculo sencillas obtenidas netamente por vía experimental. Son los ingenieros investigadores militares franceses, los primeros en establecer las ecuaciones de cálculo de las cargas de pólvora para el minado de los muros de las fortalezas en asedio, pero además la información acumulada permite a estos investigadores formular en su tiempo toda una teoría relacionada con la acción de la explosión sobre el medio. I.1.2 Modelos de cálculo de los ingenieros investigadores militares franceses (siglos XVII-XVIII). En 1628 Deuville, citado por Arsentiev (2004), Ivolguin (1975) y Bobk (1979) , enuncia la hipótesis de que la magnitud de la carga Q debe de ser linealmente proporcional a su profundidad de colocación W por lo que establece para la mina normal la expresión siguiente: Q = mW (1) El modelo de Deuville presenta como limitación principal la dependencia lineal entre el peso de la carga y la fragmentación producida. Posteriormente Vauban, citado por Langefors (1976) y Arcentiev (2004), formula en 1669 la hipótesis, de que el peso de las cargas, es proporcional al volumen, y por consiguiente, también al peso del terreno, expulsado por la voladura del cráter de la explosión y la expresión cúbica: Qm = W 3 ó Q= 1 3 W m (2) El modelo de Vauban supera la dependencia lineal del modelo de Deuville, pero sólo reconocía la carga normal, la formación de un cono geométricamente regular y una única resistencia a vencer: la fuerza de gravedad. Belidor, citado por Ivolguín(1975) y Vobk (1979) plantea un modelo que se deduce en base a la hipótesis principal siguiente : el peso de las cargas es proporcional al cubo de los radios de fragmentación. El modelo de Belidor tiene como limitación su elevado empirismo y no considera las particularidades del terreno a volar, las propiedades de la sustancia explosiva y los valores reales del índice de acción de la explosión. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 4 �Tesis Doctoral Fueron también aportes significativos de este autor el planteamiento y demostración de la existencia de las esferas de acción de la explosión (compresión, fragmentación (o rotura) y vibración) y la deducción de la primera dependencia entre los elementos del cráter de la mina de lanzamiento normal y la introducción de un nuevo concepto: el índice de acción de la explosión (n). Por ello introdujo en su modelo de cálculo este nuevo concepto y estableció los valores de este índice para el lanzamiento reforzado ( n〉1 ), normal ( n = 1 ) y disminuido ( n〈1 ). Así en los siglos XVII y XVIII comenzó la elaboración científica de la teoría de la voladura prácticamente sobre la base de un fuerte componente experimental y de la observación científica, métodos sobre los que se apoya en la actualidad en gran medida el trabajo experimental en la Física de la Explosión y en la Fragmentación de rocas por voladura. Sin embargo en la segunda , que es una dirección mas profunda y que consiste en la creación de los fundamentos físicos de la teoría de la explosión , aún no se habían descubierto ni la química ni la esencia física de la explosión y los investigadores no sobrepasaron el nivel de razonamiento de los alquimistas de la Edad Media. En el siglo XIX con la consolidación e intensificación de la Revolución Industrial, las dos direcciones fundamentales de la Teoría de la Explosión continuaron su desarrollo. El auge de la industria química y de la química como ciencia, posibilitó a su vez el descubrimiento de un gran surtido de sustancias explosivas, con características energéticas superiores a la pólvora, en 1845 el químico ruso Fadiev descubrió la piroxilina, un año más tarde en 1846, el químico italiano Sobrero, la nitroglicerina. Estos nitrocompuestos permitieron la aparición de otras sustancias explosivas con mayor poder rompedor como: el trotil , o TNT, que fue descubierto por Belbrand en 1863, la dinamita patentada por Alfred Nobel en 1867, las amonitas descubiertas por los noruegos Olson y Norvin en 1867 , el TEN (1891) , el nitruro de plomo (1890) y el exógeno (1898). Simultáneamente en el siglo XIX se realizaron numerosos experimentos para la determinación de la función del índice de acción de la explosión. I.1.3 Modelos de los ingenieros investigadores rusos (siglo XIX). El siguiente aporte en el desarrollo de la teoría y la práctica del minado pertenece a los ingenieros investigadores militares rusos Frolov y Borieskov. A partir del ulterior desarrollo del modelo de Belidor se llegó a la expresión de cálculo siguiente: Q = f (n )qW 3 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero (3) 5 �Tesis Doctoral Posteriormente continuaron las investigaciones con el objetivo de determinar la función del índice de acción de la explosión f (n ) . Frolov en 1868 enunció la siguiente hipótesis :“..la resistencia total , que presentan los medios sólidos debe de ser expresada no por el cubo de la línea de la explosión sino por dos miembros , el primero que consiste en el cubo , y el segundo el cuadrado de la línea de la explosión” (citado por Mielnikov , 1962). Frolov plantea determinar la carga de la mina normal por la ecuación: Q = aW 3 + bW 2 (4) En esta expresión los coeficientes a y b para diferentes rocas se determinan por vía experimental. Al explicar el mecanismo de fragmentación de los medios en la voladura Frolov distinguió las siguientes fuerzas de resistencia : el peso de la masa que es expulsada, las fuerzas de inercia, las fuerzas de cohesión de las partículas dentro de esta masa y las fuerzas de cohesión en la superficie del cráter. Aunque el modelo de Frolov valora más integralmente las fuerzas de resistencia en el medio que se oponen a la voladura no tiene en cuenta las propiedades de los explosivos y la del medio que se pretende volar. Borieskov, en 1876 planteó la expresión para el cálculo de una carga de sustancia explosiva de la forma siguiente: Q = qW 3 (0,4 + 0,6n 3 ) La fórmula de Borieskov (5) tiene como limitación que no sobrepasa el principio de semejanza geométrica en el cálculo de la magnitud de las cargas para rocas resistentes y no analiza la naturaleza de las fuerzas que surgen al formarse el cráter (en particular la influencia de la fuerza de gravedad de la roca lanzada). I.1.4 Modelos de los Investigadores del siglo XX. La idea de Frolov fue desarrollada en la URSS en la década 1940-1950 por el profesor Sujanov y en la década de 1960-1970 por el investigador sueco Langefors. Sujanov (1958,1967), plantea en su modelo la hipótesis de que el peso total de la carga de mullido se determina por una expresión, que considera los gastos de energía en superar las fuerzas de gravedad, las fuerzas de cohesión en la superficie lateral y en la fragmentación de la roca. Q = f (d )[q1 S c + q 2V ] M.Sc.Gilberto Sargentón Romero (6) 6 �Tesis Doctoral Donde f (d ) – es un coeficiente que considera el grado de fragmentación de la roca en dependencia del índice de acción de la explosión q1 - gasto de sustancia explosiva por m2 de área de ruptura de la roca del macizo, kg/m2 S c – área de la superficie lateral del cráter de explosión, m2 q 2 – consumo de sustancia explosiva para superar las fuerzas de gravedad (inercia) por m3 de volumen a fragmentar de roca, kg/m3 V - volumen de roca a fragmentar, m3 La limitación de este modelo reside en la dificultad para determinar los factores f (d ), q1 y q 2 . Langefors (1968,1973) propuso ecuación algo diferente Q = aW 2 + bW 3 + cW 4 (7) , donde W – Línea de menor resistencia (LMR), a, b, c – coeficientes obtenidos por vía empírica Los coeficientes a y b dependen de las propiedades elástico-plásticas de las rocas y c del peso de esta. Indica la expresión para las rocas de Suecia: Q = 0,10 W 2 + 0,40 W 3 + 0,004 W 4 (8) Este investigador considera, que esta fórmula “resulta fundamental en la mecánica de fragmentación de las rocas y su aplicabilidad fue verificada en amplias investigaciones con variación de la magnitud W en el rango desde 0,01 hasta 10 m , y además la magnitud de las cargas varió en la relación desde 1 hasta 50 000 000”. Langefors investigó el mecanismo de fragmentación de las rocas en los cueles rectos cilíndricos y a partir del análisis de las voladuras realizadas en el laboreo de excavaciones subterráneas con diversos destinos plantea expresiones para el diseño de las voladuras en estas excavaciones. Expone las siguientes ecuaciones para el cálculo de las cargas (condición de rotura) de los cueles rectos: Con salida a un orificio circular: Con salida a un orificio rectangular: M.Sc.Gilberto Sargentón Romero lc D tal ⎞ ⎛ 0 , 55 ⎜ A − ⎟ 2 ⎠ ⎝ = (sen υ )3 / 2 lr = 0,35V (senυ )3 / 2 (9) (10) 7 �Tesis Doctoral Además la condición de expulsión o limpieza del cuele: Voladura limpia A〈1,5 D tal (11) Rotura 1,5 Dtal ≤ A〈 2,1 Dtal (12) Deformación plástica A〉 2,1 Dtal (13) Donde: A-distancia entre los centros del barreno cargado y el taladro vacío, m Dtal – diámetro del taladro vacío, m V- distancia a la cara libre, m lc - carga por metro para una salida estrecha circular, kg/m lr - carga por metro para una salida rectangular, kg/m υ - mitad del ángulo de salida, grados Este propio autor cita a Steidle (1960) que plantea a su vez una dependencia entre la distancia más adecuada entre los centros A y la clase de rocas. A pesar de sustentar su teoría tanto en trabajos experimentales de campo (voladuras de polígono, semindustriales e industriales) , como en la descripción cualitativa del modelo que explica los mecanismos de fragmentación de las rocas y que se fundamenta en gran medida en la mecánica de los medios sólidos continuos, presenta como principal limitación el mismo empirismo que la sustenta. La expresión para el cálculo de la distancia entre el barreno cargado y el taladro vacío no tiene en cuenta ni las características de las rocas voladas ni del explosivo utilizado y por tanto el campo tenso-deformacional que se crea alrededor de la carga explosiva. Sus aportes en la voladura de rocas en túneles y en particular de la voladura de contorno han sido tomados como soporte teórico en estas investigaciones. De las expresiones de cálculo de Florov, Sujanov y Langefors se deduce que el valor del consumo específico de sustancia explosiva (SE) no se mantiene constante al variar la línea de menor resistencia (LMR), es decir resulta variable. Pokrovsky (1957,1977 ,1980), citado por, Egorov et al (2000) , en su teoría asume a los procesos ondulatorios como agentes determinantes de la fragmentación y señala que el volumen principal de fragmentación está condicionado por la acción de las ondas reflejadas (fenómenos de descostramiento en la superficie libre). En su modelo plantea las expresiones de cálculo del consumo específico de sustancia explosiva ( qSE ) y de la cantidad de barrenos (N) siguientes: q SE = q1 f1v1e (14) q1 = 0,1 f (15) M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 8 �Tesis Doctoral Para una superficie libre : v1 = v1 = 1,2 − 1,5 ; Para dos superficies libres : e1 = N= 380 CTSE (16) 6 ,5 Sp ; 1,27 q SE S p k ll ρ SE d c2 (17) ; (18) Donde: q1- es el coeficiente de volabilidad de las rocas f1- coeficiente de estructura de las rocas; v1-coeficiente de confinamiento que considera la profundidad de los barrenos lb y el área de proyecto de la excavación Sp. e – coeficiente de capacidad de trabajo; q SE - consumo específico de sustancia explosiva (SE), kg/m3 CTSE – capacidad de trabajo de la sustancia explosiva, cm3 Kll- coeficiente de llenado de los barrenos; dc – diámetro de la carga de sustancia explosiva, m. ρ SE – densidad de la sustancia explosiva, kg/m3 f – índice de fortaleza de las rocas Aunque estas expresiones son utilizadas hoy en día, por que representan el mayor acercamiento a los resultados de la práctica , autores como Matbeichuk (2004),Paramonov (2004a,2004b.),Lukianov(1999) ,Egorov et al (2000) y Sargentón (1997,2005,2007a,2007d ) consideran que los resultados que se obtienen con ellas tanto en el laboreo de excavaciones de pequeña como de mediana sección transversal, aún no permiten el diseño más racional de los trabajos de voladura. El autor de esta tesis doctoral considera que no es precisa la determinación de los coeficientes de estructura de las rocas (f1) y de llenado de los barrenos (kll), la misma en el primer caso es muy ambigua y solo limitan su valor a un número reducido de litologías (tres) y en el segundo se determina a partir de valores tabulados en función de la fortaleza de las rocas y del diámetro de las cargas en rangos de valores muy amplios. Las expresiones propuestas para determinar la influencia del confinamiento no dan respuesta a esta problemática. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 9 �Tesis Doctoral Los valores obtenidos al calcular por las fórmulas para determinar el consumo de sustancia explosiva ( q SE ) y la cantidad de barrenos (N), son muy elevados en el primer caso e insuficientes en el segundo. Taranov (1964) plantea correcciones a la expresión propuesta por Pokrovsky (1957) para determinar la influencia del confinamiento e incluye un segundo factor, la profundidad de los barrenos lb : v1 = 3lb Sp (19) Esta expresión supera en parte las limitaciones de la ecuación propuesta por Pokrovsky, pero aún no da respuesta a las interrogantes relacionadas con el confinamiento de las cargas en el laboreo de excavaciones subterráneas. Al valorar el método de determinación de la magnitud del gasto específico de sustancia explosiva, considera que las expresiones existentes no tienen en cuenta toda la diversidad de condiciones naturales y de factores de orden técnico, que influyen sobre su magnitud, por lo que a partir de ella se obtienen valores lo suficientemente precisos en unos casos y en otros valores que se desvían considerablemente de la magnitud necesaria. Es por ello que recomienda asumirlos como valores de orientación que luego deben de ser precisados con voladuras experimentales en los frentes de laboreo de las excavaciones subterráneas. Dolgy y Silantiev (2003) y Lukianov y Gromov (1999) confirman el planteamiento de Pokrovsky (1980) de que el cálculo del consumo específico por fórmulas empíricas da resultados muy poco precisos y recomiendan establecer este importante indicador por vía experimental o asumir su valor a partir de valores tabulados en base a voladuras experimentales realizadas en las condiciones minero-geológicas concretas de laboreo de las excavaciones. Al pronunciarse respecto al coeficiente de utilización de los barrenos señalan que este indicador depende de las propiedades físico-mecánicas de las rocas, del esquema de disposición de los barrenos, del consumo de sustancia explosiva y del coeficiente de llenado de los barrenos, pero destacan que la influencia de estos factores ha sido estudiada aún insuficientemente. Mielnikov (1974) demuestra mediante el tratamiento estadístico de datos obtenidos de más de 200 frentes de excavación (Sp>20 m2) la dependencia entre el consumo específico de sustancia explosiva y el área de la sección transversal. La dependencia q SE = f ( S p ) es no lineal y fue obtenida de la práctica de los trabajos de voladura en Rusia, EEUU y Suecia. Además introduce en la fórmula de Pokrovsky, la M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 10 �Tesis Doctoral densidad de carga promedio en el frente, a partir de considerar que la densidad de carga de los barrenos de contorno sea inferior a la densidad de carga de los barrenos de cuele y de arranque. Basándose en la relación de la cantidad de barrenos de contorno Ncont respecto a la cantidad total de barrenos obtenida en el laboreo de excavaciones subterráneas en la central hidroeléctrica de Chirskeisk N cont = 0,34 N (20) Obtuvo la expresión para el cálculo de la densidad media de carga: γ = 0,34γ 1 + 0,66γ 2 (21) Donde: γ 1 - es la densidad de carga de los barrenos de contorno γ 2 - densidad de carga de los barrenos de cuele y de arranque. Según este investigador el coeficiente de carga influye sobre el coeficiente de aprovechamiento de los barrenos (CAB) solamente hasta la magnitud 0,75 y añade que un aumento posterior de la longitud de carga solo mejora la fragmentación de las rocas, es por ello que introduce k=0,7 en la fórmula de Pokrovsky que quedaría en la siguiente forma: N = 1,75 qS p d (0,34γ 1 + 0,66γ 2 ) 2 (22) Los resultados obtenidos con esta fórmula, a pesar de las correcciones introducidas, den con la práctica y no ha tenido amplia utilización. Mostkov (1963,1974) propone determinar la línea de menor resistencia (LMR), W de la ecuación cúbica siguiente: W 3 + a1W 2 + a 2W = a3 (23) donde: a1 , a 2 , a3 - son coeficientes, que consideran el gasto específico de SE, la profundidad de los barrenos, el tipo de sustancia explosiva, el diámetro de los barrenos: a1 = 0,07 + 0,835 l m qo (24) ho ; qo (25) a 2 = b ´ `+0,583 a3 = l m b´ eo Δ ⎛ d ⎞ b = ⎜ ⎟ 0,6q o m ⎝ 32 ⎠ ´ M.Sc.Gilberto Sargentón Romero (26) 2 (27) 11 �Tesis Doctoral donde: q o - índice de volabilidad , kg/m3 eo - coeficiente que considera el tipo de sustancia explosiva (SE); m - distancia relativa entre barrenos; l m - profundidad promedio de los barrenos en el conjunto, m; d - diámetro del cartucho de Sustancia explosiva, mm Plantea además una dependencia no lineal entre N y la sección transversal de la excavación Sp y una ecuación para el cálculo preliminar (con una exactitud de hasta el 10%) de la cantidad de barrenos: N= Sp (kWc ) 2 + Pe 0,8 Wc (28) donde : Pe - perímetro de la excavación ,m; Wc - línea de menor resistencia (LMR) de cálculo, m k - coeficiente de corrección, determinado por datos del tratamiento estadístico de los parámetros de los trabajos de perforación y voladura en la práctica. Ziber, citado por Mostkov (1974) plantea una ecuación que considera la volabilidad de las rocas para determinar la cantidad de barrenos (N) N = α1 + α 2 S p (29) donde: α1,α 2 - son coeficientes , determinados en dependencia de la volabilidad de las rocas. Mindely (1960,1966, 1974) considera que el consumo específico de sustancia explosiva (qSE) es función de los siguientes parámetros: qSE = ϕ ( S p , f , lb , d , Δ, H ,η ) (30) En sus investigaciones obtuvo las siguientes ecuaciones de correlación de algunos de estos factores: q SE = 0,48 l b + 0,096 l b2 (31) q SE = 0,00008H + 0,0000003H 2 (32) Y la ecuación final de correlación múltiple 5,4 ⎛ ⎞ − 0,004d − 2,22η − 0,48lb + 0,096lb2 + 0,00008H + 0,0000003H 2 ⎟ qSE = e⎜ 2,92 + 0,135f + S ⎝ ⎠ (33) Noskov et al (1982) recomienda un criterio para el cálculo del espesor del tabique entre el barreno cargado y el taladro vacío: A ≈ 1,8Dtal M.Sc.Gilberto Sargentón Romero (34) 12 �Tesis Doctoral Y la concentración lineal de carga de sustancia explosiva por metro de barreno por la expresión: q o = 130 Dtal * d b , kg/m (35) En el caso de rocas blandas recomienda aumentar el espesor del tabique a 2-3 veces el diámetro del taladro vacío. Bubok (1981) recomienda que la distancia entre los centros del taladro vacío y el barreno cargado A sea igual a: A = (2 ÷ 3) Dtal (36) Doronin (1983) recomienda seleccionar la cantidad de barrenos (mediante valores tabulados) y la distancia entre los centros del taladro vacío y el barreno cargado (A) en función del coeficiente de fortaleza (f) por las expresiones: Para f ≥ 10 ; A = 2 Dtal (37) Para f 〈 10 ; (38) La expresión A = 3Dtal A ≤ 1,5 Dtal propuesta por Langefors es explicada por Gredeniuk et al (1983) a partir del criterio de que el volumen de la cavidad de cuele formada después de la voladura sobrepase el volumen volado en 1,25 veces y más, es decir: kcomp = Vvolado + Vcavcomp Vvolado ≥ 1,25 (39) donde: kcomp – es el coeficiente de compensación ; Vvolado - volumen volado, m 3 Vcavidad comp. - volumen de la cavidad de compensación, m3 Y la expresión para determinar la distancia A entre los centros del barreno cargado y el taladro vacío de la forma siguiente: A= (k comp + 1) D 2 + (k comp − 1) d 2 0,758 (k comp − 1)(D + d ) (40) Este autor parte desde la misma óptica que Langefors para plantear su criterio, es decir, permitir el desplazamiento de las rocas trituradas en el cuele, pero no contempla la acción de la explosión sobre las rocas a partir de las propiedades de estas últimas y las características del explosivo. Boev y Shapiro (1980) establecen los siguientes criterios para el diseño de los cueles cilíndricos: M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 13 �Tesis Doctoral ⎛ η lb ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ A ⎠ No = V0 3 (41) N o - cantidad de barrenos de compensación donde : A- coeficiente de escala que se obtiene por vía experimental , A=9,35 Vo – volumen del barreno vacío, cm3 Y conociendo No se asume la estructura correspondiente del cuele (cantidad de barrenos cargados y total) Shejurdin (1985) recomienda las siguientes expresiones para calcular los parámetros principales de las voladuras en el laboreo de excavaciones: W= donde : p q SE m , a = mW ; p= π d 2 ρ SE 4 (42) p- es la cantidad de carga de sustancia explosiva por metro de barreno, kg/m. d- diámetro del cartucho de sustancia explosiva ó diámetro del barreno para sustancias explosivas no encartuchadas, m. Xanukaev (1963,1974) estudió la influencia de las condiciones del medio sobre el mecanismo de rotura de las rocas y formuló la hipótesis, de que este mecanismo ocurre bajo la acción de ondas elásticas y depende de la rigidez acústica (resistencia acústica) de las rocas. La clasificación de las rocas según la rigidez acústica en tres grandes grupos, propuesta por Xanukaev, tiene valor en el orden metodológico, pero limitaciones en su aplicación práctica ya que señala ese solo factor como determinante en la formación del campo tenso-deformacional producido por una carga en el macizo rocoso alrededor del barreno. Mielnikov y Marchenko (1963,1964) presentaron la hipótesis de la posibilidad de aumentar la zona de fragmentación y mejorar su calidad mediante la redistribución de la energía de la explosión de forma tal, que cerca de la carga no ocurriera la fuerte sobretrituración y recalentamiento de la roca, a cambio de que a lugares más alejados llegará mayor energía de la onda de choque para lo cual proponen la utilización de cargas desacopladas con espacios de aire axiales y radiales. Este método de regulación de los parámetros de las ondas de choque, que surgen por la acción de la explosión, da la posibilidad de resolver una serie de problemas tecnológicos entre los que se destacan las voladuras de contorno de precorte y recorte. Ivanov y Miloradov (1980) plantean las siguientes expresiones de cálculo para la proyección de las voladuras en las excavaciones subterráneas: M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 14 �Tesis Doctoral N = N int + N cont (43) La cantidad de barrenos interiores N int = n S int (44) donde : n - es la cantidad de barrenos interiores , que corresponden a 1 m2 de área del frente de avance, unid/m2 n= qint γ SE ; (45) S int - área del frente de avance, fragmentada por los barrenos interiores, m2. qint − consumo de sustancia explosiva en los barrenos interiores( cantidad en peso de sustancia explosiva ,necesaria para el mullido y el lanzamiento de 1 m3 de roca en las condiciones planteadas). qint = qo K ag vconf eSE K c , kg/m3 (46) qo − consumo específico de una sustancia explosiva con una capacidad de trabajo de 420 cm3 ,cuyo valor numérico se determina por la expresión: 3 q o = 0,1 f ,kg/m (47) Kag – coeficiente que considera el agrietamiento y el carácter de la estratificación de las rocas (valor tabulado). vconf - coeficiente de confinamiento , que considera el área del frente de avance (S), la longitud del barreno (lb) , la cantidad de superficies denudadas y el lugar de ubicación del cuele. e SE − coeficiente de capacidad de trabajo de la sustancia explosiva, eSE = 420 ; CTSE (48) K c - coeficiente que considera la influencia del diámetro del cartucho de la sustancia explosiva utilizada (valor tabulado) Y para determinar la masa de sustancia explosiva, que se coloca en 1m lineal de barreno la expresión: γ SE = 0,08 d c2 ρ SE K comp K ll donde: (49) dc – diámetro del cartucho de la sustancia explosiva, cm; ρ SE − densidad de la sustancia explosiva, g/cm3 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 15 �Tesis Doctoral Kcomp – coeficiente de compactación de la sustancia explosiva en el proceso de carga, se toma igual a 1,1 para las encartuchadas y 1,0 para las no encartuchadas. Kll – coeficiente de llenado del barreno, valor tabulado que se toma en función de índice de fortaleza ( f ) y del diámetro del cartucho (dc). Estos autores consideran para calcular el consumo específico de explosivo otros factores (agrietamiento y diámetro de los cartuchos) además de los propuestos por Pokrovsky. Y el área del frente de excavación ( S int ), fragmentado por los barrenos interiores 2 S int = S − S K , m Donde: (50) S - área total del frente de avance de la excavación, m2 Sk – área del frente, fragmentada por los barrenos de contorno, m2 S cont = Pexc (Wcont + C ) , m 2 Donde: (51) Pexc - perímetro del contorno de la excavación, m Wcont - longitud de la línea de menor resistencia (LMR) de los barrenos de contorno, m. Kutusov (1973,1974, 2000) realiza un análisis de los principios de cálculo de los parámetros de la voladura para el laboreo de excavaciones subterráneas y señala que el consumo específico de cálculo de la sustancia explosiva es la información inicial fundamental. En opinión de este autor este indicador depende de muchos factores (las propiedades físico-mecánicas de las rocas, la sección transversal, la profundidad y el diámetro de los barrenos, el tipo de explosivo, etc.) lo que hace compleja su determinación, por el hecho de que los factores señalados influyen de forma conjunta y diferente sobre la magnitud de la carga, por lo que concluye que no es posible su determinación por vía teórica. Recomienda su determinación a partir de tablas especiales, confeccionadas sobre la base del procesamiento de una gran cantidad de voladuras de producción. Cuando se utilizan otras sustancias explosivas propone introducir coeficientes de corrección que son inversamente proporcionales a las características energéticas de las mismas. Los restantes parámetros de los trabajos de voladura recomienda calcularlos por las siguientes expresiones: Q = q SE lb S p Qc = 2 π d2 ρ SE lb 3 4 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero (52) (53) 16 �Tesis Doctoral N= Q Qc (54) q c = 1,2 Qc ; q a = (0,8 − 0,9) Qc (55) Mielnikov (1988) considera que tanto el consumo total como el específico varían en amplios rangos y que ambos dependen de muchos factores (propiedades de la sustancia explosiva, propiedades físico-mecánicas de las rocas , sección transversal , calidad de la carga y el atraque de los barrenos , existencia de superficies libres complementarias en el frente de avance, profundidad de la pega ,entre otros),estima también que no es posible determinar el valor de la magnitud de la carga hasta ese momento por la vía teórica. Por ello recomienda que el valor del consumo específico de cálculo de la sustancia explosiva sea asumido en base al análisis y la generalización de una gran cantidad de datos de la práctica y de observaciones y experimentos para diferentes sustancias explosivas y fortaleza de las rocas. Al valorar la ecuación de Pokrovsky, le da gran significado a la selección correcta del coeficiente de llenado en la determinación de la cantidad de barrenos. Los criterios de Langefors y Kihlström (1976),Bubok (1981),Noskov et al (1982),Doronin (1983) y Gredeniuk et al (1983) para el diseño de los cueles rectos son reanalizados , perfeccionados y relanzados por Lukianov y Gromov (1999) ,Egorov et al (2000),Dolgy y Silantiev (2003),López Jimeno (1994,2000,2003) bajo el mismo principio geométrico y sin considerar la acción de la explosión sobre el medio. I.1.5 Modelos de la Teoría de la Explosión. El siglo XIX no solo implicó un avance tecnológico y científico en relación a las sustancias explosivas, los medios de explosión y los modelos de cálculo. Se produjeron significativos avances también en la creación de los fundamentos físicos de la explosión como consecuencia del impetuoso desarrollo promovido por la primera y luego por la segunda Revolución Industrial, se desarrolló también la teoría de las ondas de choque, en una primera aproximación, en la segunda mitad de este siglo. El desarrollo de la teoría de la explosión comienza con la introducción del concepto de ondas de choques planas por Riman en 1860. Más tarde Rankan en 1870 y Hugoniot en 1887 deducen la ecuación de las ondas de choque (adiabática de Hugoniot). Estos adelantos conjuntamente con los aportes de Berto en 1883 sobre el poder de las sustancias explosivas y el concepto de la onda de detonación sentaron las bases para que Mijelson en 1883 elaborara los principales aspectos de la teoría matemática de la M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 17 �Tesis Doctoral detonación. Este a su vez de conjunto con D.L.Chapman en 1899 y E Jouguet en 1904 es considerado también el fundador de la teoría termodinámica de la detonación. Sobre la base de esta teoría se han desarrollado las teorías modernas de la fragmentación de rocas a partir de las cuales es posible modelar el campo tenso-deformacional que se forma en el macizo rocoso alrededor de la cámara de carga después de la voladura de la misma. I.1.6 Investigaciones relacionadas con la clasificación de las rocas Otro aspecto medular en este marco teórico, se relaciona con la evolución de la clasificación de las rocas vinculado al método de arranque por voladura. Izatis en 1843, citado por Arsentiev (2004), plantea una de las primeras clasificaciones de las rocas, (a su vez antecedido por Agrícola en 1550) según el grado de extracción, para ello dividió a las rocas en 5 grupos: Sueltas o mullidas, blandas ,quebradizas(o frágiles),cohesivas (o resistentes) y muy cohesivas. A partir de esta clasificación dividió a los trabajos mineros (aplicable a cada grupo) en los siguientes tipos: a pala, a pico, a cincel, a cuña, mediante fuego y por voladura. Esta clasificación es el primer intento de agrupar los métodos de arranque de las rocas tanto para la explotación minera como para la excavación de obras subterráneas y en ella ya aparece el método de voladura como tecnología, todo ello a consecuencia de la introducción de los explosivos en la minería y la aplicación de los conocimientos de la fragmentación de rocas por voladura existentes hasta ese momento. Por las razones expuestas en este siglo se produce una intensificación inusitada de las investigaciones en las tres direcciones expuestas en este trabajo: los métodos de cálculo de las voladuras, las teorías de acción de la explosión sobre el medio, la tecnología de los explosivos y los medios de explosión y en general el desarrollo de la minería como ciencia. A comienzos del siglo XX se produce un aporte importante, relacionado con la clasificación de las rocas, principalmente por su relevancia práctica en la ejecución de los trabajos mineros desde el punto de vista de la selección del equipamiento de perforación, los métodos de los trabajos de voladura , en la determinación de las normas de laboreo y el gasto de instrumentos y materiales. M.M.Protodiaconov en 1911, propone una nueva clasificación de las rocas, basado en la hipótesis de que cualquier resistencia a la voladura de la roca es proporcional a su resistencia a la compresión. Este criterio simplificó los cálculos y redujo en cierta medida la cantidad de voladuras de prueba. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 18 �Tesis Doctoral Es importante significar, que hasta ese momento se utilizaba el método de voladuras de prueba para determinar el aumento necesario de la carga al pasar a otros terrenos o rocas, pero con el tiempo esta metodología resultaba ser cada vez más engorrosa, pesada, abrumadora. Protodiaconov, además en 1908 introdujo el concepto de fortaleza de las rocas en las ciencias mineras, y define este concepto “como su resistencia a los esfuerzos externos, que depende en cada caso concreto de las combinaciones de las resistencias elementales de las rocas a la tracción, compresión, al cizallamiento”. Su principal aporte se centra en el coeficiente de fortaleza, que propone como la centésima parte de la resistencia de un testigo de roca a la compresión axial expresado en kg/cm2: f = donde: σc (56) 100 σ c - es la resistencia del testigo a la compresión axial, kg/cm2 Protodiaconov consideraba que el valor del coeficiente de fortaleza caracterizaba a la roca en todos los procesos productivos, a partir de la hipótesis señalada anteriormente. La clasificación de las rocas de Protodiaconov presenta como ventajas su basamento científico, carácter lógico, sencillez en su utilización práctica y amplio alcance (contempla una gran gama de litologías); pero su principal limitación radica en que la hipótesis fundamental asumida por el autor, no siempre se cumple. Debido a ello su utilización en el diseño de las voladuras ya no es lo suficientemente racional en la etapa actual de desarrollo de la teoría de la fragmentación de rocas. Además de los aportes señalados y a partir de trabajos experimentales y la generalización de la práctica Protodiaconov plantea para el cálculo del consumo específico de sustancia explosiva ( qSE ) y la cantidad de barrenos (N) en las voladuras de rocas en excavaciones subterráneas las expresiones siguientes: ⎛ q = 0,4 * ⎜ ⎝ n = 2 ,7 donde: 1 ⎞ 0,2 f + ⎟ S ⎠ 2 f ; N = nS S (57) (58) q – es el consumo específico de sustancia explosiva (SE),kg/m3; f – coeficiente de fortaleza de las rocas según M.M.Protodiaconov S – sección trasversal de proyecto de la excavación, m2 n – cantidad de barrenos por m2 de área del frente de laboreo; M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 19 �Tesis Doctoral N – cantidad total de los barrenos en el frente de laboreo. La utilización práctica de estas expresiones , realizadas tanto por el autor de esta tesis en Cuba (Sargentón,1993, 1994,1997,2005), así como las referencias que hacen autores rusos (Matveichuk y Chursalov,2002 y Paramonov et al , 2004) , sólo ha permitido un cálculo muy aproximado de estos dos parámetros , pues en el caso del indicador consumo específico de sustancia explosiva (q) , se obtienen valores muy elevados y los valores del parámetro cantidad de barrenos (N) no son los suficientes para lograr los objetivos de la voladura. Como recomiendan los autores a los que se hace referencia, los valores que se obtienen solo sirven como orientación y deben ser precisados con voladuras experimentales. I.1.6 Modelos para la determinación de la onda refractada. Pero si importante fue la modelación de la onda de detonación y su aplicación con fines pacíficos, en particular en la minería para el arranque (separación y fragmentación) de las rocas, se necesitaba modelar la presión que se refractaba a la roca desde una cámara de carga (barreno, taladro). S.V.Ismailov (1965) dio solución a este problema de reflexión –refracción de una onda de choque con frente plano desde un obstáculo plano. Los parámetros de la onda de choque en el limite carga –roca se determinan de la condición de refracción de las ondas de detonación a la roca a través de la pared de la cámara de carga, considerando la adiabática de las rocas propuesta por Gogoliev (1965). Pr ρ o (V po )2 1 ⎡⎛ ρ = ⎢⎜⎜ r A ⎢⎝ ρ o ⎣ m ⎤ ⎞ ⎟⎟ − 1⎥ ⎥⎦ ⎠ (59) A y m – son constantes. Y son necesarias las inecuaciones de enlace siguientes: Si Pr ρ o (VLO )2 Si 0,1 ≤ 〈 0,1 entonces A=3 y m= 3 Pr ≤ 35 entonces A= 5,5 y m = 5 ρ o (VLD ) (60) (61) En el caso de cargas compactas, la máxima presión en la onda refractada Pr se calcula en dependencia de la relación entre la impedancia de la sustancia explosiva, y la resistencia de onda de la roca (acople de impedancias) a partir de dos condiciones cuando ρ oVLD ≥ ρ SEVd y cuando ρ oVLD 〈 ρ SEVd . De las ecuaciones (67) y (68) se obtiene M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 20 �Tesis Doctoral Si ρ oVLD ≥ ρ SEVd ⎧ ⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ 1 2k (Pr − P1 ) Pr ⎪ = V1 − ⎨1 − 1 1 ⎬ ρo ⎪ ⎛ {[ρ SE (k + 1)] [Pr (k + 1) − P1 (k − 1)]}2 ⎜ APr ⎞m ⎪ ⎪ ⎜ + 1⎟⎟ ⎪ 2 ⎪ ⎜ ρ oVLD ⎠ ⎪ ⎭ ⎩ ⎝ ( ) (62) Si ρ oVLD 〈 ρ SEVd . ⎧ ⎫ ⎪ ⎪ k −1 ⎡ ⎤ ⎪ ⎪ Pr ⎪ 1 2kVd ⎢ ⎛ Pr ⎞ k ⎥ ⎪ ⎜ ⎟ = V1 + 2 1− ⎨1 − 1 ⎬ k − 1 ⎢ ⎜⎝ P1 ⎟⎠ ⎥ ρo ⎪ ⎪ ⎢⎣ ⎥⎦ ⎞m ⎛ APr ⎟ ⎪ ⎜ ⎪ 1 + 2 ⎟ ⎪ ⎪⎩ ⎜⎝ ρ oVLD ⎠ ⎭ (63) donde: k –es el índice de la adiabática de los productos de la explosión Vd – velocidad de detonación de la sustancia explosiva (SE). m/s VLD – velocidad de propagación de las ondas longitudinales en las rocas, m/s ρo – densidad de las rocas, kg/m3 P1- presión en el frente de la onda de detonación de la sustancia explosiva, Pa La solución de estas ecuaciones se puede obtener por alguno de los métodos matemáticos de aproximación o gráficamente. De esta forma se obtiene Pr, la presión refractada a la roca. Al refractarse la onda de presión surge la onda de choque en las rocas, que se manifiesta en una zona de pequeñas dimensiones, en la que se disipa gran cantidad de energía y se transforma en una onda de tensión. La disipación de la energía en esta onda no solo está determinada por la magnitud de la rigidez del medio sino además por las características de resistencia de la roca que generalmente son tres ordenes menores que dicha magnitud. I.1.8 Modelación de la onda de tensiones Para analizar el estado tenso-deformacional de las rocas alrededor de la cámara de carga se precisa también la modelación matemática de las tensiones y las deformaciones que se producen en las tres zonas: la cercana, la media y la lejana. Para la modelación de la onda de tensiones era necesario el descubrimiento, en la teoría de la física del campo ondulatorio, de una de las principales leyes para la modelación de estas M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 21 �Tesis Doctoral ondas, realizado por los científicos soviéticos Sadovsky (1945, 1952,1974) ,Sedov(1976), Staniukovich (1975) y el inglés J.Taylor . Estos investigadores lograron establecer que la sobrepresión en el frente de las ondas de choque obedece a la ley de semejanza, y señalaron que su magnitud depende solamente de la relación de la distancia desde el frente hasta el centro de la carga respecto al radio de esta (la distancia relativa) , la energía específica de la explosión y la presión del aire. Sadovsky (1945,1952) plantea la hipótesis de que cualquier volumen del medio bajo la acción de una carga explosiva experimenta deformaciones que dependen de la distancia a la fuente de la explosión y su energía., y a partir de ella la relación de dependencia entre la magnitud de las tensiones que surgen a una distancia R de una carga de sustancia explosiva con un radio ro a la que denominó ley de semejanza geométrica: ⎛ ro ⎞ ⎟ ⎝R⎠ σR = f ⎜ (64) donde f - es una función que se determina experimentalmente. Esta ley de semejanza geométrica presenta como limitación que solo se cumple para cargas de sustancias explosivas de igual densidad. En el caso general de una carga de forma esférica ro = 3 Q al sustituir en la expresión anterior, se obtiene la ley generalizada de semejanza. R1 3 Q1 = R2 3 Q2 Esta ley no contempla la dependencia entre el trabajo mecánico (65) y la energía en la transformación explosiva. Para superar esta limitación los académicos Sedov (1976) y Sadovsky (1974) elaboraron la variante más general de la ley de semejanza, la ley de la semejanza energética de la explosión, en la cual la masa de la carga Q es reemplazada por la energía total: ⎛3 E ⎞ ⎟ σ R = f ⎜⎜ ⎟ R ⎝ ⎠ (66) Con posterioridad a la formulación y generalización de la ley de semejanza se han publicado una gran cantidad de dependencias empíricas que se refieren a la zona elástica. Las dependencias existentes en la actualidad se fundamentan en el principio de la semejanza o en las leyes de la dispersión de la energía y su absorción a cuenta de los procesos inelásticos. Debido a la complejidad y a la configuración no simétrica de las cargas o del sistema de cargas y también a la complejidad de las superficies libres en el M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 22 �Tesis Doctoral macizo la función de dispersión geométrica de la energía se selecciona con bastante aproximación. A pesar de esto la función de extinción seleccionada de esta forma a cuenta de la dispersión geométrica satisface completamente las exigencias de la práctica. La mayor dificultad se presenta en la búsqueda de los índices de extinción a cuenta de la absorción de la energía. La ecuación de cálculo de las tensiones plantea una proporcionalidad entre éstas y las distancias relativas lo que se expresa de forma general por la expresión: n ⎛r⎞ σ V = K σ ,v ⎜ ⎟ , ⎝ x⎠ (67) Donde : K σ ,v - coeficiente de proporcionalidad ; r - radio de carga; x - distancia; σ - tensión; n - índice. Sadovsky (1974) plantea para distancia cercanas n =2, para lejanas n =1,5. Shemiakin (1963,2006) plantea un modelo para la rotura de las rocas con fricción interna que permite el cálculo de las componentes radiales y tangenciales del tensor de tensiones: σr = σo r n1 , σ θ = ασ r , α= μ (1 − μ ) (68) Donde σ r , σ θ - son las componentes radiales y tangenciales del tensor de tensiones. σ o - presión inicial en la cámara de carga. n1 - coeficiente de extinción r - distancia relativa. μ − coeficiente de Poisson. Y le asigna un valor a n1 de 1,5 en la zona de trituración y de 1 − α 2 en la zona de agrietamiento. El modelo de Shemiakin tiene como limitación que el cálculo de las componentes tangenciales se realiza en función sólo del coeficiente de Poisson, es decir que depende solo de esta propiedad elástica de las rocas. Borovikov y Vaniagin (1970,1974,1975,1985,1995) plantean expresiones diferentes para cada una de las tres zonas: Para la zona cercana r ≤ 12 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero σ r max = Pr r 1, 4 (69) 23 �Tesis Doctoral σ r max = Para la zona mediana 12 ≤ r ≤ 100 σ r max = Para la zona lejana 100〈r ≤ 200 Pr r 1,1 (70) Pr r 1,5 (71) Donde r es la distancia relativa desde el eje de la carga, y es igual a la relación entre la distancia absoluta r y el radio de carga Rce , equivalente por su energía a la explosión a una carga de pentrita con densidad 1500 kg/m3 y calor de la explosión 5950 kj/kg, es decir: r Rce r= (72) El radio de carga equivalente es: ⎛ρ Q R = Rc ⎜⎜ se se ⎝ ρ pQp e c Donde: λ= ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ λ (73) 1 - para cargas cilíndricas, y λ = 1 para cargas 2 3 esféricas. QSE - es el calor de la explosión de la sustancia explosiva utilizada ρ pentrita , Q pentrita - es la densidad y el calor de la explosión de la pentrita. La onda de compresión que se forma en la roca como resultado de la refracción de la onda de detonación y la acción de los productos de la explosión en su difusión posterior desde el eje (centro de la carga) por la roca, se extingue fuertemente debido a las pérdidas intensas por disipación en las zonas cercanas a la carga. En dichas zonas la amplitud máxima de la onda, en su inicio cae aproximadamente según una ley exponencial , y tiende asintóticamente a un valor a distancias aproximadamente iguales a 12 Rc (radio de carga). Otros autores,(citado por Otaño,1998) consideran que en el caso de las cargas compactas la diferencia en la difusión de las ondas de tensión entre cargas esféricas y cilíndricas se da solo en la zona cercana a la carga y que en lo adelante la máxima amplitud de las tensiones decrece según la dependencia: σ r max = Pr (74) (r ) 1, 08 Ahora bien, la máxima amplitud de la componente tangencial de las ondas de tensión será: Para cargas esféricas (concentradas): σ t max ⎡ ⎛v ⎢ ⎜ = ⎢1− 2⎜ t ⎢ ⎜v ⎝ L ⎢⎣ ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ 2⎤ ⎥ ⎥σ ⎥ r max ⎥⎦ M.Sc.Gilberto Sargentón Romero = μ σ 1− μ r max (75) 24 �Tesis Doctoral Para cargas cilíndricas: σ t max = ⎛⎜ C1 + C2 r ⎞⎟σ r max ⎝ 2 (76) ⎠ C1 ,C 2 - son magnitudes adimensionales que dependen de la resistencia acústica de las rocas C 1 = 0 ,09 + 0 , 228 * 10 − 7 ρ o v L ( ) C 2 = 0 ,07 − 0 , 224 * 10 − 7 ρ o v L * 10 − 2 (77) El modelo de Borovikov se ajusta con suficiente exactitud a los macizos rocosos investigados en esta tesis y constituye uno de sus soportes teóricos. I.1.9 Resumen del contenido del capítulo I. ¾ Los modelos y las metodologías analizadas propuestas por los diferentes autores se fundamentan en los siguientes principios: • La proporcionalidad entre la energía de la explosión y el volumen de roca a fragmentar; • La consideración de diferentes tipos de resistencia del medio (rocas) a la acción de la explosión (al aplastamiento, a la tracción, al cortante, al descostramiento). • La proporcionalidad entre las dimensiones de la zona de fragmentación y las dimensiones de la carga; • La consideración de los parámetros de las ondas de tensiones como principal factor de fragmentación en la voladura de rocas que poseen considerable rigidez acústica ; • La proporcionalidad entre el trabajo específico de rotura (considerando el grado de fragmentación) y la energía de las sustancias explosivas (SE). ¾ Según autores como Mielnikov (1988) y Matveichuk (2002), no es posible el cálculo analítico del consumo especifico de sustancia explosiva, ya que es extremadamente compleja la descripción matemática de las características anisótropas y físico-técnicas de las rocas, que influyen sobre la resistencia de éstas a la voladura. ¾ Conjuntamente con esto, numerosas observaciones y la experiencia productiva señalan la posibilidad de la valoración relativa de la resistencia de las rocas a la voladura. ¾ Por lo general los modelos del mecanismo de fragmentación de las rocas son cualitativos. ¾ El cálculo, el diseño y la proyección de las voladuras se realiza sobre la base de la generalización de datos prácticos obtenidos en la ejecución de voladuras en condiciones M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 25 �Tesis Doctoral de producción, que luego son tabulados y por analogía se extienden a las condiciones en que se proyecta. ¾ Los datos prácticos obtenidos en voladuras experimentales y de producción en países como Suecia se refieren a macizos monolíticos, relativamente homogéneos y mucho más antiguos que los cubanos. ¾ Las características de las litologías presentes en el archipiélago cubano, mucho más jóvenes y con tectónica y agrietamiento más complicados obligan a considerar estos factores en la proyección de estas voladuras. ¾ Los principales parámetros de las voladuras para el laboreo de excavaciones subterráneas se seleccionan fundamentalmente en función del índice o coeficiente de fortaleza de las rocas (f) que a su vez sólo depende de la resistencia a compresión. ¾ Por lo general se hace limitada referencia a las demás características de resistencia y a las propiedades elásticas y acústicas de las rocas. ¾ Un indicador clave como el coeficiente de llenado de los barrenos se selecciona en función del índice de fortaleza de las rocas y el diámetro de los barrenos, pero sin un adecuado basamento científico. ¾ No existen modelos cuantitativos de representación del mecanismo de rotura de las rocas del conjunto de barrenos a partir de la valoración de la acción de la explosión sobre el medio. ¾ Existen contradicciones entre los resultados que se obtienen por vía experimental y los teóricos. ¾ Es necesaria la elaboración de nuevos criterios de diseño y ejecución de las voladuras en el laboreo de excavaciones subterráneas que consideren tanto las características mecánico-estructurales de los macizos rocosos, sus propiedades másicas, las características de resistencia, sus propiedades acústicas y elásticas, así como las características de los explosivos y la acción de la explosión sobre el medio. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 26 �Tesis Doctoral CAPITULO II M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 27 �Tesis Doctoral CAPÍTULO II CONDICIONES INGENIERO – GEOLÓGICAS Y TECNOLÓGICAS DE LOS MACIZOS OBJETO DE ESTUDIO Introducción. Debido a que la efectividad del arranque de las rocas y de su fragmentación depende de las condiciones ingeniero-geológicas e ingeniero- tecnológicas de los macizos rocosos dónde se laborean las excavaciones subterráneas es preciso como primera etapa de las investigaciones el estudio de dichas condiciones. Las investigaciones para el estudio del mecanismo de fragmentación de las rocas fueron realizadas en las excavaciones subterráneas de los macizos rocosos de los yacimientos mineros Mercedita, Amores y El Cobre y de los macizos rocosos de los Trasvases EsteOeste, Caney –Gilbert y Sabanalamar – Pozo Azul. La distribución geográfica de estos macizos se aprecia en el mapa de la figura 2. En este capitulo se realiza una valoración de dichas condiciones teniendo en cuenta su diversidad con el propósito de comprobar la aplicabilidad de los diferentes criterios para el diseño de las voladuras que se proponen como novedad en esta tesis. II.1 Condiciones ingeniero-geológicas de los macizos rocosos donde se realizaron las investigaciones La evaluación de las condiciones ingeniero-geológicas comprende el estudio de los siguientes aspectos: -Características petrográficas, tectónica y agrietamiento -Propiedades de las rocas : ƒ Másicas : densidad , masa volumétrica y porosidad ƒ Características de resistencia : resistencia a compresión , tracción y al cizallamiento • Elásticas: módulo de Young, coeficiente de Poisoon y módulo de • Acústicas : velocidad de las ondas longitudinales y transversales ƒ Parámetros tecnológicos especiales de las rocas: fragilidad, triturabilidad, fortaleza, cizallamiento. volabilidad. En el Laboratorio de Física de las Rocas del ISMMM “Dr. Antonio Núñez Jiménez” se determinó por el método de ultrasonido la velocidad de propagación de las ondas M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 28 �Tesis Doctoral Este -Oeste Mercedita Amores Caney-Gilbert El Cobre Sabanalamar –Pozo Azul Figura 2 Mapa con la distribución geográfica de los macizos rocosos en investigación M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 1 �Tesis Doctoral longitudinales tanto en testigos regulares cilíndricos (diámetro:32 y 55 mm, altura: 90 y 165mm ) como en varillas finas de rocas. Se determinó también por el método directo la masa volumétrica de las rocas. Los resultados del estudio de las propiedades y de los parámetros tecnológicos especiales de las litologías donde se realizaron las investigaciones en los tramos de túneles del Trasvase Este – Oste se muestran en las tablas 1,2, 3 y 4. y en el ANEXO 1 ( tablas 1,2,3 y 4), se muestran los valores de estas propiedades en las otras litologías principales de las minas y trasvases en investigación. Para que la descripción de las litologías que se investigan sea lógica, precisa y acorde con el objetivo que se necesita alcanzar se describen al menos las características siguientes: color, composición mineralógica, estructura, textura.(Dolibo-Dobrovolsky,2003) El estudio del agrietamiento se realizó a partir de las etapas propuestas por (Kazikaev,1981 y Hoek,2007a,2007b,2007c;2008). La elaboración de las mediciones y su análisis, que incluye su tratamiento y representación se realizó mediante el programa informático profesional DIP versión V.103 ( Rockscience , 2004). Como resultado del estudio de agrietamiento se establecen las características de la fractura estructural de las rocas, que son necesarias posteriormente en la investigación del mecanismo de fragmentación de las rocas por voladura, siguientes: orientación de las grietas en el espacio (ángulo de buzamiento y azimut del buzamiento);intensidad del agrietamiento: incluye abertura y distancia entre las grietas en los sistemas (fractura del macizo) y extensión de las grietas (su persistencia);indicadores de calidad del agrietamiento: material de relleno, carácter de la superficie de las grietas (ondulada o recta, rugosa o lisa), presencia de agua (seca, húmeda, inundada en forma de goteo o en chorro) , etc.);tipo de red de grietas (sistémica, continua o discontinua , caótica , poligonal) y volumen total de la cavidad de las grietas.(Bukrinsky,1985 y Kalinchenko et al, 2000). En el anexo 2 se muestran los diagramas con los principales planos de agrietamiento, la rosa de agrietamiento y los histogramas del comportamiento de los principales parámetros de las grietas en los macizos rocosos de las minas Mercedita, Amores y El Cobre y del Trasvase Caney –Gilbert.. Yacimientos cromíferos de la región Moa – Baracoa. En esta región se realizaron trabajos investigativos de campo, experimentales y de gabinete en las minas de cromo Mercedita y Amores. II.1.1Mina Mercedita. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 1 �Tesis Doctoral Valores de las propiedades de las litologías objeto de estudio en el Trasvase Este-Oeste. Tabla 1 Propiedades másicas Nº Litología 1 Gabro (Ojo de Agua) 2 Basalto (Manacal) 3 Caliza Masiva 4 Caliza , blanco crema masiva 5 Serpentinita pardo –verdosa 6 Aleurolitas Densidad,kg/m³ Masa volumétrica,kg/m³ Valor A.% Valor A,% 2830 2830 2710 2700 2860 1950 10,70 3,89 7,93 12,30 4,24 5,98 4,95 2720 2710 2590 5,41 4,43 6,53 6,02 2460 6,33 8,89 8,90 13,16 2815 10,70 1,57 5,98 4,73 1900 6,93 2,56 9,50 11,04 13,16 Tabla 2 Características de resistencia Características de resistencia estática σ ec ,MPa σ et ,MPa σ ecor ,MPa Nº Litología 1 Gabro (Ojo de Agua) 2 Basalto (Manacal) 3 Caliza Masiva 4 Caliza , blanco crema masiva 5 Serpentinita pardo –verdosa 6 Aleurolitas M.Sc.Gilberto Sargentón Romero Porosidad Total,% Valor A,% [ ] [ ] [ ] Características de resistencia dinámica σ dc ,MPa σ dt ,MPa σ dcor ,MPa Valor A.% Valor A,% Valor A,% Valor 97,40 81,94 60,92 50,14 23,40 23,30 [ ] A.% [ ] [ ] Valor A,% Valor 3,84 24,50 11,17 23,90 1543,22 23,30 12,75 24,50 A,% Dinamicidad Comp Tracción k dc k dt 78,16 23,90 15,84 3,32 21,50 10,04 22,32 16,56 21,91 1298,54 21,50 22,67 22,32 115,92 21,91 15,85 2,26 17,95 3,94 23,03 8,95 20,49 944,68 17,95 5,91 23,03 62,63 20,49 15,51 1,50 21,30 4,77 23,96 8,93 22,63 784,37 21,30 8,62 23,96 62,50 22,63 15,64 1,81 21,50 18,18 14,71 2,85 24,50 1,80 19,51 4,71 23,00 3,30 17,11 374,91 21,50 292,34 14,71 7,54 24,50 4,99 19,51 33,00 23,00 16,02 23,12 17,11 16,08 2,64 2,77 1 �Tesis Doctoral Tabla 3 Propiedades acústicas Litología Nº 1 Gabro 2 Basalto 3 Caliza Masiva 4 Caliza , blanco crema masiva 5 Serpentinita pardo –verdosa 6 Aleurolitas Velocidad de las ondas,m/s Rigidez Acústica Vl A.% Vt A,% J, m/s kg/m3 A,% 4587 15,6 3700 15,6 1,298.107 15,6 4570 14,8 3560 14,8 1,293.107 14,8 5983 15,0 3700 15,0 1,621.107 15,0 5500 12,0 3940 12,0 1,485.107 12,0 7 3730 12,6 2190 12,6 1,067.10 12,6 4134 12,3 2100 12,3 8,060.106 12,3 Tabla 4 Parámetros minero-tecnológicos Fortaleza, f Nº Litología fB** fP* 1 Gabro (Ojo de Agua) 2 Basalto (Manacal) 3 Caliza Masiva 4 Caliza , blanco crema masiva 5 Serpentinita pardo –verdosa 10 8 6 5 2 2 6 Aleurolitas Nota: fP*- índice de fortaleza según Protodiaconov fB**-índice de fortaleza según Barón qP***-volabilidad según Pokrovsky Datos de Triturabilidad :Fuente Noa (2003) M.Sc.Gilberto Sargentón Romero E,MPa μ Valor A,% Valor A,% 92600 15,6 0,25 15,6 70000 14,8 0,27 14,8 73100 15,0 0,30 15,0 70000 12,0 0,33 12,0 10800 12,6 0,29 12,6 33319 12,3 0,25 12,3 G,MPa Valor A,% 38743 15,6 35866 14,8 37100 15,0 41914 12,0 13717 12,6 8600 12,3 Triturabilidad,Vmax Volabilidad,qP***,kg/m³ Fragilidad Valor A,% Valor A,% Valor A.% 9 1,70 21,07 0,97 23,30 25,36 23,90 8 0,90 20,20 0,82 21,50 7 4,00 18,54 0,61 17,95 15,45 20,49 6 3,20 21,32 0,50 21,30 10,51 22,63 4 2,00 19,18 0,23 21,50 3 3,10 21,32 0,18 14,71 10,10 17,11 8,16 21,91 8,21 23,00 2 �Tesis Doctoral -Localización del macizo rocoso El macizo rocoso del yacimiento cromífero Mecedita se encuentra ubicado dentro de lo límites del gran macizo de ultrabasitas de Cuba Oriental, el cual está formado por rocas del complejo ofiolítico, fundamentalmente. Los macizos rocosos de ofiolitas presentan una gran variabilidad de sus propiedades ingeniero-geológicas y minero- técnicas (Marinos et al,2006). -Composición petrográfica El estudio de la columna litológica (Iturralde-Vinent ,1990; Colectivo, 1996;Colectivo,2006a) permite señalar de forma general los tipos de rocas de la asociación estudiada , particularmente , en la zona de estudio donde se presentan : dunitas , peridotitas (harzburgitas) , peridotitas serpentinizadas , gabros y cromitas , como rocas más importantes ; por las que se han excavado las diferentes obras mineras subterráneas. Dunitas: son las que, por lo general le sirven de envoltura a los cuerpos minerales además aparecen de forma aislada en forma de vetas que cruzan los cuerpos minerales o en forma de nidos, su color varia desde verde hasta pardo rojizo, microscópicamente los granos son compactos y finos uniformes, la textura es masiva, con grietas rellenas de kerolita y/o serpofita o carbonatos y por lo general con alto grado de serpentinización (Cartaya,2000). Serpentinitas: se observan a lo largo del contacto de las rocas ultrabásicas y los gabros , tienen color verde oscuro y raras veces gris, el brillo es resinoso mate , graso o céreo. Estructura concoide, compacta, masiva. Peridotitas: en el macizo en su mayoría del grupo de las harzburgitas .Microscópicamente de color oscuro, a veces con matiz verdoso, generalmente su estructura es de grano medio, textura masiva. Su estructura más típica es la paquiolítica, condicionada por la inclusión de granos de olivino en los cristales de piroxeno. Gabros: en estado fresco de color gris oscuro o casi negro, como resultado de alteraciones secundarias adquieren un color gris claro y gris verdoso. Su estructura característica es la granular uniforme, de grano medio y de grano grande. La textura es masiva Cromitas: de color negro oscuro, fractura concoidea y textura compacta. -Tectónica. Las dislocaciones , que presenta la región son muy complejas y en las secuencias más antiguas se hace imposible el desciframiento de las mesoestructuras plegadas, dada la monotonía litológica que presenta ; no obstante los estudios realizados permiten afirmar que en las secuencias antiguas (rocas metamórficas y volcánicas) existen tres direcciones principales de plegamiento: noroeste –sureste, noroeste-sureste, sureste-noreste. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 1 �Tesis Doctoral El yacimiento Mercedita se encuentra en una zona de gran actividad tectónica postmineral y las dislocaciones están representadas por zonas de fragmentación y agrietamiento abierto, tanto en las rocas de caja , como en el cuerpo mineral. -Agrietamiento. La valoración del agrietamiento se realizó mediante datos obtenidos por mediciones de grietas realizadas por diferentes autores Noa (2003), Cartaya (2001) ,Modejar (2001) ; Ugalde (2000) ; González (1995). De esta valoración se puede concluir que existe un alto grado de afectación del macizo por este factor, y la existencia de grietas en todas las direcciones, predominando las direcciones : ángulo de buzamiento/dirección del buzamiento: 26º/315-320º y 40º/40-45º. La caracterización general del agrietamiento se puede resumir de la forma siguiente: El espaciamiento mínimo entre grietas y sistemas de grietas oscila entre 0,20-0,25m. y el máximo desde 0,4-0,5m, con predominio porcentual del espaciamiento en los rangos 0,250,30 y 0,35-0,40m.Además son más frecuentes las grietas onduladas rugosas y planas lisas, con una abertura que oscila en el rango 1-10 mm , con predominio del intervalo 3,54,5mm y prevalecen las grietas con paredes sanas y alteradas. En las grietas es más abundante el relleno de gabro y gabropegmatita. La presencia de agua en las grietas, por lo general es poca , logrando solo humedecer las paredes de estas , y aumenta en época de lluvia , en la que se puede producir un goteo constante. -Propiedades de las rocas. Para el estudio de las propiedades además de las determinaciones realizadas por el autor se utilizó información de investigaciones realizadas por los autores Noa (2003) y Cartaya (2001). II.1.2 Mina Amores. -Localización del macizo rocoso El área de estudio de la mina de cromo Amores, se encuentra en el municipio Baracoa a seis kilómetros del litoral del Océano Atlántico en el curso superior del río Báez y a 50 km del poblado de Punta Gorda, municipio Moa. -Composición petrográfica del macizo. Particularmente, en la zona de estudio se encuentran: harzburgitas, dunitas, peridotitas y cromitas , como rocas más importantes ; por las que se han excavado las diferentes obras mineras subterráneas. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 2 �Tesis Doctoral En el yacimiento predominan fundamentalmente tres tipos de rocas:, harzburgitas, dunitas y peridotitas , clasificadas éstas como rocas resistentes y semiresistentes, agrietadas y suficientemente estables. Las cromitas se presentan en forma masiva pero con bajo contenido de Cr2 O 3 Dunitas: presentan de color verde oscuro, casi negro, su estructura es de grano fino uniforme y la textura es masiva. Peridotitas: presentan color negro, a veces con matiz verdoso con estructura de grano medio su textura al igual que las dunitas es masiva, se distinguen claramente los cristales de piroxeno. -Tectónica. La zona donde se realizan los trabajos mineros, presenta poco grado de actividad tectónica , el cual se manifiesta en las características del agrietamiento y el grado de fragmentación de las rocas y de los cuerpos minerales. Dentro de los límites del yacimiento se observan dislocaciones tectónicas que provocan desplazamiento de las menas y rocas de caja y la división del yacimiento en bloques. -Agrietamiento. Para el estudio del agrietamiento fueron utilizados informes de mediciones de otros investigadores: Noa (2003). Mondejar (2001),Cartaya (2001) y Falero (1996). Además de estas mediciones en esta investigación se realizaron mediciones en la boca del Socavón A-2 situado a nivel del río Báez y en el Socavón A– 1, que confirmaron y ampliaron las conclusiones de los investigadores precedentes. En Amores predominan tres sistemas de grietas con direcciones N 15 E, N 50 E y N 50 W y respectivamente ángulos de buzamiento de 18º,48º y 18º. El espaciamiento oscila en el rango 0,1-0,35m con predominio del intervalo 0,22-0,25.m La abertura de las grietas fluctúa entre 1 y 10mm, con mayor frecuencia del intervalo 46mm.Son más frecuentes las grietas planas lisas y onduladas lisas y paredes sanas y algunos casos alteradas. Es más abundante el relleno de las grietas con gabro y gabropegmatitas. II.1.3 Mina El Cobre. -Ubicación del macizo rocoso. La Mina El Cobre se encuentra ubicada al oeste del municipio de Santiago de Cuba a una distancia de 23 km de la Ciudad de Santiago de Cuba, a 0,5 km del poblado de ese mismo nombre. En esta mina la explotación se realizó en por tres sectores diferentes: Mina M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 3 �Tesis Doctoral Grande, Gitanilla y Mina Blanca. Las investigaciones relacionadas con esta tesis se realizaron en el sector Mina Grande. -Composición petrográfica del macizo.(Colectivo de autores,2006a). Las litologías más comunes son: tobas de composición andesíticas y andesíto - dacíticas, porfiritas andesíticas y areniscas tobáceas. Tobas: presentan granulometrías diversas predominando las gruesas y medias y composición andesíticas y andesíto – dacíticas y aglomerática ( Barrabí, 1994.).Las tobas andesíticas presentan color gris verdoso y tienen granos medios. Porfiritas andesíticas: presentan un color gris , gris oscuro o gris amarillento. Su estructura es porfirítica y la textura es masiva. Areniscas tobáceas: se presentan de color gris o gris oscuro, con granos de granulometría media y textura estratificada. -Tectónica (Barrabí,1994;Colectivo de autores,2006a). Geográficamente el campo metalífero El Cobre, está situado en la Sierra Maestra y pertenece a una zona de tensiones tectónicas, que se encuentra entre la plataforma de las Bahamas al Norte y las grandes fosas del mar Caribe al Sur. El yacimiento está relacionado con la falla regional El Cobre, la cual se extiende en dirección latitudinal y se limita al sur y norte por dos fajas de fractura de rocas. El yacimiento también está atravesado por fallas de segundo orden y dirección submeridional, que desarrollan complementariamente la estructura de una serie de bloques. El propio macizo de rocas de caja tiene una serie de fallas pequeñas, producto de las cuales, en él se forma una red de grietas y pliegues con direcciones caóticas. Otro sistema importante, son las fallas secundarias que se pueden identificar como fallas preminerales, con direcciones bien definidas (de 55 - 65 grados) al norte del yacimiento. El tercer sistema, son las fallas transversales al nordeste que presenta buzamiento abrupto de 60 a 70 grados, que afectan y deforman las estructuras minerales. Estos sistemas están muy desarrollados en todo el yacimiento, lo mismo en Gitanilla que hacia la zona de la cantera. -Agrietamiento Para el análisis de este macizo rocoso fue estudiado todo el sector de la mina El Cobre, a partir de las mediciones realizadas por otros autores Mondejar (2001); Cartaya (2001) y Joao (1998) y mediciones realizadas por el autor de esta tesis en la galería principal y en galerías de subnivel y de ventilación del nivel +30. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 4 �Tesis Doctoral En estas excavaciones predominan tres sistemas de grietas con las direcciones: N 25 E; N 75º E y N 80º W y ángulos de buzamientos respectivos de 59º,24º y 53º. El espaciamiento entre grietas oscila entre 0,1 y 0,35m con predomino del intervalo 0,200,25 m, las grietas con más frecuencia son continuas, planas y rugosas y sus paredes en la mayoría de los casos son sanas o alteradas, la abertura de las grietas está en el rango de 2 a 5 mm y las mismas están rellenas con material arcilloso poco consolidado, la humedad es baja y sólo logra humedecer las paredes, aunque en algunos tramos aislados se manifiesta en forma de goteo constante. II.1.4 Trasvase Caney –Gilbert. -Ubicación del macizo rocoso. El Trasvase Caney –Gilbert incluye diferentes obras hidrotécnicas , conductoras , canales y túneles que se construyeron con el objetivo de trasvasar agua desde la presa Carlos Manuel de Céspedes hacia la presa Gilbert y está situado aproximadamente a 3 km al norte del poblado de Ramón de Guaninao, en Palma Soriano. Las obras hidrotécnicas subterráneas del Trasvase Caney –Gilbert la conforman tres túneles: el túnel principal y dos túneles inclinados (rampas). -Litología. En el perfil geológico se presentan las siguientes cuatro capas: material aluvial, areniscas, tobas y aglomerados Capa 1. Corteza de intemperismo a partir de la alteración de las areniscas, tobas y aglomerados incluido en esta el material aluvial, con una coloración generalmente pardo crema, deleznable y una potencia que oscila entre 1 y 15 metros predominando espesores de 8-10 metros, sin textura definida. Capa 2. Se corresponde con las intercalaciones de areniscas, tobas y aglomerados con diferentes grado de alteración que subyace a la corteza de intemperismo con una coloración desde pardo crema hasta gris oscuro, su yacencia es suave dispuesta en forma de estratos monoclinales presentando generalmente una textura estratificada, su granulometría es de fina a media, la potencia oscila desde 3-40 m, predominan los espesores desde 0 – 20m en la capa más agrietada. La Capa 3. Se corresponde con los aglomerados con mayor o menor grado de conservación -Composición petrográfica del macizo. Tobas: se presentan en una amplia gama de colores que varían desde el gris, gris verdoso, gris azul, pardo, pardo grisáceo hasta el gris amarillento. Se encuentran estratificadas en capas de 5-10 m, en ocasiones se presentan masivas, los ángulos de buzamiento son suaves M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 5 �Tesis Doctoral hasta 150 pudiendo llegar a 300, la granulometría es de fina a media, por lo general están muy tectonizadas e intemperizadas, con diferentes grados de meteorización y agrietamiento, aunque se mantienen generalmente compactas cuando no han sido meteorizadas o afectadas por el agua. Areniscas tobáceas: son de color gris carmelita - parduzco, estratificadas en capas de 2-6 cm. La granulometría es de media a fina. Por lo general se presentan formando interestratificación con las tobas y más bien pudieran hasta considerarse como un producto de la meteorización de éstas. Aglomerados: en los mismos predominan los colores gris parduzco - carmelita a gris verdoso, los clástos tienen diámetros de 3-12 cm. y más, lo constituyen rocas andesíticas, andesito - basálticas, riolíticas, dioríticas y hasta tobas, aparecen dos tipos fundamentales, los aglomerados de granos finos, con tamaño de 2 – 5 cm. que se encuentran generalmente en capas gruesas de hasta 1,5 m y los aglomerados de grano grueso con fragmentos mayores de 5cm.En ellos se destaca claramente un agrietamiento casi perpendicular en dos direcciones. -Agrietamiento.(Cartaya,2003) El intenso agrietamiento de las rocas en la zona, fundamentalmente en la secuencia de las tobas, está asociado a las fallas presentes en la zona. Tanto en los aglomerados como en las tobas, juega un papel importante la fractura que coincide con la estratificación. Al analizar los histogramas de distribución porcentual de las características de grietas se aprecia que en los aglomerados predominan las grietas onduladas – rugosas, con ligera alteración, con un espaciamiento promedio entre grietas de 0,2 a 0,6 m, generalmente abiertas, mientras que en las tobas predominan las grietas onduladas – lisas, con ligera alteración y en ocasiones con alteración arcillosa. La afluencia de agua varía de media con lavado de algunas grietas a afluencia importante por grietas limpias. II.1.5 Trasvase Este-Oeste. Primera etapa: Melones –Sabanilla. -Ubicación del macizo rocoso. El Trasvase Melones – Sabanilla se encuentra ubicado en la Sierra de Nipe – Cristal, desde el río Mayarí hasta la Presa Sabanilla y constituye la primera etapa del Trasvase EsteOeste. -Litología. El macizo esta constituido por dos grandes complejos bien diferenciados: el complejo clástico – carbonatado y el ultramáfico - serpentinizado. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 6 �Tesis Doctoral El primero constituido por calizas, margas , conglomerados , brecha basal , etc. ; se extiende hacia el norte y oeste del macizo. En las partes más elevadas y en contacto con el complejo ultramáfico , ocupa la parte superior. La base esta constituida por conglomerado y brecha, compuesto por clástos de rocas ígneas y sedimentarias con cemento calcáreo. El complejo de rocas ultramáfico - serpentinizado esta representado por las serpentinitas brechosas y los gabroides. Estas rocas debido a los grandes esfuerzos a que se han visto sometidas están muy alteradas y meteorizadas. Estos continuos eventos tectónicos han provocado un agrietamiento muy intenso en todas direcciones, reconociéndose hasta cinco sistemas e incluso con grietas acompañantes, estas generalmente se encuentran rellenas con carbonatos y serpofitas. Los trabajos experimentales a escala productiva y de polígono fueron realizados en los tramos: Esperanza-Enmedio, túnel de Toma y Yagrumal –Guaro donde las rocas presentan las siguientes características petrográficas, litológicas y de agrietamiento. Túnel Yagrumal –Guaro. Constituye el quinto tramo de túnel a partir de la presa Seboruquito de los siete que existen hasta la presa Sabanilla, debido al relieve topográfico existente en su trazado se hace necesario subdividir al mismo en la intersección con la cañada de Serones y en Ojo de Agua , quedando dividido en tres tramos : tramo “Yagrumal – Ojo de Agua” , tramo “Ojo de Agua – Serones” y tramo “Serones –Guaro”. Mediante las calicatas intermedias se realizó la ejecución del túnel por seis frentes de trabajo. -Litología. En la zona de estudio, desde el punto de vista geológico-estratigráfico , se definieron dos complejos de rocas bien diferenciados: el complejo carbonatado y el complejo de gabros y basaltos. El complejo carbonatado esta compuesto por las formaciones Charco –Redondo, Sagua de Tánamo , Bitirí y Camazán. En todos predominan las rocas carbonatadas. El complejo de gabro-basaltos se compone de rocas de granos gruesos (gabros) y de granos finos (basaltos), así como las brechas con clástos de ambos tipos y cemento carbonatado. El macizo de rocas carbonatadas tiene forma tabular en su primera parte (formación Bitirí) y masiva en la segunda (formación Camazán).Los gabros se presentan en forma maciza , y forman un conjunto de diques paralelos. En general todas las rocas clasifican como agrietadas. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 7 �Tesis Doctoral Desde el punto de vista ingeniero-geológico, el macizo se dividió en dos complejos que coinciden con los litológicos. A su vez estos complejos se subdividieron en los cinco tipos siguientes: arcillas , arenas y gravas, calizas, aleurolitas calcáreas, brechas y gabros. La excavación del túnel se realizó por los dos complejos, casi en su totalidad en condiciones desfavorables, incluso en las rocas clasificadas como buenas. Los gabros se caracterizaron por una elevada abrasividad y un alto grado de fractura. En las calizas masivas se presentó el carso desarrollado, y las calizas y aleurolitas presentaron una estratificación poco inclinada de los estratos. El tramo se encuentra altamente tectonizado y esta cruzado por 32 fallas de las cuales 29 inciden directamente sobre el trazado del túnel. (Trincado et al, 2005). Los ensayos de las propiedades másicas y las de resistencias a la compresión y tracción de las de las rocas fueron realizadas en el laboratorio de la Empresa de Investigación y Proyectos Hidráulicos de Holguín (Trincado et al ,2005). -Tectónica. El macizo ha sido afectado por grandes movimientos tectónicos. Para su estudio se dividió en los siguientes megabloques: Bloque I .Compuesto por serpentinitas, brechas serpentiníticas con tabloides de gabros de contenido variable. En el se incluyen el túnel de Toma y parte del de Seboruquito Esperanza. Bloque II. Compuesto por serpentinitas con tabloides de gabro encajados, con dirección SE – SO. En el se incluyen el túnel de Desvío y Levisa - Melones. Bloque III. Lo conforman gabros con casquetes de calizas, discordantemente emplazadas sobre éstos. En el se incluyen parte del tramo Yagrumal - Guaro y Guaro - Manacal. Bloque IV. Secuencia de carbonatado - terrígeno terminando en el conglomerado basal y en ocasiones en la brecha serpentinítica. En el se incluyen el mayor volumen de túneles, son ellos: parte del túnel Seboruquito - Esperanza, Esperanza - Enmedio, Enmedio Guayabo y Guayabo - Pontezuelo. (Colectivo, 1991 y Colectivo, 1992). -Agrietamiento. Para el estudio del agrietamiento se utilizó la información recopilada por otros autores Noa (2003) ,Cartaya (2001) , y además de las mediciones complementarias realizadas por el autor de esta tesis en los frentes de excavación Ojo de Agua –Serones, Serones-Ojo de Agua, Ojo de Agua –Yagrumal y Serones –Guaro que precisaron y ampliaron dicha información. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 8 �Tesis Doctoral En los frentes Ojo de Agua –Serones y Serones-Ojo de Agua se realizaron 42 mediciones de los elementos de yacencia de las grietas, con ellos se construyeron los diagramas de los planos principales, las rosas de agrietamiento y los histogramas de las parámetros principales de las grietas. (Figuras 3, 4, 5,6, 7 y 8). La representación gráfica de los resultados de las investigaciones del agrietamiento en las minas y trasvases restantes aparece en los ANEXOS 2.1-2.4... En el tramo se presentan 4 sistemas de grietas con las orientaciones siguientes: ( ángulo de buzamiento/azimut del buzamiento): 69/221;58/240;63/076 y 59/163. -Características de las grietas. Mayormente son grietas onduladas rugosas y planas lisas con paredes sanas y con relleno carbonatado y serpentinítico que presentan una abertura de 5mm y espaciamiento de 0,25m. Túnel Esperanza-En medio. La excavación del túnel se realiza por el complejo de ultramafitas serpentinizadas, cuyas rocas fundamentales son: serpentinitas, brechas de serpentinitas y gabro – basalto, estas ultimas en forma de diques y de bloques. El tramo se encuentra altamente tectonizado y esta cruzado por once fallas, nueve de ellas inciden de forma directa sobre el trazado del túnel. Asociados a estas fallas aparecen los diques de gabro. Mayormente son grietas planas lisas y onduladas lisas con una abertura entre 0-6 mm y predominio del espaciamiento en el rango 0,22-0,25 m con relleno predominantemente carbonatado aunque aparece pero con menos frecuencia también el arcilloso y paredes sanas o ligeramente alteradas. II.1.6 Trasvase Sabanalamar-Pozo Azul -Ubicación del macizo rocoso La zona objeto de estudio se encuentra situada a unos 15.5 km, al Norte de San Antonio del Sur y a 3 km. aproximadamente, al Sur del poblado de Puriales de Caujerí. -Litología. (Leyva ,2005). En el trazado de los túneles se presentan las seis capas ingeniero- geológicas siguientes: eluvio-deluvio de esquisto, esquisto meteorizado, brecha de esquisto, esquisto fresco poco meteorizado, caliza arcillosa y argilita carbonatada. -Descripción de las capas. Capa 1. Compuesta por eluvio de esquisto clorítico, de color pardo amarillento. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 9 �Tesis Doctoral Figura 3 Principales planos de agrietamiento en el tramo Serones-Ojo de Agua. Figura 4 Rosa de agrietamiento de las rocas en el tramo Ojo de Agua-Serones. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 10 �Tesis Doctoral Figura 5 Distribución porcentual de las grietas según su abertura en el tramo Agua de Agua-Serones. Figura 6 Comportamiento del espaciamiento entre grietas Tramo Ojo de Agua- Serones. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero . 11 �Tesis Doctoral Figura 7 .Distribución estadística del tipo de relleno de las grietas en el tramo Ojo de Agua-Serones. Figura 8 Distribución estadística del tipo de grietas en el tramo Ojo de AguaSerones. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 12 �Tesis Doctoral Figura 9 Comportamiento estadístico de la alteración de las paredes de las grietas en el tramo Ojo de Agua- Serones. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 13 �Tesis Doctoral Capa 2. Representada por esquisto clorítico algo meteorizado y agrietado, de color pardoamarillento, con tonalidades grisáceas y verdosas. Capa 3.- Constituida por la variedad fresca del esquisto clorítico, de color verde a verde grisáceo, posee planos de esquistosidad o exfoliación muy visibles. Capa 4.- Esta capa está constituida por brechas de esquisto. Capa 5 Esta está compuesta por caliza arcillosa estratificada compacta, de colores blanco a blanco grisáceo. Capa 6 Está representada por argilita carbonatada estratificada, de color gris oscuro. -Agrietamiento. (Sargentón ,2005). El agrietamiento afecta moderadamente a toda la litología presente en el tramo investigado, siendo más intenso en las capas 3, 4 y 8. La capa 4 de esquisto fresco presenta tres planos de agrietamiento con los siguientes elementos de yacencia: 9º/113º; 79º/103º y 9º/ 196º. Son mayoritariamente grietas planas lisas y onduladas lisas con paredes sanas y a veces alteradas con relleno cuarcífero o cerradas, con rango predominante de abertura 3-5mm y de espaciamiento 0,25-0,35m y 0,15-0,25m. Las calizas de la capa 8 presentan grietas abiertas y selladas, generalmente abruptas. El sello de las mismas es de composición carbonatado-terrígeno (argilítico).Los sistemas de grietas presentes en esta litología tienen los siguientes elementos de yacencia: 90º/130145º; 90º/90-110º y 90º/70-75º. II.2 .Condiciones ingeniero-tecnológicas de laboreo de las excavaciones subterráneas. Además de las condiciones ingeniero-geológicas fueron valorados los factores tecnológico siguientes : el destino o utilización de las excavaciones , sus características técnicas (dimensiones , área de la sección transversal : útil , de proyecto y de excavación, longitud (extensión) , formas de la sección transversal , profundidad de ubicación , carácter del frente (homogéneo, heterogéneo, por estéril , por mineral (por la mena) , velocidad de excavación , orientación de los ejes longitudinales respecto a las fallas y sistemas de grietas , plazo de servicio. -Características de las excavaciones investigadas. Los tipos de excavaciones, su denominación así como las dimensiones principales de proyecto, útiles y de laboreo, sus formas y parámetros geométricos así como sus principales parámetros minero-tecnológicos se resumen en las tablas 1, 2,3 y 4 del ANEXO 3. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 14 �Tesis Doctoral II.2.1 Comportamiento de los principales indicadores de efectividad de los trabajos de perforación y voladura. El objetivo de este acápite de la tesis es realizar una valoración de los indicadores principales de los trabajos de perforación y voladura de las voladuras base (de producción) para comparar los mismos con los resultados de las voladuras experimentales. En estas investigaciones, se tomaron como indicadores fundamentales para valorar la tecnología de arranque por voladura los siguientes: avance del frente en un ciclo de excavación, aprovechamiento de los barrenos, sub o sobre excavación, rugosidad del contorneado, velocidad mensual de avance, productividad del trabajo, consumo de sustancia explosiva y de medios de explosión y el metraje de perforación. Se comparó el comportamiento de los indicadores de efectividad de los trabajos de perforación y voladura tanto en las voladuras de producción (base) en cada una de las minas y trasvases como los de las voladuras experimentales con el objetivo de validar los criterios que se defienden. En las minas y trasvases se valoró el comportamiento de estos indicadores en las investigaciones siguientes: Sargentón, Martínez y Soffí (1985); Sargentón y Batista (1988); Sargentón y López (1988); Sargentón y Jiménez (1989); Sargentón, Tesfaye y Alemahu (1990); Cruz (1990) y Hernández (1990); Sargentón y Cabrera (1991); Sargentón et al (1987,1994); Sargentón (1994); Sargentón y Quiroga (1994). El comportamiento de los indicadores de las voladuras de producción en el tramo Ojo de Agua-Serones se aprecia en la tablas 5 ,en ese propio anexo se muestra también el comportamiento de estos mismos indicadores en las restantes minas y trasvases (tablas 1,2,3y 4).A partir de los datos contenidos en dichas tablas se elaboraron los diagramas de distribución estadística que se muestran en las figuras 1,2,3,4,5,6 y 7 del anexo 6.3. Además en la tabla 6 del anexo 5 se resume el comportamiento los principales indicadores técnico-económicos del laboreo de las excavaciones en las que se realizaron las investigaciones... El comportamiento de las velocidades mensuales de avance se muestra en las figuras 1, 2, 3, 4,5 y 6 del ANEXO 7. II.3 Resumen del contenido del Capítulo II. • El análisis de las condiciones ingeniero-geológicas y minero-tecnológicas de laboreo de las excavaciones comprende dos regiones mineras: la región cromífera M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 15 �Tesis Doctoral Moa-Baracoa situada al noreste de la región oriental en rocas del complejo ofiolítico y la región cuprífera El Cobre donde prevalecen rocas vulcanógenosedimentarias, ello significa cierta diversidad litológica y de las propiedades físicomecánicas de las rocas. • En ambas regiones las condiciones minero-tecnológicas de laboreo presentan similitud. De igual modo ocurre en el caso de los Trasvases. Los túneles del trasvase Caney –Gilbert se laborearon por rocas vulcanógeno-sedimentarias de la formación El Cobre al suroeste de la provincia y el trasvase Este-Oeste por rocas del complejo ofiolítico y rocas sedimentarias con un gran contraste de propiedades. Sin embargo los túneles del trasvase Sabanalamar –Pozo Azul se laborean por rocas sedimentarias y metamórficas, con la particularidad que presentan los esquistos cloríticos respecto a la tecnología de fragmentación y voladura, al mismo tiempo se aprecia similitud en las condiciones minerotecnológicas de laboreo de estos túneles. Es obligado el análisis de la influencia del agrietamiento sobre la tecnología de laboreo de las excavaciones y en particular sobre la de fragmentación de las rocas, factor que debe de considerarse en la modelación del campo tenso- deformacional. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero 16 �Tesis Doctoral CAPÍTULO III M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral CAPÍTULO III ESTADO TENSO-DEFORMACIONAL DE LAS ROCAS ALREDEDOR DE LA CÁMARA DE CARGA INMEDIATAMENTE DESPUÉS DE LA EXPLOSIÓN Introducción. El análisis del campo tenso – deformacional de las rocas alrededor de la cámara de carga inmediatamente después de la voladura considera tanto la valoración en estrecha interrelación de los campos tensional y deformacional como el análisis de los mecanismos de rotura por voladura de las rocas de los diferentes grupos que integran el conjunto de barrenos para el laboreo de excavaciones subterráneas. El objetivo de este capitulo es la modelación teórica del proceso de fragmentación de las rocas por voladura en la excavación de obras subterráneas y mediante voladuras experimentales realizar las correcciones pertinentes, descubrir las regularidades que rigen el mecanismo de rotura de las rocas en los diferentes grupos que integran el conjunto de barrenos y establecer las ecuaciones teóricas, empíricas o semiempíricas para el diseño y la ejecución de las mismas. Para la investigación del campo tenso-deformacional se utilizaron métodos teóricos y experimentales. III.1 Investigación teórica. El primer paso en la investigación teórica de los campos tensional y deformacional es la elección del modelo de comportamiento del macizo rocoso. En la investigación se estudian macizos de rocas resistentes y semiresistentes con modelos de comportamiento frágil o seudo-frágil. Los macizos con comportamiento plástico no son objeto de estudio en estas investigaciones. El estudio del mecanismo de rotura de las rocas no es posible sin la modelación de este campo tenso – deformacional, con comportamiento ondulatorio que tiene un carácter dinámico principalmente en la cercanía a la cámara de carga. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 45 �Tesis Doctoral Este campo que no es uniforme, ni espacialmente, ni en el tiempo, cerca de la cámara de carga es una onda de choque, que se transforma en una onda elástico-plástica con un frente relativamente más suave que la primera y luego pasa a una onda elástica. De todo lo antes expuesto se desprende la necesidad de determinar la presión dentro de la cámara de carga y la presión refractada a la roca. La determinación de la onda refractada se realiza a partir del principio de refracción de ondas y depende del acople de la impedancia de la sustancia explosiva con la rigidez acústica de la roca. En la investigación realizada se efectúa la valoración del estado tenso-deformacional alrededor de la cámara de carga de los diferentes tipos de barrenos presentes en el frente de avance de las excavaciones subterráneas, es decir los barrenos de cuele o corte en los que se utilizan cargas compactas al igual que en los barrenos ayudantes de cuele, de arranque y de piso. En los barrenos de contorno se realiza la determinación del estado tensodeformacional considerando la utilización de cargas desacopladas con espacio radial de aire. En los barrenos de cuele en cuña para el análisis del estado tenso –deformacional se parte de la condición de que se explosionan al unísono, lo que presupone la cooperación de las cargas de los barrenos de cuele situados en una misma fila, esta misma condición se establece en los barrenos de contorno, que se explosionan al mismo tiempo. III.2 Descripción del modelo matemático. La descripción cualitativo- cuantitativa del modelo matemático se ha realizado a partir de la descripción de los campos tensional y deformacional III.2.1 Descripción del campo tensional. III.2.1.1Parámetros de la onda de choque en cargas aisladas compactas. El análisis del campo tensional a partir de los modelos de comportamiento de los macizos señalados comprende inicialmente la determinación de los parámetros de la onda de choque en el limite carga – roca que se determinan de la condición de refracción de las ondas de detonación a la roca a través de una pared plana, es decir de la condición de correspondencia dinámica en los frentes de las ondas reflejadas y refractadas y considerando la adiabática de las rocas propuesta por Gogoliev (1965) M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 46 �Tesis Doctoral mediante las expresiones (59),(60),(61),(62) y (63) ya analizadas y valoradas en el capítulo I. Los restantes parámetros de la onda refractada densidad, velocidad de las partículas y velocidad del frente se calculan por las expresiones: ⎡ APr ⎤ ρ f = ρ o ⎢1 + 2 ⎥ ⎣ ρ 0VLD ⎦ ⎛ 1 1/ m , (78) 1 ⎞ υ 2f = Pr ⎜⎜ − ⎟⎟ ⎝ ρo ρ f ⎠ (79) ⎛ ⎜ Pf Pr ⎜ 1 = Nf = ρ oυ f ρ o ⎜ 1 − ρ o ⎜ ⎝ ρf ⎞ ⎟ ⎟, ⎟ ⎟ ⎠ (80) III.2.1.2 Parámetros de la onda de tensiones Para la modelación físico – matemática de los campos de tensión y de deformación se valoró el modelo de Shemiakin (1963,2006) propuesto para la rotura de rocas con fricción interna y que permite el cálculo de las componentes radiales y tangenciales del tensor de tensiones: σr = σo r n1 , σ θ = ασ r , α = μ (1 − μ ) (81) Donde σ r , σ θ - son las componentes radiales y tangenciales del tensor de tensiones. σ o - presión inicial en la cámara de carga. n1 - coeficiente de extinción r - distancia relativa. r= r Rce ⎛ ρ Q Rce = Rc ⎜⎜ SE SE ⎝ ρ TEN QTEN (82) ⎞ ⎟⎟ ⎠ 1/ 2 (83) donde : QSE - Calor de explosión del explosivo utilizado; KJ/kg QTEN - Calor de explosión del TEN, KJ/kg ρTEN - densidad del TEN, kg/m3 Rc - radio de carga utilizado, m M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 47 �Tesis Doctoral r - distancia desde el punto analizado al centro de la carga, m Shemiakin asigna los siguientes valores a n1 : n 1 = 1,5 para la zona de trituración n1 = 1 − α para la zona de agrietamiento. 2 Este modelo tiene como limitación que solo considera el coeficiente de Poisson como factor determinante en el cálculo de la componente tangencial del tensor de tensiones y del índice de extinción de las tensiones, Borovikov y Vaniagin (1970,1976, 1995) plantean una propuesta que excluye esta limitación. En su modelo perfeccionado plantea tres expresiones diferentes para el cálculo de la componente radial del tensor de tensiones (69), (70) y (71). Las componentes tangenciales de la onda de tensiones fueron determinadas por la expresión (76) y las constantes C1 y C2 por la expresión (77). Los esfuerzos al cortante se determinan por la expresión σ cort max = σ r max − σ y max 2 (84) La determinación de cada uno de los componentes del tensor de tensiones, es decir σ r max , σ τ max y σ cort max permite el análisis y la evaluación del campo tensional y a su vez condiciona conjuntamente con la acción de burbuja de los gases de la explosión el campo deformacional de las rocas alrededor de la cámara de carga. El modelo de Borovikov se adecua más a las condiciones de los macizos rocosos de la región donde se realizaron las investigaciones. III.2.1.3 Parámetros de la onda de choque por la acción de cargas aisladas desacopladas con espacio radial de aire. La presión en el frente de la onda aérea de una carga desacoplada alargada se determina por la dependencia experimental (Borovikov y Vaniaguin,1974, 1975) ⎛ 0,812 ⎞⎛ 6588 326 ⎞ ΔPmax = ⎜1 − + 3/ 4 ⎟ ⎟⎜ R ⎠⎝ R 2 R ⎠ ⎝ (85) La cual se cumple para R ≥ 1,8 Donde: R - es la distancia relativa del centro de la carga a la pared del barreno R= Rb Rc ; M.Sc. Gilberto Sargentón Romero (86) 48 �Tesis Doctoral Expresando la distancia en número de radios de carga Rb - radio del barreno Rc - radio de la carga La expresión empírica (85) se obtiene por la vía experimental con carga de trotil .Por ello cuando se utilizan otros explosivos hay que afectar la expresión por un coeficiente de recálculo: ⎛ 0 , 812 Δ Pmax = k recal ⎜⎜ 1 − Re ⎝ ⎞ ⎛ 6588 326 ⎟⎟ ⎜ ⎜ R 2 + R 3/4 ⎠⎝ e e ⎞ ⎟ . 1, 01 . 10 ⎟ ⎠ ρ eVd2 = ; ρ T VdT2 k recal 5 ; (87) (88) Donde : ρ e - densidad del explosivo utilizado , kg/m3 Vd - Velocidad de detonación del explosivo utilizado, m/s ρ T - densidad del trotil fundido, kg/m3 VdT - Velocidad de detonación del trotil fundido, m/s Re = Rb ; Rce ⎛ρ Q Rce = Rc ⎜⎜ e e ⎝ ρ T QT (89) ⎞ ⎟⎟ ⎠ 1/ 2 ; (90) donde : Qe - Calor de explosión del explosivo utilizado; KJ/kg QT - Calor de explosión del trotil, KJ/kg Rc - radio de carga utilizado, m La presión máxima en la onda reflejada se determina de la condición de reflexión de la onda aérea sobre un obstáculo rígido, es decir por la conocida ecuación de Ismailov (Gurin et al,1983): χ +1 2 ΔP χ − 1 max ; Pf = ΔPref = 2Δ + 2χ ΔPmax + P χ −1 o (91) Donde : χ = 1,41 – es el índice de la adiabática del aire , en el gas diatómico más representativo; Po - es la presión atmosférica (1,01.105 Pa.) M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 49 �Tesis Doctoral La expresión anterior fue obtenida al investigar la presión que ejerce la onda área cuando se desplaza por excavaciones mineras subterráneas e impacta obstáculos planos. Las expresiones planteadas por Ismailov para la onda refractada se fundamentan en la suposición de que la pared del barreno (cámara de carga) es rígida, es decir no se deforma, cuestión que no concuerda con la experiencia práctica. Además no considera las características del medio rocoso en la refracción de la onda y los valores que se obtienen de la presión refractada al modelar distintas litologías difieren muy poco unos de otros. Por ello se modeló utilizando las expresiones de cálculo propuestas inicialmente por Azarcovich et al (1984) y Azarkovich (1996,1997) y perfeccionadas posteriormente por Matveichuk y Chursalov (2002). La presión en el frente de la onda de detonación según la teoría hidrodinámica: Ponda det ⎛ Vd2 ρ SE = ⎜⎜ ⎝ n +1 ⎞ ⎟⎟ , Pa ⎠ (92) La presión promedio de los productos de la detonación: Pprod det = Ponda det , Pa 2 (93) Conocidas las magnitudes de estas presiones, la presión en la cámara de carga: γ Pcamarac arg a ⎛ d2 ⎞ = ⎜⎜ c2 ⎟⎟ Pprod det , Pa ⎝ db ⎠ (94) donde: γ − es el índice de la adiabática (isentrópica) de los gases de la explosión. Shuifer y Azarcovich (1982,1997) asignan valores al índice de la isentrópica en función de la presión de los productos de la explosión, cuando dicha presión es mayor de 200 MPa recomiendan un valor de este índice igual a 3, cuando es menor entonces el valor de dicho índice será igual a 1,25.Estos autores utilizan en su investigación de la voladura de contorno con taladros un valor del índice de la isentrópica igual a 1,5. Y la presión refractada a la roca a partir de la presión en la cámara de carga: Prefract = Pcamac arg a k ref , Pa M.Sc. Gilberto Sargentón Romero (95) 50 �Tesis Doctoral donde : k ref - coeficiente de refracción de la onda de presión de los productos de la explosión desde la cámara de carga a la roca. k ref = 2 C LD ρ roca (C LD ρ roca + V pd ρ pd ) (96) Los restantes parámetros de la onda refractada, se determinan por las expresiones (78),(79) y (80) anteriormente señaladas, a partir de las cuales se obtienen los valores de las magnitudes Pf , Vr y ρ r . III.2.1.4 Parámetros de la onda de tensiones con cargas desacopladas. Para el cálculo de la onda de tensiones con cargas con espacio anular de aire se utilizan las siguientes expresiones: Las componentes radiales de la onda de tensiones se determinan por la expresión: σ r max R⋅ = ⎛ R ⋅⎞ = Pf ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ r ⎠ (97) Rb Rce ⎛ρQ Rce = Rc ⎜⎜ e e ⎝ ρT QT r= 1,1 (98) 1/ 2 ⎞ ⎟⎟ ⎠ r Rce (99) (100) Las componentes tangenciales se calculan por las expresiones (76) y (77). Los esfuerzos al cortante de determinan por la expresión (84). III.3 Descripción del campo deformacional. A consecuencia de la acción del campo tensional y del efecto de burbuja de los gases se producen deformaciones en el macizo de rocas que rodea a la carga tanto en la zona cercana, como en la media y la lejana. En esta investigación solo son objeto de estudio las deformaciones destructivas, es decir aquellas que están relacionadas directamente con la fragmentación de las rocas, las deformaciones que solo producen deformaciones elásticas o plásticas no destructivas no se analizan en esta investigación. La modelación de las deformaciones destructivas se realiza a partir de los valores obtenidos del campo tensional. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 51 �Tesis Doctoral II.3.1 Condiciones de fragmentación para cargas aisladas. En la zona cercana a la cámara de carga, en el caso de cargas compactas aisladas, debido a las elevadas presiones refractadas a la roca se produce la trituración o el aplastamiento y la trituración en dependencia del modelo de comportamiento del macizo rocoso. En macizos con modelos de comportamiento elástico-rígido o frágil prevalece la trituración de las rocas, en modelos elástico-plásticos tanto la trituración como el aplastamiento. Esta zona surge a consecuencia de los esfuerzos al cortante (figura 10) Y se determina a partir del siguiente criterio: III.3.1.1 Criterio de trituración: σ cirt max = σ r max − σ τ max 2 [ ] d ≥ σ cort (101) donde : [σ dcort ]- es el límite de resistencia dinámico al cortante ,MPa El [σ ]se d cort obtiene de forma indirecta por cálculo o a partir de ensayos en laboratorios especializados, además existen diferentes fórmulas de correlación a partir de los límites de resistencia a la compresión y tracción estáticos, como las siguientes (Nurmujamedov, 1973): e ⎡⎣σ cort ⎤⎦ = ⎡σ e ⎤ ⎡σ e ⎤ ⎣⎢ comp ⎦⎥ ⎣ trac ⎦ 3 [σ ] ≈ 7σ d cort (102) (103) e cort En la zona media se extiende la zona de agrietamiento cuyo límite se puede determinar a partir del criterio o condición de resistencia siguiente: III.3.1.2 Criterio Agrietamiento para una carga aislada. d ] σ τ max ≥ [σ tracción (104) A partir de esta condición se determina el radio de agrietamiento. El campo deformacional destructivo para la onda directa se extiende hasta el límite de esta zona pero cuando la onda directa encuentra una superficie libre tiene lugar la refracción – reflexión de la misma, la onda directa de compresión se transforma en onda reflejada de tracción y se pueden producir fenómenos de descostramiento. Este criterio es posible enunciarlo de la forma siguiente: III.3.1.3 Criterio de descostramiento. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero σ r max ≥ [σ dtracción ] (105) 52 �Tesis Doctoral º Figura 10.Esfuerzos al cortante en la zona cercana a la cámara de carga que determinan la zona de trituración. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral En la investigación realizada se efectúa la valoración del estado tenso-deformacional en los diferentes grupos del conjunto de barrenos presentes en el frente de avance de las excavaciones subterráneas, es decir los barrenos de cuele o corte en los que se utilizan cargas compactas al igual que en los barrenos ayudantes de cuele , de arranque y de piso. En los barrenos de contorno se realiza la determinación del estado tensodeformacional considerando la utilización de cargas con espacio radial de aire. En los barrenos de cuele en cuña para el análisis del estado tenso –deformacional se parte de la condición de que se explosionan al unísono, lo que presupone la cooperación de las cargas de los barrenos de cuele situados en una misma fila , esta misma condición se establece en los barrenos de contorno , que se explosionan al mismo tiempo. El estado deformacional se calcula a partir de los siguientes criterios de fragmentación. III.4 Criterios de fragmentación para las cargas que se explosionan al unísono De los barrenos de cuele con barrenos de compensación III.4.1. Criterio de trituración: σ r max − σ τ max [ ] d ≥ σ cort 2 (106) Este criterio permite determinar el radio de trituración Rtrit de la carga compacta en el barreno de cuele cargado y con él la distancia entre el centro de este propio barreno y el centro del taladro de compensación , como se explica más adelante en este propio capítulo. III.4.2 Criterio Agrietamiento σ τ max ≥ [σ d tracción ] 2 (107) A partir de este criterio se determina el radio de agrietamiento para el diseño de los cueles en cuña y la distancia entre los barrenos de contorno. Se considera la acción cooperadas de las cargas que se explosionan al unísono, razón por la cual la tensión tangencial en la distancia media entre las cargas es igual a la suma de las magnitudes de estas tensiones. III.4.3 Criterio de Descostramiento. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral σ r max ≥ [σ dtracción ] (108) Este criterio se plantea a partir de la acción de la onda reflejada en la superficie libre , en la que la onda directa de compresión se transforma en onda reflejada de tracción. En este caso el radio de descostramiento representa el radio de la carga virtual (figura 11). El cual sería igual a : Rdes cos t + Ragrietam = 2W W = Por lo que Rdes cos t + Ragriet (110) 2 Ragrietam + b = W Además: (111) b = W − Ragrietam Por lo que: (109) (112) A partir de estos criterios de resistencia se elaboran los criterios para la proyección de los trabajos de perforación y voladura en la excavación de obras subterráneas. En los cálculos se emplean las características de resistencia dinámica de las rocas , es decir, [σ dtracción ] y [σ dcort ] . Estas características pueden ser determinadas mediante ensayos de laboratorio o determinadas por cálculo a partir de las de las ecuaciones propuestas por Ionov (1975) , citado por (Vorobikov y Vaniaguin,1985,1995): [σ d tracción ]= K d tracción [σ e tracción ] d 2 K tracción = 4,81 − 0,97.10 −11 ρ oV LD (113) (114) Fueron modeladas las litologías presentes en los tramos investigados de los Trasvases: Este-Oeste , Caney –Gilbert y en el Proyecto del Trasvase Sabanalamar – Pozo Azul y en las minas Mercedita y Amores y El Cobre. Para la determinación de la presión de las ondas de choque tanto con cargas compactas como desacopladas con espacio anular de aire , así como de los restantes parámetro de esta onda en las litologías señaladas , fueron elaborados los programas informáticos OnchoCompacta y OnchoDesacoplada en Excel sobre Windows XP Professional (Sargentón ,2007b). Los parámetros principales de la onda de choque refractada en las litologías presentes en los macizos rocosos de las minas y trasvases en investigación utilizando cargas compactas se muestran en la tabla 5. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 45 �Tesis Doctoral Figura 11. Representación de la acción de la onda reflejada en la superficie libre. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral Tabla 5 Parámetros de la onda de choque ,en una carga compacta ,refractada en las diferentes litologías en investigación. Parámetros de la onda refractada a la roca Litologías Obra,Mina Tramo,excavación Pb, MPa. Pr, MPa. Kref ρr,kg/m3 Vroca,m/s Vfrente,m/s Cromita Mercedita Galeria de corte 5577 8819 1,58 4084 1523 5781 Serpentinita. Mercedita Socavón M-1 6491 8819 1,58 2984 1806 1815 Peridotita. Mercedita Socavón M-1 6101 8176 1,34 2871 1801 5149 Dunita Mercedita Galería nivel principal 6101 8226 1,39 2966 1762 5395 Gabro Mercedita Galería nivel principal 5757 8306 1,44 3178 1701 5468 Dunitas Amores Socavón A-1 6757 8328 1,23 2900 1853 4581 Harzburgita Amores Socavón A-1 6596 8357 1,27 3161 1773 4451 Serpentinita Amores Socavón A-1 5945 8292 1,39 3224 1703 5063 Cromita Amores Socavón A-1 5558 8916 1,60 4222 1502 5918 Porfirita andesiticas El Cobre Galería principal nivel +30 5840 8206 1,41 4337 1790 2797 Tobas andesíticas El Cobre Galería principal nivel +30 5826 8225 1,41 4381 1779 2790 Areniscas tobaceas El Cobre Galería principal nivel +30 5754 8464 1,44 4362 1755 2834 Tobas Trasvase Caney –Gilbert Frente 1 3852 5820 1,51 3177 1414 4874 Aglomerados Trasvase Caney –Gilbert Frente 1 4080 5635 1,38 3284 1409 3830 Gabro Trasvase Este-Oeste Yagrumal –Guaro 5903 8274 1,40 3129 1722 5229 Basalto Trasvase Este-Oeste Manacal-Castellanos 5894 8288 1,41 3173 1711 5206 Caliza masiva Trasvase Este-Oeste Yagrumal –Guaro 5636 8432 1,50 2928 1764 6470 Caliza blanco crema masiva Trasvase Este-Oeste Yagrumal –Guaro 5695 8327 1,46 2951 1756 6020 Serpentinita pardo-verdosa Trasvase Este-Oeste Guaro-Manacal 6300 8334 1,32 3334 1707 4528 Aleurolitas Trasvase Este-Oeste Castellanos –Monacal 6613 7883 1,19 2332 2011 4970 Aleurolitas Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Tunel 2 6606 8188 1,24 3363 1729 3181 Esquistos verdes Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Túnel 1 5649 8366 1,48 2944 1757 4017 Calizas arcillosas Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Túnel 1 6166 8254 1,34 3115 1745 4838 M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral De manera análoga se muestran en la tabla 6 los principales parámetros de la onda de presión refractada en las litologías en investigación utilizando cargas desacopladas con espacio radial de aire. Obtenidos los parámetros principales de la onda refractada a la roca se realizó la modelación del campo tenso-deformacional producido por la voladura de la carga (compacta y desacoplada) en el macizo rocoso alrededor del barreno para todas las litologías en estudio. Para ello también se elaboraron los programas informáticos CamTensCompacta y CamTensDesacoplada en Excel sobre Windows XP (Sargentón , 2007c). En las tabla 7 se presentan los valores de los esfuerzos de comprensión ,tracción y al cortante obtenidos mediante la modelación del campo tenso-deformacional en gabro con cargas compactas de tectron 100 de 42 mm de diámetro a partir de las características de esta sustancia explosiva (ULAEX S.A.,1999 y ULAEX S.A.,2003) y en el ANEXO 9A, tablas 1,2,3 y 4, se exponen los resultados de los cálculos de la modelación de dicho campo con cargas compactas en las otras litologías que se investigan. En las figuras 12 y 13 se muestran los gráficos de las curvas de extinción de las tensiones radiales, al cortante y tangenciales para el caso de cargas compactas en los gabros y las calizas masivas del tramo de túnel Ojo de Agua- Serones . En la tabla 1 del ANEXO 10 aparecen los parámetros del campo tenso- deformacional (radio de trituración Rt , radio de agrietamiento R g y radio de descostramiento Rd , línea de menor resistencia W ) generado por cargas compactas en barrenos de 42 mm de diámetro en todas las litologías en estudio. Además se modeló el campo tenso-deformacional producido por cargas desacopladas de tectron 100 de 32 mm en gabro, los valores de los esfuerzos a compresión, tracción y al cortante se muestran en la tabla 8 , y en el ANEXO 9B, tablas 1,2,3,4 y 5 los resultados de los cálculos de la modelación de dicho campo con cargas desacopladas en las otras litologías que se investigan, la representación de las curvas de extinción de las tensiones radiales, al cortante y tangenciales con cargas desacopladas en los gabros y las calizas masivas se muestran en las figuras 14 y15. En las figuras 1 y 2 del ANEXO 9 se muestran los gráficos de las curvas de extinción de las tensiones radiales, al cortante y tangenciales para el caso de cargas M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral bla 6 Parámetros de la onda de presión, producida por una carga desacoplada en las diferentes litologías presentes en las minas y trasvases en investigación Parámetros de la onda refractada a la roca Tramo,excavación Mina, Trasvase Litologías Nº 3 Pb, MPa. Pr, MPa. Kref ρr,kg/m Vroca,m/s Vfrente,m/s I.1 Cromita Mercedita Galeria de corte 415 672 1,62 3832 44 5242 I.2 Serpentinita. Mercedita Socavón M-1 415 543 1,31 2583 76 3721 I.3 Peridotito Mercedita Socavón M-1 415 592 1,43 2903 63 4293 I.4 Dunita Mercedita Galería nivel principal 415 672 1,62 2687 63 4622 I.5 Gabro Mercedita Galería nivel principal 415 611 1,47 2905 58 4788 II.1 Dunitas Amores Socavón A-1 415 588 1,45 2827 61 4619 II.2 Harzburgita Amores Socavón A-1 415 553 1,33 2848 73 3559 II.3 Serpentinita Amores Socavón A-1 415 592 1,43 2903 63 4293 II.4 Cromita Amores Socavón A-1 415 675 1,63 3981 42 5406 III.1 Porfirita andesiticas El Cobre Galería principal nivel +30 415 809 1,50 2779 56 5346 III.2 Tobas andesíticas El Cobre Galería principal nivel +30 415 598 1,46 2723 60 4896 III.3 Areniscas tobaceas El Cobre Galería principal nivel +30 415 622 1,47 2722 59 5065 IV.1 Tobas Trasvase Caney –Gilbert Frente 1 415 614 1,48 2947 59 4665 IV.2 Aglomerados Trasvase Caney –Gilbert Frente 1 415 639 1,30 2908 76 3261 V.1 Gabro Trasvase Este-Oeste Yagrumal –Guaro 415 830 2,00 2870 62 4467 V.2 Basalto Trasvase Este-Oeste Manacal-Castellanos 415 596 1,44 2870 62 4451 V.3 Caliza masiva Trasvase Este-Oeste Yagrumal –Guaro 415 830 2,00 2735 53 5784 V.4 Caliza blanco crema masiva Trasvase Este-Oeste Yagrumal –Guaro 415 619 1,49 2726 54 5612 V.5 Serpentinita pardo-verdosa Trasvase Este-Oeste Guaro-Manacal 415 830 2,00 2916 71 3662 V.6 Aleurolitas Trasvase Este-Oeste Castellanos -Manacal 415 510 1,23 1991 84 4068 VI.1 Aleurolitas Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Tunel 2 415 530 1,28 2819 79 3217 VI.2 Esquistos cloríticos Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Túnel 1 415 626 1,51 2737 55 5564 VI.3 Calizas arcillosas Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Túnel 1 415 569 1,37 2758 69 3992 M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral Tabla 7 Modelación de los campos tenso-deformacional Cargas compactas de tectron 100.Compactada a un diámetro de 42 mm Trasvase Este –Oeste. Primera Etapa :Melones-Sabanilla Túnel :Yagrumal _Guaro Frente: Ojo de Agua –Serones Datos iniciales Litologia Gabro 3 ρo 2830 Kg/m Kdt 3,32 VLD [σ ] [σ ] e comp e trac 4587 m/s 97,4 MPa [σ ] [σ ] [σ ] d tracc 12,75 MPa e cort 11,17 MPa d cort 3,84 MPa 78,16 1150 Kg/m3 Campo deformacional 4400 m/s Rtrit 0,1603 740 Kcal/kg 0,8270 Rg Rdesc 0,042 m. 2,0133 0,042 m. W 1,4202 1650 Kg/m3 1360 Kcal/kg 8270,03 MPa RCE 0,01293 C1 0,38597 C2 -0,00221 Cálculo del campo-tenso deformacional σcmax,MPa σtmax,MPa σcortmax,MPa r,m r 0,1035 8,00 450 166 142 0,1164 9,00 382 140 121 0,1244 9,62 348 127 110 0,1293 10,00 329 120 105 0,1603 12,40 244 87 78,16 0,2586 20,00 125 43 41 0,3880 30,00 71 23 24 0,5173 40,00 47 14 17 0,5481 42,38 44 12,75 15 0,8270 63,95 40 10 15 0,9053 70,00 37 8 14 1,0346 80,00 32 7 13 1,1639 90,00 28 5 11 1,2932 100,00 25 4 10 1,5519 120,00 19 2 8 1,8105 140,00 15 1 7 2,0133 155,68 12,75 1 6 ρSE Vd QSE dc db ρTEN QTEN Pr M.Sc. Gilberto Sargentón Romero MPa m. m. m. m. 44 �Tesis Doctoral Curvas de extinción de las componentes radiales,tangenciales y al cortante del campo tensional 240 1- Tensión radial 2- Tensión tangencial 3- Tensión al cortante 4- Límite de resistencia dinámica al cortante 5- Límite de resistencia dinámica a la tracción 220 200 Tensión,MPa 180 160 140 1 2 4 120 100 80 3 60 40 5 20 0 0 15 30 45 60 75 90 Distancia relativa,r Curvas de extinción de las componentes radiales y tangenciales del campo de tensiones 150 1 Tensión radial 2 Tensión tangencial 3 Límite de resistencia dinámica a la tracción 135 Tensión,MPa 120 105 90 1 75 60 2 45 30 3 15 0 0 20 40 60 80 100 Distancia relativa,r Curvas de extinción de las componentes radiales y al cortante del campo de tensiones 1 Tensión radial 2 Tensión al cortante 3 Límite de resistencia dinámica al cortante 160 140 Tensión,MPa 120 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Distancia relativa,r Figura 12 Curvas de extinción del campo tensional producido por una carga compacta de tectrón 100.Litología: Gabro. Frente: Ojo de Agua-Serones. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral Curvas de extinción de las componentes radiales y al cortante. 300 270 240 1- Tensión radial 2- Tensión al cortante 3- Límite de resistencia dinámica al cortante Tensión,MPa 210 180 150 120 90 1 60 30 0 3 2 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 Distancia relativ a Curv as de extinción de las componentes radial y tangencial del campo de tensiones 195 180 165 1- Tensión radial 2- Tensión tangencial 3- Límite de resistencia dinámica a la tracción Tensión,MPa 150 135 120 105 90 75 60 45 3 15 0 1 2 30 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Distancia relativa Curv as de extinción de las componentes del campo tensional 250 1 2 3 4 5 225 200 175 150 Tensión radial Tensión tangencial Tensión al cortante Límite de resistencia dinámica al cortante Límite de resistencia dinámica a la tracción 125 100 3 1 2 75 4 50 25 0 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Distancia relativ a Figura 13 Curvas de extinción del campo tensional producido por una carga compacta de tectrón 100. Litología: caliza masiva. Frente: Ojo de Agua-Yagrumal. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 45 �Tesis Doctoral Tabla 8 Modelación del campo tenso-deformacional Trasvase Este –Oeste Sustancia explosiva :Tectron 100 Ǿ 32 mm Tramo : Yagrumal – Guaro Datos Cargas desacopladas con espacio radial de aire Litologia Gabro ρo 2830 Kg/m3 Kdt 3,32 VLD 4587 m/s [σ ] [σ ] e comp 97,40 MPa e trac 3,84 1150 4400 740 0,032 0,042 1500 1010 6700 0,149 3 2,00 0,386 -0,0022 0,016 0,012 0,021 1,75 5566 2783 415 830 ρSE Vd QSE dc db ρTrotil QTrotil VTrotil (Vc/Vb)γ N Kref C1 C2 Rc Rce Rb R⋅ Pfrente onda Pprod explos Pcamcarg Pr r, m r 0,024 0,043 0,048 0,063 0,072 0,084 0,096 0,108 0,120 0,180 0,240 0,336 0,388 0,480 0,558 0,600 0,935 2,0 3,6 4,0 5,2 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 15,0 20,0 28,0 32,3 40,0 46,5 50,0 78,0 MPa Kg/m3 m/s Kcal/kg m. m. Kg/m3 Kcal/kg m/s [σ ] [σ ] [σ ] d trac 12,75 MPa e cort 11,17 MPa d cort 78,16 MPa Rtrit Rgu Rga Rd Wcalc Γ 0,063 0,558 0,336 0,935 0,746 m. m. m. m. m. 3,5 m. m. MPa MPa MPa MPa Ρr Vr Vf 2872 Kg/m3 66 m/s 4472 m/s σrmax,MPa σtmax,MPa σcortmax,MPa 717 273 222 377 143 117 334 126 104 250 94 78,16 214 80 67 181 67 57 156 57 49 137 50 43 122 44 39 78 28 25 57 19 19 39 13 13 34 10,57 12 27 6 8 23 6,38 8 21 5,73 8 12,75 3 5 M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 46 �Tesis Doctoral Curvas de extinción de las componentes radiales, al cortante y tangenciales del campo de tensiones 200 1 2 3 4 5 180 160 140 120 100 Tensión radial,MPa Tensión tangencial,MPa Tensión al cortante,MPa Límite de resistencia dinámica al cortante,MPa Límite de resistencia dinámica a la tracción,MPa 1 80 4 60 2 40 3 20 0 5 0 10 20 30 40 50 60 Distancia relativ a, r Curvas de extinción de las componentes radiales y tangenciales del campo de tensiones 120 1 Tensión radial,MPa 2 Tensión tangencial,MPa 3 Límite de resistencia dinámica a la tracción,MPa 100 80 1 60 2 40 20 3 0 0 10 20 30 40 50 60 Distancia relativ a, r Curvas de extinción de las componentes radiales y al cortante del campo de tensiones 200 1 Tensión radial,MPa 3 Tensión al cortante,MPa 4 Límite de resistencia dinámica al cortante,MPa 180 160 140 120 100 1 3 80 60 2 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 Distancia relativ a, r Figura 14 Curvas de extinción del campo tensional producido por una carga desacoplada de tectrón 100. Litología: gabro. Frente: Ojo de Agua-Serones. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 47 �Tesis Doctoral Curvas de extinciaón de las componentes radiales ,tangenciales y al cortante del campo de tensiones 150 135 Tensión , MPa 120 2 105 1 90 1 2 3 4 5 Tensión radial,MPa Tensión tangencial,MPa Tensión al cortante,MPa Límite de resistencia dinámica al cortante ,MPa Límite de resistencia dinámica a la tracción,MPa 75 4 60 45 3 30 15 0 5 0 10 20 30 40 50 60 70 Distancia relativa,r Curvas de extinciaón de las componentes radiales ,tangenciales y al cortante del campo de tensiones 150 135 1 Tensión radial,MPa 2 Tensión al cortante,MPa 120 3 Límite de resistencia dinámica al cortante ,MPa Tensión , MPa 105 1 90 75 3 60 45 2 30 15 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Distancia relativa,r Curvas de extinciaón de las componentes radiales ,tangenciales y al cortante del campo de tensiones 1 Tensión radial 2 Tensión tangencial 3 Límite de resistencia dinámica a la tracción 90 Tensión , MPa 75 2 1 60 45 30 3 15 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Distancia relativa,r Figura 15 Curvas de extinción del campo tensional producido por una carga desacoplada de tectron 100. Litología: Caliza masiva. Frente: Ojo de Agua-Yagrumal. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 48 �Tesis Doctoral compactas en basaltos , serpentinitas pardo-verdosa y calizas masivas del tramo de túnel Manacal-Castellanos. En la tabla 2 del ANEXO 10 se presentan los parámetros del campo tensodeformacional al modelar este tipo de cargas en las litologías en estudio. III.5 Mecanismo de rotura de las rocas en los cueles. Análisis teórico. Los criterios utilizados para el diseño y la ejecución de estos cueles se han basado fundamentalmente en la generalización de la experiencia práctica, en los métodos de analogía y en diferentes clasificaciones, entre las que cabe destacar la clasificación del profesor M.M.Protodiaconov. Sin embargo, dada la complejidad de las excavaciones subterráneas y las condiciones ingeniero-geológicas en que se laborean las mismas en la actualidad no es posible la elaboración de proyectos utilizando solamente los métodos y criterios señalados. La efectividad alcanzada actualmente en el diseño y ejecución de los trabajos de perforación y voladura puede ser mejorada por la vía de la aplicación de otros métodos que se fundamenten más en la teoría de la física de la fragmentación de rocas por voladura y en la modelación de los fenómenos y procesos que en la misma se producen. A partir de estas premisas en este acápite se exponen criterios más avanzados para el diseño, el cálculo y la ejecución de las voladuras en el laboreo de excavaciones subterráneas de sección transversal pequeña y mediana. La investigación realizada parte de la concepción de modelar teóricamente el proceso de arranque de las rocas para el laboreo de excavaciones subterráneas con las secciones señaladas y mediante voladuras experimentales realizar las correcciones pertinentes, descubrir las regularidades que rigen el mecanismos de rotura de las rocas en los cueles rectos triturantes con barrenos de compensación y establecer las ecuaciones teóricas , empíricas o semiempíricas para el diseño y la ejecución de estas voladuras. III.5.1 Cueles rectos cilíndricos. Diferentes autores han investigado el proceso de rotura de las rocas mediante voladura en los cueles rectos o triturantes (Janukaev,1962; Shemiakin, 1963,2006;Drukovany et al,1964; Lijin et al, 1973; Mindely, 1974; Langefors et M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 49 �Tesis Doctoral al ,1976; Shapiro ,1985,1987,1988,1989; Lukianov y Gromov 1999; Egorov et al, 2000 ;Hoek y Brown, 1980;Hoek, 2007a entre otros). Sin embargo aun no existe una metodología que describa este proceso, lo cual se confirma con el hecho de que no se considera posible la modelación de los macizos agrietados por el incipiente desarrollo de la teoría de la física de los medios discontinuos o discretos y por ello se estima que ninguna de las teorías existentes es capaz de dar el tratamiento adecuado a la rotura de las rocas en el cuele recto o triturante con barreno de compensación. Es evidente que el incremento de la efectividad de los trabajos de voladura se relaciona en gran medida con el fundamento teórico - experimental del mecanismo de rotura de las rocas en este tipo de cuele. Sin embargo, las expresiones de cálculo existentes son empíricas o semiempíricas por lo que dependen mucho de las condiciones en que fueron deducidas. Los criterios existentes elaborados en base a la generalización de los resultados de la práctica productiva y de experimentos de polígono y a escala productiva se sintetizan a continuación. Lijin et al (1973) señala que la distancia entre los centros de los ejes del barreno y el taladro no debe ser mayor de a = (0,7 ÷ 0,8)Dtaladro (115) Pero nunca debe de ser mayor que el diámetro del taladro Dtaladro Langefors et al (1973) al explicar el mecanismo de rotura de las rocas en los cueles paralelos (rectos o triturantes) expone las condiciones generales de ejecución de estos cueles, pero además señala que la apertura del cuele es realizada de tal forma, que cuando las cargas del primero, segundo y siguientes barrenos detonan, la roca arrancada sea lanzada fuera del cuele. Como se aprecia este investigador plantea al menos dos condiciones necesarias y suficientes: la rotura de los tabiques que separan a los barrenos cargados del taladro vacío de forma progresiva y la limpieza de la cavidad de cuele y como condición fundamental la expresión (11) señalada en el capítulo I. Cuando se cumple esta condición se produce una voladura limpia, cuando no se cumple la misma o se produce sólo rotura o deformación plástica. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 50 �Tesis Doctoral La otra condición que establece es la magnitud de la carga para una rotura completa expresión (9). Noskov et al (1982) al explicar el papel que cumple el espacio de compensación para el desplazamiento de la roca triturada por la voladura de la carga de sustancia explosiva en el barreno contiguo señala que el espesor del tabique de roca depende de la fortaleza de esta y su magnitud debe ser igual al diámetro del taladro o barreno vacío, si este es un taladro la distancia entre los ejes se determina por la expresión (34) Y la concentración de sustancia explosiva por metro de barreno se determina por la expresión (35). En rocas blandas recomienda además aumentar el espesor del tabique hasta 2-3 diámetros de la perforación vacía. Kutuzov et al (1988,2000) considera que la principal desventaja del cuele recto cilíndrico es que se alcanza una expulsión de la roca de la cavidad de cuele en el rango del (40-60)% y recomienda una distancia entre los barrenos de cuele igual a 10-20 cm. Bubok et al (1981) distingue como una de las desventajas del cuele recto cilíndrico la limpieza incompleta de la cavidad de cuele recomienda asumir la distancia entre los barrenos igual a dos o tres diámetros de los mismos. Además plantea como criterio para determinar la cantidad de barrenos el coeficiente de fortaleza de Protodiáconov . Doronin (1983) realiza las siguientes recomendaciones: seleccionar la cantidad de barrenos de cuele en función de la fortaleza de las rocas y a partir de este coeficiente plantea asumir la distancia entre el barreno cargado y el taladro vacío en dependencia las condiciones (37) y (38). Gredeniuk et al (1983) al explicar la voladura de taladros en el laboreo de contrapozos señala que el trabajo de la primera carga ocurre en condiciones muy difíciles, y que la distancia entre los centros del barreno de cuele y el taladro vacío depende de sus diámetros respectivos. Considera que con la voladura del primer barreno de cuele una gran parte de la roca fragmentada de la cavidad de cuele se desplaza en dirección al taladro de compensación y es recomprimida y que después de la voladura de la carga del segundo barreno de cuele el aplastamiento (recompresión) no es eliminado, e incluso aumenta algo, llenando toda la cavidad que se formó con la voladura del primer M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 51 �Tesis Doctoral barreno de cuele. La cavidad de cuele creada después de la voladura del segundo barreno adquiere la forma claramente definida de un triángulo. La voladura del tercer barreno de cuele, aumenta el área y el volumen de rocas fragmentada pero tampoco elimina el aplastamiento. En opinión de este autor la redescompresión de la masa rocosa comienza con la voladura de la carga del cuarto barreno de cuele. El paso del arranque con aplastamiento a la voladura limpia con un aumento de la distancia entre los barrenos ocurre en forma de salto. Los recortes ocurren solamente cuando el volumen de la cavidad que se forma después de la voladura sobrepasa el volumen volado en 1,25 y más veces y se determinan a partir de la condición (39). Señala que la distancias entre los primeros barrenos de cuele sea determinada por la expresión (40). El análisis de las consideraciones de los diferentes autores permite plantear que no se efectúa hasta el nivel de ingeniería la determinación de los parámetros de las voladuras en los frentes de avance, a partir de la valoración físico-matemática del estado tenso-deformacional de las rocas alrededor de la cámara de la carga. Las investigaciones realizadas por el autor de esta tesis (Sargentón, 1994,1997,2004) , permitieron la determinación, a partir de la esencia física de la acción de la explosión sobre el medio y la modelación físico – matemática de los parámetros de la onda de choque y de los campos de tensiones y de deformaciones que ella genera en el macizo rocoso y utilizando diferentes explosivos , de los parámetros principales para el diseño del cuele en cuña: distancia entre los pares de barrenos de cuele ac , la línea de menor resistencia (LMR) W y la distancia mínima entre los extremos de los barrenos por el fondo bc . Las mismas sirvieron de premisas para las investigaciones relacionadas con los cueles paralelos o rectos, a los que se denomina en este trabajo cueles triturantes, en virtud de que se toma como criterio fundamental de diseño, la acción de trituración que realizan sobre el tabique de rocas situado entre los barrenos cargados y el taladro vacío, que prácticamente coincide con la zona o cilindro de trituración. Lo señalado se relaciona estrechamente con las principales peculiaridades de la voladura de estos cueles al laborear excavaciones subterráneas: la perpendicularidad de los barrenos respecto al frente de excavación, el M.Sc. Gilberto Sargentón Romero paralelismo tanto de los 52 �Tesis Doctoral barrenos cargados del cuele entre sí como respecto al taladro de compensación vacío y la proximidad entre ellos. El mecanismo de rotura de este tipo de cuele se explica al menos a partir de los principios de utilizar el taladro vacío cercano como cara o cavidad libre y triturar el tabique de separación entre este y el barreno cargado. Pero los principios señalados en el párrafo anterior representan la condición necesaria pero no suficiente, se precisa de una segunda condición, que la roca triturada sea expulsada, es decir los gases de la explosión limpien el cuele. Por lo tanto son necesarios los dos agentes fundamentales: la onda de tensiones de compresión –tracción y al cortante y la acción de burbuja de los gases. Las dimensiones geométricas del área de trituración de los cueles rectos cilíndricos con un taladro de compensación se muestran en la figura 16. y el tabique de rocas a triturar se representa en la figura 17. Para el caso del cuele cilíndrico con dos taladros de compensación la representación geométrica del mecanismo de rotura se muestra en la figura 18. La descripción de su mecanismo se asemeja al del cuele cilíndrico con un taladro de compensación, pero también presenta sus particularidades. En este caso no solo se precisa de la rotura del tabique de rocas que se encuentra entre el barreno cargado y los taladros vacíos, si no también de la rotura del tabique entre los taladros vacíos. Y se dispone de mayor área para el desplazamiento de la roca triturada hacia la cavidad de compensación. III.6 Mecanismo de rotura de las rocas por la acción de cargas que actúan al unísono. El valor optimo de la distancia entre los ejes de las cargas contiguas en una fila de cargas a op se determina de la condición de obtención de un corte continuo entre las cargas vecinas en las filas como resultado de la superposición de las componentes tangenciales de las ondas de tensión , provocadas por la explosión de estas cargas. Aquí el límite de resistencia dinámica a la tracción debe ser superado por el valor suma de las amplitudes de las componentes tangenciales de las ondas en toda la longitud entre los ejes de las cargas vecinas: 2 ∑σ ti [ ] = σ t 1 (r , t ) + σ t 2 (a − r , t ) ≥ σ td (116) i =1 Donde t – tiempo transcurrido desde el momento de la explosión. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 53 �Tesis Doctoral Figura 16 Representación geométrica del área de trituración de las rocas en el cuele recto o de trituración. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral Figura17. Tabique de rocas a triturar entre el barreno cargado y el taladro de compensación. Caso : Litología – gabro. Sustancia explosiva Tectron 100.Túnel Ojo de Agua –Serones M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 45 �Tesis Doctoral Figura 18 Representación del mecanismo de fragmentación de las rocas en el cuele cilíndrico con dos taladros de compensación. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral El máximo valor de la distancia entre los ejes de las cargas vecinas se obtiene de la [ ] condición de igualdad entre el límite de resistencia dinámica a tracción σ td y la magnitud suma de la máxima amplitud de las componentes tangenciales de las ondas de tensión que se encuentran en el centro entre las cargas vecinas 2 ∑σ i =1 t max [ ] ⎛a ⎞ = 2σ t max ⎜ max ⎟ = σ td ⎝ 2 ⎠ (117) Con ello se supone que la explosión de las cargas en la fila ocurre al unísono y no se tiene en cuenta la influencia de otras ondas que puedan actuar. El cálculo de la distancia racional ap se realiza por uno de los métodos de aproximaciones sucesivas o grafoanalíticamente tomando como primera [1] = amax , por la fórmula (120). Para este valor a [ap1] = a max se aproximación aap comprueba la condición de corte entre las cargas vecinas (121) para una distancia a r* ( ≤ r* < a) por la línea de cargas, a la cual el valor suma 2 2 ∑σ t es mínimo, pero i =1 sobrepasa el límite de resistencia a tracción dinámica (Otaño,1983) (figuras 19 y 20), es decir: [ ] ⎞ ⎛ 2 ⎜ ∑ σ t ⎟ ≥ σ td ⎝ i =1 ⎠ min (118) Con esta condición se logra el corte por la línea de unión de las cargas de tal forma que el contorno obtenido sea lo más cercano posible al proyectado y se obtenga un mínimo de sobre excavación. III.6.1 Mecanismo de rotura de los cueles rectos en ranura (cremallera) Un caso particular de mecanismo de rotura de cargas que actúan simultáneamente son los cueles rectos en ranura, los cuales pueden presentarse en dos variantes: con taladros vacíos de compensación y con barrenos vacíos de compensación. En la primera variante la ranura se forma mediante la rotura (trituración) del tabique entre el barreno cargado y los taladros vacíos contiguos, el desplazamiento de las rocas hacia las cavidades de compensación (taladros vacíos) y su expulsión de la cavidad de cuele por el empuje de los gases de la explosión.(figura 21). En el segundo caso , es decir con barrenos de compensación , la cavidad de compensación de estos es muy limitada y por lo tanto la roca triturada en su totalidad no se puede desplazar hacia la cavidad de compensación ,es por ello que el criterio M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 45 �Tesis Doctoral Figura 19. Determinación de la distancia racional entre cargas en la voladura de contorno M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral Figura 20a Gráfico esquemático para determinar la distancia r* Campo tensional generado por dos cargas aisladas y la accióon conjunta de ellas.trasv ase esteOeste.Túnel Ojo de Agua-Serones.Litología:Gabro. 160 1- Tensión generada por la carga 1 2- Tensión generada por la carga 2 140 3- Campo tensional generado por ambas cargas,MPa 4- Límite de resistencia dinámica a la tracción,MPa 120 100 80 60 40 20 3 2 0 0,0 d 4 st 1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Distancia al centro de la carga,m Figura 20b Gráfico para determinar la distancia r* en el caso de la litología gabro M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 95 �Tesis Doctoral que considera el desplazamiento de las rocas hacia esta cavidad no se cumple , es por ello que los barrenos de compensación solo cumplen la función de barrenos guías en la formación de la ranura de corte que se crea por la línea de unión de los centros de los mismos. La distancia entre los centros de los barrenos cargados y vacíos está determinada por el radio de trituración.(figura 22). III.7 Modelación de las discontinuidades del macizo rocoso (agrietamiento) Las expresiones para modelar el campo tensional alrededor de la carga explosiva se conciben a partir de considerar al medio rocoso como homogéneo, isótropo y continuo. Sin embargo hay que tener en cuenta las características geo-estructurales del macizo rocoso, en particular el agrietamiento. Las investigaciones realizadas al respecto por Seinov (1964,1974) establecen la influencia de la dimensión de las gritas y las propiedades de su relleno sobre el grado de fragmentación del medio rocoso detrás del plano de grietas. En el caso de grietas abiertas cuya abertura sobrepase el valor de la amplitud de desplazamiento del medio la onda prácticamente se refleja en su totalidad desde la superficie libre , en este caso desde la grieta. En aquellos casos en que la abertura de las grietas es menor que la amplitud de desplazamiento del medio ocurre una caída de la energía de la onda a consecuencia de la perdida en la reflexión y la dispersión, la que está determinada por los parámetros de las grietas, y la orientación de éstas respecto a la dirección de la explosión. Seinov establece un modelo lineal de dependencia entre la abertura de las grietas y la perdida de energía. Turuta et al (1974) investigó las particularidades de la transmisión de la energía de la explosión en rocas agrietadas y estableció que al pasar a través de una grieta la velocidad de desplazamiento en la onda de tensiones pasante varía según la dependencia: r i V pasante = V2 K l Donde: (119) V2- velocidad de desplazamiento en un medio monolítico; r- distancia recorrida por la onda; M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 96 �Tesis Doctoral Figura 21. Mecanismo de rotura del cuele de ranura con taladros de compensación. Figura 22. Mecanismo de rotura del cuele de ranura con barrenos de compensación. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 97 �Tesis Doctoral l- tamaño del bloque (disyunción); K- coeficiente, que considera la caída de tensión a consecuencia de la diferencia de rigidez acústica del material del bloque y del relleno de la grieta, se determina por la fórmula: Vrelleno ρ relleno VLD ρ o K= ⎛V ⎞ ρ 1 + ⎜⎜ relleno relleno ⎟⎟ ⎝ VLD ρ o ⎠ 4 donde : Vrelleno , ρ relleno y VLD , ρ o - (120) representan la rigidez acústica respectivamente del relleno de las grietas y del material del bloque Por otro lado, Azarkovich et al (1984), plantean ciertas insuficiencias de las clasificaciones de los macizos rocosos según su agrietamiento, la principal de ellas es que no considera la abertura de las grietas, de cuyo parámetro depende la extensión de los esfuerzos generados por la voladura y la resistencia del macizo a los esfuerzos externos, además de que no considera la orientación del sistema de grietas predominante respecto a la orientación de los esfuerzos generados por la voladura. Respecto a esta problemática Riats y Chernishev (1970) proponen una clasificación de los macizos por el grado de agrietamiento, que considera simultáneamente la densidad de la red de grietas (blocosidad) y la oquedad de las grietas en el macizo, que evidentemente da un enfoque equivalente a considerar simultáneamente la distancia entre grietas y su abertura. Shuifer y Azarkovich (1982) proponen una dependencia entre la velocidad de propagación de las ondas elásticas en el macizo (Cm) y en testigos (CLt) y la oquedad de las grietas en el macizo Cm = C Lt 1 (1 − nl ) ; (121) n 1 + 400 l 1 − nl donde : nl – oquedad lineal de grietas en el macizo La magnitud del coeficiente nl puede ser determinada por la expresión nl = Δe (122) de donde : Δe – abertura de la grieta de – distancia media entre grietas M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral Baron y Kliuchnikov (1967) para modelar el agrietamiento proponen el coeficiente monolítico relativo Kmon , que para las rocas monolíticas toma el valor de 1 , para las fuertemente agrietadas el valor de 0 y para el valor intermedio 0,5, a partir de este coeficiente y el espaciamiento entre grietas clasifican a las rocas en tres grupos. Esta clasificación establece rangos de variación del espaciamiento muy amplios por lo que también el valor del coeficiente está restringido a estos valores. Además proponen tres casos de disposición relativa de la superficie libre, la superficie de las grietas y la dirección de la onda de tensiones , es decir cuando γ = 020º; γ = 20º-70º y cuando γ = 70º-90º.Las mejores condiciones para el contorneado se producen en el último caso y las peores en el segundo. Esta clasificación también es muy restringida. En ambos casos y a partir de los estudios de agrietamiento y de la valoración de las características mecánico-estructurales de los macizos rocosos cubanos más jóvenes que los europeos, con tectónica más compleja y agrietamiento más intenso, se propone ampliar la cantidad de rangos y establecer coeficientes que tengan en cuenta tanto el espaciamiento de las grietas como la dirección de la onda de choque respecto a la superficie libre. Ambas clasificaciones de establecen en las tablas 15 y 16 del subacápite III.8.5 y se representan en la figura 23. III.8 Criterios para el diseño, el cálculo y la ejecución de las voladuras en el laboreo de excavaciones subterráneas. Introducción. En este acápite se exponen los criterios para el diseño, el cálculo y la ejecución de los trabajos de perforación y voladura en el laboreo de excavaciones subterráneas mineras e hidrotécnicas de pequeña y mediana sección transversal. Los mismos fueron elaborados a partir de los resultados alcanzados tanto por la modelación matemática del proceso físico de la fragmentación de las rocas por voladura y de su validación mediante trabajos experimentales en diferentes excavaciones subterráneas, y también mediante la generalización de la experiencia acumulada en el laboreo de este tipo de excavaciones. Los criterios se establecen para el conjunto de barrenos en el frente, que incluye los tipos de barrenos por sus funciones: de cuele, ayudantes de cuele, de arranque, ayudantes de contorno y contorno. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 45 �Tesis Doctoral Tabla 9 Coeficiente de agrietamiento relativo del macizo Kg Nº Clasificación Espaciamiento,m Kg 1 Muy poco agrietado 1-1,5 1,0 2 Poco agrietado 0,8 -1,0 0,95 3 Agrietamiento medio 0,6-0,8 0,90 4 Muy agrietado 0,4-0,6 0,85 5 Fuertemente agrietado 0,2-0,4 0,80 6 Extraordinariamente agrietado 0,1-0,2 0,70 Tabla 10 Coeficiente de influencia de la orientación del sistema de agrietamiento principal respecto a la superficie libre y a la dirección de la onda de choque.(Koch). Nº Ángulo γ Koch 1 0-10 0,45 2 10-25 0,55 3 25-50 0,70 4 50-75 0,85 5 75-90 1,00 M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral Figura 23 Casos de disposición relativa de la superficie libre (S.L.) , la superficie de las grietas (S.G.)y la dirección de la onda de presión (D.O.P.) a) 0 ≤ γ 〈10 b) 10 ≤ γ 〈 25 c) 25 ≤ γ 〈50 d) 50 ≤ γ 〈75 y e) 75 ≤ γ ≤ 90 M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral Debido a la amplia utilización de los cueles rectos cilíndricos con barrenos de compensación se plantean los principios de cálculo de este cuele en sus dos variantes: con uno y dos taladros de compensación, además se describe el mecanismo de rotura de las rocas en ese tipo de cuele tomando como base teórica la acción de la explosión sobre el medio rocoso. III.8.1 Principios generales. El primer principio es concebir el diseño de cada grupo del conjunto de barrenos en dependencia de su función y de las condiciones en la que se producirá la acción de la explosión sobre el medio rocoso. En base a ello se puede señalar que la función de cada grupo de barrenos es decisiva. Si con la voladura de los barrenos de cuele se alcanzan las dimensiones adecuadas de la cavidad de cuele se crearán las condiciones suficientes y necesarias para lograr el máximo avance dada la incidencia directa de este grupo de barrenos sobre este indicador. Por sus particularidades la caracterización del mecanismo de fragmentación de las rocas en el cuele tiene connotación fundamental. A diferencia de los criterios existentes para el diseño de los trabajos de perforación y voladura en el laboreo de excavaciones subterráneas de sección transversal pequeña y media, que se han fundamentado en la generalización de los resultados obtenidos de la práctica y de voladuras experimentales, la nueva concepción que se expone en esta tesis consiste en el diseño de los parámetros de los grupos del conjunto de barrenos sobre la base de la acción de la explosión sobre el medio rocoso. III.8.2 Criterios para el diseño y el cálculo de los parámetros de los barrenos de cuele. Debido a la particularidad de este grupo de barrenos, como se señaló anteriormente, es necesario antes de presentar los criterios para el diseño de los mismos precisar los aspectos fundamentales de su mecanismo de rotura. A partir de la clasificación general principal de los cueles reconocida por los diferentes investigadores de la temática: cueles inclinados, cueles rectos y cueles combinados, el autor de esta tesis doctoral plantea una nueva clasificación de los cueles en base a la acción de la explosión sobre el medio rocoso. Es por ello que se plantea que los cueles inclinados, en el que se toma como caso clásico el cuele en cuña vertical, se diseña a partir de considerarlo como un cuele M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 101 �Tesis Doctoral separante o fragmentante, por lo que su mecanismo de rotura se fundamenta principalmente en la fragmentación de las rocas que se encuentran en la cavidad de cuele. En los cueles rectos, en los cuales se presentan como casos clásicos los cueles cilíndricos, el mecanismo de rotura tiene como fundamento la trituración del tabique que está situado entre el barreno cargado y el taladro vacío o de compensación, por lo que se consideran cueles triturantes. En los cueles combinados, como su nombre lo indica se combina tanto la acción fragmentante como triturante, por lo que se puede señalar que son cueles triturantefragmentantes. Para el cálculo de la estructura de los cueles se utilizó un enfoque metodológico único, en correspondencia con el cual el cuele es un esquema tecnológico tal de disposición de los barrenos y taladros, que con un desarrollo sucesivo de la voladura se garantiza la formación de una segunda superficie libre con una dimensión no menor de 1m, necesaria y suficiente para el posterior trabajo de los barrenos de arranque con línea de menor resistencia (LMR) constante (Wo). El esquema de desarrollo de la cavidad de cuele al aumentar el denudamiento desde una dimensión inicial H1 hasta la dimensión final Hk ≥1m, se ofrece en la figura 24a. Se observa que el coeficiente de proporcionalidad n entre la superficie libre Hi y el valor de la línea de menor resistencia (LMR) Wi caracteriza la volabilidad de las rocas, debido a que para la condición Hk = 1m es igual numéricamente a la línea de menor resistencia de los barrenos de arranque, por cuya magnitud, respecto al diámetro del barreno d, se valora la resistencia real del macizo a la acción de fragmentación de la explosión. En las figuras 24 b y 24c se muestran respectivamente el desarrollo del cuele recto triturante (cilíndrico) y el desarrollo del cuele en cuña, los cuales fueron diseñados y experimentados en gabros y tobas. III.8.2.1 Criterios para el cálculo de los principales parámetros de la estructura de los cueles rectos o triturantes. Los resultados de las investigaciones plantean al menos tres principios para el diseño de estos cueles, los cuales son los siguientes: • La trituración del tabique rocoso entre el barreno cargado y el taladro vacío o de compensación; M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 102 �Tesis Doctoral 24a- Desarrollo teórico 24b- Desarrollo del cuele cilíndrico 24 c.-Desarrollo del cuele en cuña Litología :gabro Litología :tobas Sustancia explosiva tectron 100 . Sustancia explosiva amonal. Figura 24 Desarrollo de la cavidad de cuele. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 103 �Tesis Doctoral • El desplazamiento de la roca triturada hacía el taladro de compensación; • La limpieza o expulsión de las rocas trituradas fuera de la cavidad de cuele. En la primera fase juega un papel fundamental la onda de tensiones, que es la encargada de la trituración del tabique rocoso. En las fases restantes el rol fundamental lo realiza el efecto de burbuja de la explosión, es decir la presión de los gases que permiten la evacuación de la roca triturada. Esta descripción cualitativa del mecanismo de rotura, permite establecer el primer criterio de proyección de las dimensiones de estos cueles que es el siguiente: Primer Criterio. B = Rtriturac + Dtaladro 2 (123) Esta expresión se expresa geométricamente en las figuras 16 y 17. Segundo Criterio. El volumen de la cavidad de cuele a formar debe de ser tal, que quepa en ella la roca triturada mullida. Es decir, la relación entre el volumen de la cavidad de cuele y el volumen de roca triturado sea igual al coeficiente de compensación, que a su vez puede ser considerado al coeficiente de esponjamiento de las rocas pero con cierto nivel de compactación, la mayoría de los investigadores sitúa el valor de este coeficiente en 1,25 a partir de la condición (39). En el caso del cuele recto con un barreno de compensación el volumen de trituración se determina según la figura 25. A partir de los parámetros: d b , Dtaladro y B por las expresiones siguientes Cos β = Rtaladro − Rb B h = B senβ ; α = 180 − β ⎡⎛ R + Rb ⎞ πR 2 β πR 2α ⎤ Atrituración = 2 ⎢⎜ taladro ⎟h − taladro − b ⎥ 2 360 360 ⎦ ⎠ ⎣⎝ Vtrituracion = Atrituraciónlbη 2 Vtaladro = πRtaladro l taladro (124) (125) (126) (127) (128) Entonces el volumen necesario de la cavidad de compensación será: M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral Figura 25 Determinación del volumen del área de trituración M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral Vcavcomp = (K mullido − 1)Vtrituración (129) Con este principio se garantiza el desplazamiento de las rocas trituradas hacia la cavidad de cuele formada por la voladura de este primer barreno cargado. Tercer Criterio. Consiste en garantizar la expulsión de la roca triturada y aplastada dentro de la cavidad de cuele. En este tipo de cuele la cavidad de cuele final se alcanza con el ensanchamiento paulatino de esta cavidad mediante la voladura consecutiva de los restantes barrenos de cuele con el retardo adecuado. Los parámetros principales que caracterizan el cuele recto con un taladro de compensación vacío son: la dimensión necesaria de la cavidad de cuele H, la cantidad de barrenos cargados N c arg ados , la cantidad de barrenos de compensación N comp y el volumen de la cavidad de cuele Vcuele. La cantidad de taladros de compensación en el cuele recto se determina por la expresión: ⎛ Vcavcomp ⎞ recto Ncomp = ENT ⎜ ⎟ +1 2 ⎝ 0,785Dtaladrol ⎠ (130) (Donde ENT- es la parte entera de la relación calculada La relación de iteración para los cueles rectos y las dependencias para la determinación de sus parámetros son las siguientes: H i +1 = 2 N recto c arg (N recto comp −1 )/ 2 B(1 + 2n ) i recto ⎧⎪4(k + 1), N comp = 1 ,2 ⎫⎪ =⎨ ⎬ recto ⎪⎩2(2k + 3), N comp = 3 ⎪⎭ recto Vcavcuele = H k2 .l.η (131) (132) (133) donde: i = 1,2,......, k k − es el paso final de la iteración n - es el índice de acción de la explosión El ciclo se repite hasta que H i +1 ≥1m M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral III.8.2.2 Cuele recto cilíndrico con dos taladros vacíos de compensación Se mantienen los mismos principios que se enunciaron para el cuele cilíndrico con un taladro vacío de compensación, pero la existencia de dos taladros vacíos de compensación facilita el desplazamiento de las rocas trituradas hacia la cavidad de compensación. La distancia desde el centro del barreno cargado hasta el centro de uno de los taladros vacíos se determina por la expresión (123). Sin embargo es necesario determinar también el otro parámetro decisivo que es la distancia entre los centros de los taladros vacíos htal , lo que significa el reconocimiento de la necesidad de triturar el segundo tabique de rocas el cual se encuentra entre los taladros vacíos. Es por ello que aquí además del criterio enunciado para el cuele cilíndrico con un taladro de compensación son necesarios otros criterios adicionales. Es decir la distancia entre el eje del barreno cargado y el eje de unión de los centros de los taladros vacíos será: Rtrit = ht (134) Y la distancia entre los centros de los taladros vacíos: htal = 2 2 Dtal − 4 Rtrit Dtal 2 = Dtal − 4 Rtrit Dtal 4 (135) Con ello se garantiza la trituración del tabique existente entre los taladros vacíos (figura 18), además se debe de cumplir el principio del desplazamiento de la roca triturada hacia las cavidades de compensación es decir según la expresión (39) y la expulsión por los gases de la roca triturada y comprimida dentro de la cavidad de cuele formada. III.8.2.3 Cueles en ranura o de cremallera Se puede presentar en dos variantes con taladros o barrenos de compensación En la primera variante la distancia entre los centros del barreno cargado y el taladro vacío se determinará por la expresión (123) (figura 21).Expresión similar a la que se propone para proyectar distancia entre el centro del barreno cargado y el taladro vacío en el cuele cilíndrico. En la segunda variante la cavidad de compensación no es suficiente para permitir el desplazamiento de la roca triturada hacia ella y se requiere de un esfuerzo adicional para lograr el desplazamiento de las paredes de la ranura creada con el cuele, cavidad adicional que favorece este desplazamiento (figura 22). M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 45 �Tesis Doctoral Hi = 2 Rtrit + 4B 2 (136) III.8.3 Criterios para el cálculo de los principales parámetros de la estructura del cuele en cuña vertical. A partir de la generalización de investigaciones experimentales sobre el mecanismo de rotura de las rocas en los cueles en cuña (figura 26) en diferentes condiciones ingeniero-geológicas y de investigaciones realizadas por el autor (Sargentón,1997, 2005) se pueden plantear los principios de diseño de este cuele siguientes : • Se debe lograr la rotura de las rocas por el fondo de los barrenos (del cuele) • Debe lograrse el corte por la línea de unión de los pares de barrenos , de forma tal que se conformen las superficies laterales del cuele • Se debe fragmentar la masa rocosa dentro del cuele , con la granulometría adecuada que permita su expulsión de la cavidad del mismo • La limpieza de la cavidad de cuele, es decir que quede la cavidad de cuele lo más limpia posible, con lo cual quedaría formada la segunda superficie libre. Las dimensiones de este cuele son las siguientes: • Distancia entre fila de los pares de barrenos, a cuña • Distancia por el fondo entre los barrenos en la fila , bcuña • Distancia entre las bocas de los barrenos en la fila, Wcuña Las mismas se representan en la figura 27 Y se determinan por las expresiones: bcuña = 2rtrituración KagrietKsolape (137) a cuña = 2ragrietamiento K agriet K solape (138) Wcuña = 2(acuña − bcuña ) + bcuña kll α cuña = arccos (Wcuña − bcuña ) 2l b (139) (140) Donde: K agriet − Coeficiente que tiene en cuenta el agrietamiento del macizo rocoso K solape − el mismo tiene en cuenta el solape de las zonas de trituración y de agrietamiento del par de barrenos en el primer caso y de los barrenos situados en dos filas contiguas en el segundo caso ( ver M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 46 �Tesis Doctoral Figura 26 Mecanismo de rotura del cuele en cuña por la acción de la explosión. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral Figura27 Esquema de disposición de los barrenos en el cuele en cuña. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral figura 26). Se asume para la zona de trituración igual a 0,9 y para la zona de agrietamiento igual a 0,5 k ll - coeficiente de llenado del barreno de cuele lbarreno - longitud del barreno de cuele, m Los parámetros principales que caracterizan la estructura del cuele son: • La dimensión necesaria de la cavidad de cuele según el principio del desarrollo de la cavidad de cuele y la figura anteriormente planteada se determina mediante la relación de iteración: H i = acuña .i (141) Donde : i – es el paso de iteración. El paso final de iteración se determina de la condición i = k ; H k = a cuña .k ≥ 1 (142) Y el sistema de ecuaciones para la determinación de los restantes parámetros de la estructura del cuele en cuña sería: N c arg ados = 2k N comp. = 0 (143) ⎛W + b ⎞ Vcuele = ⎜ cuña cuña ⎟acuña (k − 1).lηsenα cuña 2 ⎝ ⎠ En la tabla 1 del ANEXO 13 aparecen los parámetros teóricos y prácticos del cuele en cuña vertical para todas las litologías en estudio. III.8.4 Criterios para el diseño de los parámetros de los barrenos de arranque. Como se señaló en los epígrafes anteriores, a consecuencia de la voladura de los barrenos de cuele, se debe crear una cavidad suficiente y necesaria, que permita la formación de la segunda superficie libre, además una dimensión lineal de esta cavidad no menor de 1m, creadas estas condiciones, el diseño y el cálculo de los parámetros de los barrenos de arranque se realiza considerando la existencia de esa superficie libre y a semejanza con la voladura en un banco. En el caso de las excavaciones de sección transversal media y pequeña la voladura de los barrenos de arranque puede producirse con fondo libre y con fondo cerrado. La experiencia acumulada en la excavación de excavaciones subterráneas con frente adelantado confirma la obtención de ángulos de rotura del cráter de voladura de 90 grados y de 135 grados en la parte inferior (ver figura 28). M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 45 �Tesis Doctoral Figura28 Mecanismo de rotura de los barrenos de arranque con fondo libre. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 46 �Tesis Doctoral Diversos autores señalan la necesidad de que los barrenos de arranque sean al menos un 10% menor que los de cuele, pero no argumentan el fundamento teórico de este criterio. En este trabajo se fundamenta teóricamente el principio, en virtud del cual se logra aumentar la efectividad del arranque de estos barrenos si se explosionan con fondo libre y consecuentemente se alcanza un mayor aprovechamiento de los mismos. La línea de menor resistencia se determina a partir de la expresión (110) mediante el término: Warr = Wmax K g K oc (144) III.8.5 Criterios para el diseño de los parámetros de los barrenos de contorno. El desarrollo alcanzado por la tecnología de los trabajos de perforación y voladura en la actualidad obliga a la utilización de la voladura de contorno o lisa. Por ello el diseño de los parámetros de este grupo del conjunto de barrenos se debe realizar sobre la base de utilizar cargas desacopladas con espacios radiales de aire , esta tecnología es imprescindible para lograr contornos rocosos más lisos y menos agrietados , con los cuales es mayor la estabilidad de las excavaciones , disminuyen los riesgos de accidentes y las superficies denudadas de las excavaciones ofrecen menos resistencia aerodinámica al paso del aire y del agua por la excavación. En este caso los parámetros principales son : la distancia entre los barrenos de contorno a , la línea de menor resistencia (LMR), la distancia del eje del barreno de contorno al contorno proyectado de la excavación y el coeficiente de aproximación de las cargas m. La determinación de la distancia entre los barrenos de contorno se realiza bajo el principio de que los esfuerzos de tracción producidos por el campo tensional favorezcan el corte por la línea de unión de los barrenos, por lo que el parámetro a se calcula por la expresión: acontorno = 2 rg k g k och (145) Donde: rg - radio de agrietamiento que se produce entre dos cargas que explosionan al unísono. k g − coeficiente de agrietamiento que tiene en cuenta el grado de agrietamiento de las rocas; M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral k och - coeficiente que tiene en cuenta la orientación de las grietas respecto a la dirección de la onda de tensiones. El coeficiente de agrietamiento se establece como se explicó en el acápite III.7 a partir del perfeccionamiento de la clasificación de las rocas propuesta por Barón et al (1967), los valores del mismo se muestran en la tabla 9 .De igual forma el coeficiente que tiene en cuenta la dirección de la onda de choque respecto a la superficie libre se pueden apreciar en la tabla 10. La línea de menor resistencia (LMR) W, se determina para la voladura de recorte a partir del coeficiente de aproximación de las cargas ( m ) mediante la relación m = a = (0,8 ÷ 1,2) (Baron y W Kliuchnikov, 1967).Aunque Wolf (1999) y Walter (2001) proponen un rango de variación de este coeficiente algo más estrecho m = 1 ÷ 1,5 pero cercano al valor anterior, en las condiciones de la investigación el valor más adecuado es: W= a a = m (0,8 ÷ 1,2) (146) La distancia del eje del barreno de contorno al contorno proyectado de la excavación (figura 29 ) se determina por la expresión: c ≥ Rtrit (147) Con los criterios que se señalan se logra alcanzar un contorno lo más cercano posible al contorno proyectado con una sobre excavación mínima , pero además de este objetivo la voladura de contorno permite la obtención de superficies estables en los lados y el techo de la excavación. La estabilidad del contorno obtenido después de la voladura se alcanza con la condición (Shuifer et al ,1982 y Azarcovich et al,1984,1996,1997 ): ⎛d ⎞ h=⎜ b ⎟ ⎝ 6 ⎠ (148) Donde : h – dimensión promedio (altura) de la irregularidad del contorno. db- tamaño del bloque natural de rocas en el macizo. Esta condición se fundamenta en considerar la existencia de bloques de diferentes tamaños en dependencia del agrietamiento en los macizos rocosos y en que la estabilidad de los contornos obtenidos, extiéndase lados y techos, está relacionada con el grado de confinamiento de los bloques en los mismos – cuanto menos sobresalgan los bloques del contorno de la pared esta será más estable. Por ello para M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 45 �Tesis Doctoral Figura 29.Representación de la distancia del centro del barreno de contorno al contorno de proyecto de la excavación 1.Línea de ubicación de los barrenos de contorno. 2.Barreno de contorno. 3 Contorno de proyecto. H p - altura de proyecto de la excavación Ap -Ancho de proyecto de la excavación. l p - profundidad de los barrenos Rc -Radio de curvatura de la bóveda. Rtrit radio de trituración producido por la carga desacoplada de SE. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral prevenir la caída de los bloques de la pared, estos no deben sobresalir más de la mitad o con cierta reserva un tercio de su tamaño. III.9 Resumen del capítulo. Se realiza la modelación de la onda de detonación, de la onda de choque y de la onda de presión a partir del modelo matemático propuesto por Ismailov (Gogoliev,1965 y Staniukovich ,1971) y del campo tenso-deformacional mediante el modelo de Borovikov y Vaniagin (1995) para cargas compactas sobre la base de la acción de la explosión sobre el medio rocoso. De igual forma se modeló la onda de presión mediante el modelo de Azarcovich et al (1997) y Matveichuk y Chursalov (2002) y el campo tenso deformacional por el modelo de Bovovikov y Vaniagin (1995). Después de esta modelación y a partir de los criterios de fragmentación se explican los mecanismos de rotura de las rocas en los diferentes grupos del conjunto de barrenos y se presentan los criterios para el diseño y la ejecución de las voladuras en el laboreo de excavaciones subterráneas. Además se analizan los principios para la modelación matemática del agrietamiento y se adecuan los valores del coeficiente monolítico relativo propuesto por Barón et al (1987) para modelar el agrietamiento a los macizos rocosos cubanos. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral CAPÍTULO IV M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 45 �Tesis Doctoral CAPÍTULO IV VALIDACIÓN DE LOS CRITERIOS PROPUESTOS DE DISEÑO Y EJECUCIÓN DE LAS VOLADURAS Introducción. La validación de los criterios que se proponen se realizó mediante trabajos experimentales orientados en tres vertientes: • Trabajos de laboratorio. • Trabajos de campo • Voladuras experimentales IV.1Trabajos de laboratorio. Estos trabajos fueron realizados en los laboratorios de Mecánica de rocas y de Física de las rocas del ISMM “Dr. Antonio Núñez Jiménez” y de las empresas de Investigación y Proyectos de Recursos Hidráulicos de Holguín. Los tipos de ensayos y de determinaciones ya fueron explicados en el capítulo II. IV.2 Trabajos de campo. Los trabajos de campo fueron realizados en los trasvases y las minas donde se realizaron las investigaciones: • Los Trasvases: Este-Oeste, Caney –Gilbert y Sabanalamar –Pozo Azul • Las minas Mercedita, Amores y El Cobre. Los trabajos de campo consistieron en: a. El estudio de las características estructurales y tectónicas de los macizos investigados e incluye la descripción petrográfica (tratadas en el capítulo II). b. El estudio del agrietamiento. (desarrollado en el Capítulo II). c. La toma de muestras para la determinación de las propiedades másicas, de resistencia y acústica fundamentalmente. d. La medición de las dimensiones de la excavación, su sección trasversal y la calidad del contorneado de las excavaciones. e. La medición y determinación de los indicadores de efectividad de las voladuras en la excavación de las obras subterráneas siguientes: avance del M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 46 �Tesis Doctoral frente de excavación en la voladura, coeficiente de aprovechamiento de los barrenos, dimensiones de la excavación, determinación de la sobre o subexcavación, consumo de sustancia explosivas y de medios de explosión, metraje de barrenación y calidad del contorneado. f. Observación científica de los resultados de las voladuras. a. Influencia del agrietamiento en el mecanismo de rotura de las rocas en el cuele. b. Influencia del agrietamiento en la calidad del contorneado y en la sobre excavación. c. Granulometría de la roca volada. IV.3 Muestreo de rocas. La toma de muestra comprendió tanto muestras regulares (cilíndricas con 42 y 56 mm de diámetro) como irregulares (monolitos) de rocas en las obras y minas investigadas para la determinación de las propiedades anteriormente señaladas. IV.4 Trabajos de medición de la sección transversal. Se realizó la medición de las dimensiones de las excavaciones subterráneas (ancho, alto, perímetro activo y área de la sección transversal) y el cálculo de las características del contorneado (rugosidad y sobreexcavación) tanto en las voladuras experimentales como de producción. Fueron medidos los principales parámetros de los trabajos de perforación y voladura: distancia entre los barrenos de cuele, contorno y arranque, profundidad de los barrenos; línea de menor resistencia y avance del frente de excavación. Para el levantamiento de la sección transversal se utilizó el método topográfico, mediante coordenadas polares, es decir, la medición del ángulo ϕ i y los radios vectores ρ i . A partir de los mismos se determinó el área de la sección transversal como la sumatoria de los triángulos que se forman por la expresión: [( )( )( )( )( )( )] 1 S = x −x y + y + x −x y +y + x −x y + y i 2 i i +1 i i +1 i +1 i +2 i +1 i +2 i +2 i −1 i +2 i −1 n −1 S p = ∑ Si (149) (150) i donde: M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 47 �Tesis Doctoral xi = ρ i cos ϕ i (151) y i = ρ i senϕ i (152) El perímetro activo como la sumatoria de los segmentos de recta que se obtienen al trazar el contorno n −1 Pa = ∑ Pai 1 (153) ( ) ( ) 2 2 Pai = ⎛⎜ xi +1 − xi + yi +1 − yi ⎝ a= Pa 2(n − 1) (154) (155) Las coordenadas de los puntos de la línea media serían: x mi = y mi = ( xi + xi +1 ) 2 ( yi + yi +1 ) 2 (156) (157) La longitud de la línea media n−2 Lmedia = ∑ l mi 1 l mi = l= (x i m − x mi +1 ) 2 + ( y mi − y mi +1 ) 2 Lmedia n−2 (158) (159) (160) Estos elementos se pueden apreciar en la figura 30. A partir de la medición de la sección de laboreo de la excavación en coordenadas polares, se determinó también el perímetro activo específico p ′ (Barón y Kliuchnikov, 1967) mediante la relación: p′ = Pa ,ml/m3 Sp (161) Para valorar la calidad del contorneado se realizó un estudio de la rugosidad del contorno de la excavación, por lo cual se determinó también la longitud total de la línea media Pm. La medición de las irregularidades a partir de la línea media del perfil rugoso es posible ya que un aumento de la longitud de la línea media trae consigo un aumento de la rugosidad. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 48 �Tesis Doctoral Figura 30. Elementos de la rugosidad h-altura ; l – base; a-lado; α-ángulo de inclinación; H-amplitud de la rugosidad; λ- paso de la rugosidad; L.M. -línea media; C.R.-contorno Real. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral Para todas las superficies rugosas se cumple la desigualdad: Pr 〉 Pm (162) Cuando Pr = Pm la superficie es lisa La diferencia Pr − Pm = ΔP , muestra el aumento de la longitud de la línea del contorno real en comparación con la longitud de la línea media. El índice de rugosidad se determina mediante la expresión: ρ= ΔP Pr = −1 Pm Pm (163) Los demás parámetros de la rugosidad se determinan por las expresiones siguientes. La altura de la rugosidad: ⎛l⎞ h = a−⎜ ⎟ ⎝2⎠ 2 (164) El paso de la rugosidad (165) λ = 2l La amplitud de la rugosidad (166) H = 2h Bondarenko (1981), propone otra expresión para determinar la sobreexcavación lineal promedio h= (S l − S p ) (167) Pl Expresión que es válida en caso de que no haya subexcavación. En la tesis se propone una expresión que perfecciona la propuesta de Bondarenko h= (S l − S p ) 2(S l − S p ) (Pl + Pp ) = (Pl + Pp ) (168) 2 La que puede ser aplicada en los casos de sobre y sub excavación. Para el cálculo de las dimensiones de la sección transversal de las excavaciones y las características de su contorneado se utilizó el programa informático en Excel sobre Windows XT CalSecTranv (Sargentón,2007c) . Los resultados de las mediciones del área de las secciones transversales alcanzadas con las voladuras de producción en el frente Ojo de Agua –Serones y Ojo de Agua- Yagrumal se muestran respectivamente en las tablas 11 y 13 y los de las voladuras experimentales en los M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 44 �Tesis Doctoral tramos Ojo de Agua-Yagrumal y Ojo de Agua-Serones se muestran en las tablas 12 y 14. respectivamente. Registro fotográfico de los experimentos. Se tomaron fotografías de los experimentos realizados las mismas tenían los objetivos de: • Registrar la cavidad de cuele obtenida por la voladura del cuele cilíndrico con un taladro de compensación. • Registrar el contorneado de las paredes y el techo obtenido con la voladura de contorno a partir de la proyección mediante los criterios de cálculo propuestos. • Registrar las grietas inducidas por la voladura de una carga compacta en las litologías objeto de estudio. IV.5 Voladuras experimentales. Las voladuras experimentales se realizaron en tres modalidades: voladuras de polígono, voladuras semindustriales y voladuras industriales. Las voladuras de polígono fueron realizadas en monolitos de rocas, en paramentos o en las paredes y los frentes de avances para estudiar los campos deformacionales destructivos (formación de grietas en barrenos aislados, entre dos o más barrenos, formación de la zona de trituración, la rotura del tabique en los cueles rectos cilíndricos con uno o dos taladros vacíos, conformación de la superficie entre dos barrenos con carga con espacio anular de aire entre otros). Las voladuras semindustriales comprendieron principalmente la voladura de forma independiente de los cueles rectos cilíndricos y de cuña tanto en los frentes de excavación como en los paramentos de los taludes. Las voladuras industriales se realizaron directamente en los frentes en condiciones de producción y en dos variantes explosionando todas las cargas con el retardo establecido y explosionando las cargas de forma secuencial para poder estudiar el efecto de los diferentes grupos de barrenos. Se realizaron voladuras experimentales en las minas: Mercedita, Amores, El Cobre y en los Trasvases: Caney-Gilbert y EsteOeste. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 45 �Tesis Doctoral Tabla 11 Levantamiento de la Sección transversal de la Excavación. Voladuras de Producción. Trasvase Este-Oeste. Tramo:Yagrumal –Guaro. Ojo de Agua-Serones Seccion Ancho,m Altura,m Sl ,m2 Sp,m2 Kse Pexc Proy. Llmedia a L λ h H ρ tang Grados I 7,40 6,45 36,21 30,89 1,17 16,27 14,91 15,14 0,45 0,89 1,78 0,08 0,15 0,0745 0,3932 21 II 7,10 6,50 35,68 30,89 1,15 16,28 14,91 15,13 0,45 0,89 1,78 0,08 0,16 0,0766 0,3987 22 III 7,70 6,55 36,71 30,89 1,19 16,35 14,91 15,22 0,45 0,90 1,79 0,08 0,15 0,0741 0,3921 21 IV 7,85 6,65 37,31 30,89 1,21 17,20 14,91 15,94 0,48 0,94 1,87 0,09 0,19 0,0794 0,4063 22 V 7,20 6,50 35,42 30,89 1,15 16,52 14,91 15,14 0,46 0,89 1,78 0,11 0,22 0,0906 0,4352 24 VI 7,70 6,50 36,41 30,89 1,18 16,36 14,91 15,19 0,45 0,89 1,79 0,08 0,17 0,0769 0,3997 22 VII 7,50 6,64 35,42 30,89 1,15 17,10 14,91 15,61 0,48 0,92 1,84 0,12 0,24 0,0952 0,4466 24 VIII 7,50 6,50 36,49 30,89 1,18 16,38 14,91 15,22 0,45 0,90 1,79 0,08 0,16 0,0763 0,3979 22 IX 7,66 6,61 37,01 30,89 1,20 16,82 14,91 15,34 0,47 0,90 1,80 0,12 0,24 0,0963 0,4492 24 X 7,60 6,60 36,33 30,89 1,18 17,09 14,91 15,73 0,47 0,93 1,85 0,11 0,21 0,0864 0,4246 23 XI 6,95 6,54 37,24 30,89 1,21 18,74 14,91 16,19 0,52 0,95 1,90 0,21 0,42 0,1575 0,5830 30 XII 7,70 6,15 35,71 30,89 1,16 16,07 14,91 14,92 0,45 0,88 1,76 0,08 0,16 0,0770 0,3999 22 Promedio 7,49 6,52 36,33 30,89 1,18 16,77 14,91 15,40 0,47 0,91 1,81 0,10 0,21 0,09 0,43 23,09 Tabla 12 Levantamiento de la sección transversal. Voladuras Experimentales. Tramo Yagrumal –GuaroFrenteOjo de Agua-Serones Sección Ancho ,m Altura,m Sl ,m2 Sp,m2 Kse Pexc,m Proy.,m Llmedia,m a, m L, m λ,m H ,m H , m ρ I 6,75 6,00 32,34 30,89 1,05 15,18 14,91 14,28 0,42 0,84 1,68 0,04 0,08 0,0634 II 7,20 6,05 33,21 30,89 1,08 15,55 14,91 14,46 0,43 0,85 1,70 0,82 1,65 0,0756 III 6,94 6,10 33,00 30,89 1,07 15,41 14,91 14,47 0,43 0,85 1,70 0,82 1,65 0,0650 IV 6,75 6,15 33,36 30,89 1,08 15,90 14,91 14,57 0,44 0,86 1,71 0,83 1,66 0,0911 V 6,94 6,00 33,41 30,89 1,08 15,56 14,91 14,50 0,43 0,85 1,71 0,83 1,65 0,0730 VI 7,30 6,05 33,23 30,89 1,08 15,46 14,91 14,50 0,43 0,85 1,71 0,83 1,65 0,0662 VII 7,18 6,08 33,21 30,89 1,08 15,87 14,91 14,67 0,44 0,86 1,73 0,83 1,67 0,0817 VIII 6,91 5,99 32,08 30,89 1,04 15,19 14,91 14,27 0,42 0,84 1,68 0,81 1,62 0,0648 IX 7,24 6,14 32,51 30,89 1,05 15,50 14,91 14,45 0,43 0,85 1,70 0,82 1,64 0,0728 X 7,19 5,97 31,96 30,89 1,03 15,31 14,91 14,31 0,43 0,84 1,68 0,81 1,63 0,0696 XI 7,26 6,03 33,19 30,89 1,07 15,34 14,91 14,53 0,43 0,85 1,71 0,83 1,65 0,0559 XII 6,04 33,48 30,89 1,08 15,53 14,91 14,53 0,43 0,85 1,71 0,83 1,65 0,0683 Prom 7,09 6,05 32,92 30,89 1,07 15,48 14,91 14,46 0,43 0,85 1,70 0,76 1,52 0,0706 M.Sc. Gilberto Sargentón Romero Tang Grados hcalc,m 0,3618 20 0,10 0,3961 22 0,15 0,3663 20 0,14 0,4365 24 0,16 0,3889 21 0,16 0,3699 20 0,15 0,4124 22 0,15 0,3657 20 0,08 0,3883 21 0,10 0,3794 21 0,07 0,3392 19 0,15 0,3760 21 0,17 0,3817 21 0,13 46 �Tesis Doctoral Tabla 13 Levantamiento de la sección transversal. Voladuras de producción .Tramo: Yagrumal-Guaro. Frente: Ojo de Agua-Yagrumal. Sección Ancho ,m Altura,m Sl ,m2 Sp,m2 Kse Pécs,m Pproy.,m Llmedia,m a, m l, m λ,m H ,m H , m ρ tang Grados Hcalc,m I 6,85 6,35 36,05 30,89 1,17 16,60 14,91 15,31 0,46 0,90 1,80 0,10 0,20 0,084 0,419 23 0,31 II 7,45 6,30 35,96 30,89 1,16 23,54 14,91 18,12 0,65 1,07 2,13 0,38 0,76 0,299 0,830 40 0,22 III 7,05 6,20 36,08 30,89 1,17 16,95 14,91 15,29 0,47 0,90 1,80 0,14 0,28 0,109 0,479 26 0,31 IV 7,00 6,28 36,34 30,89 1,18 16,68 14,91 15,26 0,46 0,90 1,80 0,12 0,23 0,093 0,441 24 0,33 V 7,52 6,28 37,16 30,89 1,20 17,62 14,91 15,49 0,49 0,91 1,82 0,18 0,36 0,137 0,541 28 0,36 VI 6,85 6,20 35,45 30,89 1,15 17,92 14,91 15,65 0,50 0,92 1,84 0,19 0,38 0,145 0,558 29 0,25 VII 7,40 6,25 36,71 30,89 1,19 17,55 14,91 15,42 0,49 0,91 1,81 0,18 0,36 0,138 0,543 28 0,33 VIII 7,47 6,25 36,90 30,89 1,19 17,52 14,91 15,44 0,49 0,91 1,82 0,17 0,35 0,134 0,536 28 0,34 IX 7,37 6,25 36,91 30,89 1,19 17,62 14,91 15,49 0,49 0,91 1,82 0,18 0,36 0,138 0,543 29 0,34 X 7,41 6,25 36,79 30,89 1,19 17,51 14,91 15,42 0,49 0,91 1,81 0,18 0,35 0,135 0,537 28 0,34 XI 7,37 6,25 36,93 30,89 1,20 17,67 14,91 15,48 0,49 0,91 1,82 0,18 0,37 0,141 0,550 29 0,34 XII 7,40 6,25 36,71 30,89 1,19 17,55 14,91 15,42 0,49 0,91 1,81 0,18 0,36 0,138 0,543 28 0,33 Promedio 7,26 6,26 36,50 30,89 1,18 17,89 14,91 15,65 0,50 0,92 1,84 0,18 0,36 0,141 0,54 28 0,32 Tabla 14 Levantamiento de la sección transversal. Voladuras Experimentales. Tramo Yagrumal –GuaroFrenteOjo de Agua-Yagrumal Sección Ancho ,m Altura,m Sl ,m2 Sp,m2 Kse Pexc,m Proy.,m Llmedia,m a, m L, m λ,m H ,m H , m ρ I 6,80 6,10 32,57 30,89 1,05 15,37 14,91 14,37 0,43 0,85 1,69 0,06 0,12 0,069 II 5,05 6,10 31,56 30,89 1,02 17,58 14,91 15,83 0,88 1,76 3,52 1,70 3,41 0,111 III 4,80 6,00 31,74 30,89 1,03 17,76 14,91 15,71 0,89 1,75 3,49 1,69 3,38 0,131 IV 4,75 6,30 32,00 30,89 1,04 17,92 14,91 15,75 0,90 1,75 3,50 1,69 3,38 0,138 V 5,20 6,00 31,84 30,89 1,03 17,63 14,91 15,90 0,88 1,77 3,53 1,71 3,42 0,109 VI 5,35 6,05 32,27 30,89 1,04 17,74 14,91 15,82 0,89 1,76 3,51 1,70 3,40 0,122 VII 5,10 6,25 33,29 30,89 1,08 18,17 14,91 16,07 0,91 1,79 3,57 1,73 3,45 0,131 VIII 5,05 6,25 31,93 30,89 1,03 18,11 14,91 15,98 0,91 1,78 3,55 1,72 3,43 0,133 IX 5,35 6,20 32,36 30,89 1,05 17,93 14,91 15,94 0,90 1,77 3,54 1,71 3,43 0,125 X 4,85 6,10 31,72 30,89 1,03 17,87 14,91 15,82 0,89 1,76 3,54 1,70 3,40 0,130 XI 4,95 6,35 32,05 30,89 1,04 17,90 14,91 15,93 0,89 1,77 3,54 1,71 3,43 0,123 XII 4,90 6,15 32,46 30,89 1,05 18,01 14,91 15,87 0,90 1,76 3,53 1,70 3,41 0,135 Prom 5,18 6,15 32,15 30,89 1,04 17,67 14,91 15,75 0,85 1,69 3,38 1,57 3,14 0,121 M.Sc. Gilberto Sargentón Romero Tang Grados hcalc,m 0,378 21 0,11 0,483 26 0,04 0,527 28 0,05 0,544 29 0,06 0,478 26 0,05 0,508 27 0,08 0,528 28 0,13 0,533 28 0,06 0,515 27 0,08 0,526 28 0,05 0,512 27 0,06 0,537 28 0,09 0,506 27 0,07 47 �Tesis Doctoral IV.5.1 Planificación de las voladuras experimentales. Introducción. En el marco teórico de esta tesis se ha expuesto el basamento experimental que ha caracterizado a la ciencia de la fragmentación de rocas, su desarrollo actual se orienta a sostener esta tendencia, por lo cual fue preciso emprender acciones en esta dirección no solo con el objetivo único de validar el modelo teórico que se expone, sino como una herramienta fundamental para enriquecer el propio modelo teórico. El fundamento científico del diseño y de la planificación experimental es la teoría matemática del experimento tratada por diversos autores de las ciencias mineras Mindely (1974), Mitrofanov et al (1982),Gusiev y Sheremiet (2005), Porotov (2006) y de las ciencias matemáticas, Blaisdell,(1993); Guerra Bustillo et al (2003) y Skobelina ,Liubek y Katisheva (2005). El diseño y la planificación experimental que se exponen en la tesis se fundamentan en los principios que exponen estos autores y los principios surgidos en el proceso mismo de los experimentos realizados que se adecuan a las particularidades de las voladuras experimentales en el laboreo de excavaciones subterráneas. Los experimentos se realizaron con los objetivos siguientes: • Confirmar la validez de los cálculos de las cargas con espacio anular de aire en la voladura de contorno y conjuntamente con ello establecer la relación adecuada del índice de aproximación de las cargas como parámetro fundamental de este método de voladura en las condiciones de investigación. • Corroborar el modelo teórico de calculo de los parámetros de los cueles de cuña y recto, este último en sus dos versiones con uno o dos taladros de compensación. • Precisar el cálculo de la línea de menor resistencia como parámetro clave de los barrenos de arranque. IV.5.1.1 Diseño de los experimentos. Para el cumplimiento de los tres principios fundamentales del diseño de la experimentación (repetición, aleatoriedad y control local) (Guerra Bustillo et al ,2003) M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 48 �Tesis Doctoral se replicó al menos una vez los experimentos con el objetivo de realizar una correcta evaluación de la varianza. Para lograr voladuras aleatorias las mismas se realizaron en los siguientes frentes: Ojo de Agua – Yagrumal, Ojo de Agua – Serones, Serones – Ojo de Agua y Guaro-Serones. La valoración de la información planteada por los autores más arriba señalados permitió seleccionar el método más adecuado de diseño, dentro del propio método estadístico que consistió en la experimentación factorial. Se planificaron, diseñaron y realizaron voladuras experimentales para el conjunto de barrenos (cuele y ayudantes de cuele, arranque y contorno), y especialmente los cueles en cuña y cueles rectos cilíndricos con uno y dos taladros de compensación. IV.5.2 Metodología para el diseño y planificación de los experimentos. La metodología para el diseño y la planificación de las voladuras experimentales de cada grupo del conjunto de barrenos es la siguiente: IV.5.2.1 Diseño de los experimentos en los barrenos de cuele. Cuele cilíndrico con un taladro de compensación. El experimento se planifica para validar la distancia racional entre los centros del barreno cargado y el taladro vacío B con un coeficiente de llenado del mismo kll que permita el máximo aprovechamiento del barreno. Es por ello que la función de respuesta es el aprovechamiento de los barrenos η y reformula una tarea de optimización. Los dos factores de los que depende la función de respuesta son: X1- distancia entre el barreno y el taladro de compensación, B en m X2 – coeficiente de llenado del barreno, kll. La zona de definición de los factores El factor X1 tiene dos niveles de variación: , X 1i , X 1s Nivel principal: se establece a partir del valor teórico de este parámetro que se determina según el modelo matemático de cálculo en este caso se determina por la expresión (127). Para el gabro presente en el tramo Yagrumal –Guaro: Rtrit = 124 mm Por lo que B=175 mm. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 49 �Tesis Doctoral El intervalo de variación de este factor es ΔX 1 = d barreno = 21 mm 2 Nivel Superior: X 1s = X 10 + ΔX 1 = 175 + 21 ≈ 195 mm Nivel Inferior : X 1i = X 10 − ΔX 1 = 175 − 21 ≈ 155 mm. El factor X2 tiene también dos niveles de variación: X 2s , X 2i Por la particularidad de este factor fue establecido a partir del criterio del resultado de una voladura normal con los siguientes valores: Nivel principal: X 20 = 0,85 ; Nivel superior: X 2s = 0,90 ;Nivel inferior: X 2i = 0,80 La cantidad de ensayos o pruebas se determinó por la expresión (Mitrofanov et al,1974; Mindely,1974; Blaisdell (1993); Gusiev y Sheremiet (2005) y Porotov (2006): N = nP k (169) Donde: N- es la cantidad de ensayos o pruebas n – es la cantidad de réplicas P – es la cantidad de niveles de variación K – es la cantidad de factores Para esta planificación se obtiene: N=8 En las tablas 15 y 16 se muestra la matriz de planificación y codificación de los experimentos del cuele cilíndrico con un taladro de compensación. Cuele cilíndrico con dos taladros de compensación. El experimento se planifica para validar la distancia racional entre los centros del barreno cargado y el taladro vacío B y la distancia entre los centros de los taladros de compensación htaladro a partir de un coeficiente de llenado del barreno kll que permita el máximo aprovechamiento del mismo. Es por ello que la función de respuesta es el aprovechamiento de los barrenos η y plantea la tarea de optimización de maximizar este indicador. Los tres factores de los que depende la función de respuesta son: X1- distancia entre el barreno y el taladro de compensación, B en mm X2 – coeficiente de llenado del barreno, kll. X3 - distancia entre los centros de los taladros de compensación, htaladro, mm M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 50 �Tesis Doctoral Matriz de planificación y codificación de los experimentos Diseño de la experimentación del cuele recto con un taladro de compensación Tabla 15 Descripción de los factores y sus intervalos de variación. Factor Denominación Unidad de Nivel medida principal Intervalo Nivel de Superior variación (+1) Distancia entre X1 mm 175 21 el barrenos y el taladro , B Coeficiente de X2 _ 0,90 0,05 carga del barreno, kll Tabla 16 Niveles de los factores e intervalos de variación. Niveles de factores y número de ensayos X1 X2 Nivel principal Xi = 0 Intervalo de variación ΔX Nivel superior (Xi =+1) Nivel inferior (Xi =-1) Nº del ensayo 1 2 3 4 5 6 7 8 M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 175 21 195 155 0,85 0,05 0,90 0,80 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 Nivel Inferior (-1) 195 154 0,95 0,85 51 �Tesis Doctoral La zona de definición de los factores El factor X1 tiene dos niveles de variación: , X 1i , X 1s Nivel principal: se establece a partir del valor teórico de este parámetro que se determina según el modelo matemático de cálculo en este caso se determina por la expresión (127). Para las calizas masivas del tramo Yagrumal –Guaro, frente Ojo de Agua-Yagrumal: Rtrit = 177 mm y entonces B=228 mm El intervalo de variación de este factor es ΔX 1 = d barreno = 21 mm 2 Nivel Superior: X 1s = X 10 + ΔX 1 = 228 + 21 ≈ 250 mm Nivel Inferior: X 1i = X 10 − ΔX 1 = 228 − 21 ≈ 205 mm. El factor X2 tiene también dos niveles de variación: X 2s , X 2i Por la particularidad de este factor fue establecido a partir del criterio del resultado de una voladura normal con los siguientes valores: Nivel principal: X 20 = 0,85 ;Nivel superior: X 2s = 0,90 ;Nivel inferior: X 2i = 0,80 El factor X3 tiene también dos niveles de variación: X 3s , X 3i Por la particularidad de este factor fue establecido a partir del criterio la rotura del tabique central entre los taladros de compensación con los siguientes valores: Nivel principal: X 30 = 145 ;Nivel superior: X 3s = 165 ;Nivel inferior: X 3i = 125 La cantidad de ensayos o pruebas será: N = 2.3 2 = 16 En la tablas 17 y 18 se muestra la matriz de planificación del experimento del cuele recto con dos taladro de compensación. IV.5.2.2 Diseño de las voladuras experimentales de los barrenos de contorno. El experimento se planifica para validar la distancia racional entre los centros de los barrenos de contorno acontorno, para lo cual se concibe la carga de los barrenos de contorno como una carga con espacio anular de aire, con un coeficiente de llenado del mismo kll que permita obtener la sobreexcavación y rugosidad permisibles y alcanzar la condición de estabilidad del contorno por desprendimiento de pedazos. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 52 �Tesis Doctoral Diseño de los experimentos del cuele recto con dos taladros de compensación. Tabla 17 Descripción de los factores y sus intervalos de variación. Factor Denominación Unidad Nivel de principal medida Distancia entre el X1 mm. 175 barreno y el taladro de compensación , B Coeficiente de llenado X2 0,85 del barreno ,kll Distancia entre los X3 mm. 145 taladros de compensación , htaladro Tabla 18 Niveles de los factores e intervalos de variación. X1 X2 Nivel principal Xi = 0 Intervalo de variación ΔX Nivel superior (Xi =+1) Nivel inferior (Xi =-1) Nº del ensayo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 175 20 195 155 M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 0,85 0,05 0,90 0,80 + + + + + + + Intervalo de variación 20 Nivel superior (+) 195 Nivel Inferior (-) 155 0,05 0,90 0,80 20 165 125 X3 145 20 165 125 + + + + + + + + + + + + + + + + - 53 �Tesis Doctoral Es por ello que la función de respuesta es la sobreexcavación μ Los dos factores de los que depende la función son: X1- distancia entre barrenos, acontorno. X2 – coeficiente de aproximación de las cargas La zona de definición de los factores El factor X1 tiene dos niveles de variación: X 1s , X 1i Diseño de los experimentos del cuele recto con dos taladros de compensación. Nivel principal: se establece a partir del valor teórico de este parámetro que se determina según el modelo matemático de cálculo en este caso se determina por la expresión (145). Para los gabros del tramo Yagrumal –Guaro, frente Ojo de Agua –Serones este valor es X 10 = 620 mm El intervalo de variación de este factor es ΔX 1 = d c arg a = 32 mm Nivel Superior: X 1s = X 10 + ΔX 1 = 620 + 32 ≈ 650 mm Nivel superior: X 1i = X 10 − ΔX 1 = 620 − 32 ≈ 590 mm. El factor X2 tiene también dos niveles de variación: X 21 , X 2−1 Por la particularidad de este factor fue establecido a partir de valores de la práctica de las voladuras de contorno con los siguientes valores: Nivel principal: X 20 = 1,0 ;Nivel superior: X 2s = 1,2 ;Nivel inferior: X 2i = 0,80 Y la cantidad de ensayos o pruebas es N = 2.2 2 = 8 . En las tablas 19 y 20 se ofrece la matriz de planificación y codificación de los experimentos en los barrenos de contorno. IV.5.2.3 Diseño de las voladuras experimentales de los barrenos de arranque El experimento se planifica para validar la distancia racional entre el centro del barreno de arranque y la superficie libre creada por los barrenos de cuele W0 , se utiliza carga compacta en estos barrenos, con un coeficiente de llenado del mismo kll que permita obtener el cráter de lanzamiento normal (n = 1) . Es por ello que la función de respuesta es el coeficiente de aprovechamiento de los barrenos. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 54 �Tesis Doctoral Diseño de los experimentos de los barrenos de contorno. Tabla 19 Descripción de los factores y sus intervalos de variación. Factor Código Unidad de medida mm. Nivel principal Intervalo de variación 32 Distancia entre los X1 620 centros de los barrenos de contorno , a contorno Coeficiente de X2 --1 0,2 aproximación de las cargas mcontorno Tabla 20 Matriz de planificación y codificación de los ensayos. X1 X2 Nivel principal Xi = 0 Intervalo de variación ΔX Nivel superior (Xi =+1) Nivel inferior (Xi =-1) Nº del ensayo 1 2 3 4 5 6 7 8 M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 620 32 650 590 Nivel superior (+) 650 Nivel inferior (-) 590 1,2 0,8 1 0,2 0,80 1,20 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 55 �Tesis Doctoral Los dos factores de los que depende la función son: El factor X1 tiene dos niveles de variación: X 1s , X 1i Nivel principal: se establece a partir del valor teórico de este parámetro que se determina según el modelo matemático de cálculo en este caso se determina por las expresiones (116) y (147). X1- línea de menor resistencia de los barrenos de arranque, Wo X2 – coeficiente de llenado del barreno, k llenado La zona de definición de los factores: Para los gabros este valor es X 10 = 950 mm El intervalo de variación de este factor es ΔX 1 = 2d barreno = 80 mm Nivel Superior: X 1s = X 10 + ΔX 1 = 950 + 80 = 1030 mm Nivel superior: X 1i = X 10 − ΔX 1 = 950 − 80 = 870 mm. El factor X2 tiene también dos niveles de variación: X 2s , X 2i Por la particularidad de este factor fue establecido a priori con los siguientes valores: Nivel principal: X 20 = 0,85 ;Nivel superior: X 2s = 0,90 ;Nivel inferior: X 2i = 0,80 . Para lo que la cantidad de ensayos o pruebas es: N = 2.2 2 = 8 En las tablas 21 y 22 se muestra la matriz de planificación de las voladuras experimentales realizadas en los barrenos de arranque. Las matrices de planificación y codificación de los restantes experimentos aparecen en el anexo IV.5.3 Análisis estadístico de los resultados de las voladuras experimentales. Los resultados de los principales indicadores de las voladuras experimentales realizadas en los tramos de túneles Ojo de Agua-Serones y Ojo de Agua –Yagrumal del trasvase Este-Oeste fueron tabulados y se presentan en las tablas 23 y 24. Los resultados de estos cálculos para todas las voladuras experimentales realizadas en las restantes excavaciones en investigación en las minas y trasvases restantes se muestran en las tablas 1, 2, 3,4 y 5 del ANEXO 11. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 56 �Tesis Doctoral Tabla 21 Matriz de planificación y codificación de los experimentos de los barrenos de arranque con cargas compactas. Factor Código Unidad Nivel de principal medida mm 950 Intervalo Nivel de superior variación (+) 80 1030 Línea de menor X1 resistencia de los barrenos de arranque, Warr Coeficiente de llenado X2 --0,85 0,05 del barreno k ll Tabla 22 Matriz de planificación y codificación de los ensayos. X1 X2 Nivel principal Xi = 0 Intervalo de variación ΔX Nivel superior (Xi =+1) Nivel inferior (Xi =-1) Nº del ensayo 1 2 3 4 5 6 7 8 M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 950 80 1030 870 0,90 Nivel inferior (-) 870 0.80 0,85 0,05 0,90 0,80 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 57 �Tesis Doctoral Tabla 23 Principales indicadores de las voladuras experimentales Trasvase Este-Oeste. Nº Parámetros Principales 1 Avance del frente Longitud de los barrenos Cantidad Total de Barrenos De cuele Ayudantes de cuele De cuele vacío (taladro de 102mm de Ø) De arranque De contorno De piso Carga barrenos de cuele Carga barrenos ayudantes de cuele Carga barrenos de arranque Carga barrenos de contorno Carga barrenos de piso 2 Extensión del montón de rocas 3 Gasto de SE Gasto específco volumétrico de SE 4 Volumen de roca arrancada in situ 5 Coefic. Aprovechamiento de los barrenos 6 Area de laboreo de la excavación Area de proyecto de la excavación 7 Coeficiente de sobreexcavación 8 Metraje de barrenación Metraje específico de barrenación 9 Gasto de detonadores Gasto específco de detonadores Símbolo UM La m Lb m Nb Unid Nc Unid Nac Unid Ncv Unid Na Unid Ncont Unid Np Unid Qbc Kg Qbac Kg Qba Kg Qbco Kg Qbp Kg Lm m Qse Kg Qvse Kg/m3 Vr m3 CAB % Sl m2 Sp m2 Ks Mba m Mbev m/m3 Qdet Unid Qdetl Unid/m M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 1 2,80 3,35 67 6 9 2 20 21 9 3 3 2,5 1,5 3 9 153,5 1,68 54,82 91,20 0,84 32,57 30,89 1,05 224,5 80,16 2,46 Tramo :Yagrumal –Guaro Voladuras Experimentales 2 3 4 5 2,70 2,75 2,85 2,84 3,35 3,35 3,35 3,35 67 67 68 68 6 6 6 6 9 9 9 9 2 2 2 2 20 20 20 20 21 21 22 22 9 9 9 9 3 3 3 3 3 3 3 3 2,5 2,5 3 3 1,5 1,5 2 2 3 3 3 3 6,4 7,5 10 8,2 153,5 153,5 176 176 1,80 1,76 1,93 1,95 56,85 55,82 61,75 61,97 85,21 87,29 91,21 90,42 0,81 0,82 0,85 0,85 31,56 31,74 32,00 31,84 30,89 30,89 30,89 30,89 1,02 1,03 1,04 1,03 224,5 224,5 228 227,8 83,13 81,62 79,93 80,21 2,63 2,57 2,50 2,52 Frente:Ojo de Agua -Yagrumal 6 2,73 3,35 68 6 9 2 20 22 9 3 3 3 2 3 9 176 2,00 64,47 88,10 0,81 32,27 30,89 1,04 227,8 83,44 2,59 7 2,83 3,35 66 6 9 2 20 20 9 4 3 3 2 3 8,4 178 1,89 62,90 94,20 0,84 33,29 30,89 1,08 221 78,13 2,35 8 2,87 3,35 66 6 9 2 20 20 9 4 3 3 2 3 9,2 178 1,94 62,02 91,63 0,86 31,93 30,89 1,03 221,1 77,04 2,41 9 10 11 2,90 2,89 2,91 3,35 3,35 3,35 66 68 68 6 6 6 9 9 9 2 2 2 20 20 20 20 22 22 9 9 9 4 4 4 3 3 3 3 3 3 2 2 2 3 3,5 3,5 9,4 9,7 9,5 178 186,0 186,5 1,90 2,03 2,00 61,38 64,5 64,09 93,85 91,6 93,26 0,87 0,86 0,87 32,36 31,7 32,05 30,89 30,8 30,89 1,05 1,03 1,04 221,1 227,8 227,8 76,24 78,82 78,28 2,36 2,49 2,44 12 2,9 3,35 68 6 9 2 20 22 9 4 3 3 2 3,5 10 186,5 2,01 64,31 92,94 0,87 32,05 30,89 1,04 227,8 78,55 2,45 58 �Tesis Doctoral Tabla 24 Principales indicadores de las voladuras experimentales Trasvase Este-Oeste. Nº 1 2 4 5 6 7 8 9 Tramo :Yagrumal –Guaro Frente:Ojo de Agua –Serones Voladuras Experimentales Parámetros Principales Símbolo UM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Avance del frente la m 2,85 2,75 2,87 2,89 2,90 2,91 2,94 2,89 2,95 Longitud de los barrenos lb m 3,35 3,35 3,35 3,35 3,35 3,35 3,35 3,35 3,35 Cantidad Total de Barrenos Nb Unid 71 71 71 71 71 71 71 71 71 De cuele Nc Unid 6 6 6 6 6 6 6 6 6 Ayudantes de cuele Nac Unid 9 9 9 9 9 9 9 9 9 De cuele vacío (taladro de 102mm de Ø) Ncv Unid 2 2 2 2 2 2 2 2 2 De arranque Na Unid 24 24 24 24 24 24 24 24 24 De contorno Ncont Unid 23 23 23 23 23 23 23 23 23 De piso Np Unid 7 7 7 7 7 7 7 7 7 Carga barrenos de cuele Qbc Kg 3 3 3 3 3 3 4 4 4 Carga barrenos ayudantes de cuele Qbac Kg 3 3 3 3 3 3 3 3 3 Carga barrenos de arranque Qba Kg 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 Carga barrenos de contorno Qbco Kg 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 Carga barrenos de piso Qbp Kg 3 3 3 3 3 3 3 3 3 Gasto de Sustancia Explosiva Qse Kg 9,0 6,4 7,5 10,0 8,2 9,0 8,4 9,2 9,4 Gasto específco de sustancia explosiva Qvse Kg/m3 160,5 160,5 160,5 161 161 160,5 166,5 166,5 166,5 Volumen de roca arrancada in situ Vr m3 1,74 1,76 1,69 1,66 1,66 1,66 1,71 1,80 1,74 Coefic. Aprovechamiento de los barrenos CAB % 56,32 58,36 55,92 55,54 55,34 55,15 56,63 57,61 56,44 Area de laboreo de la excavación Sl m2 92,17 91,33 94,71 96,41 96,89 96,70 97,64 92,71 95,90 Area de proyecto de la excavación Sp m2 0,85 0,82 0,86 0,86 0,87 0,87 0,88 0,86 0,88 Coeficiente de sobreexcavación Ks 32,34 33,21 33,00 33,36 33,41 33,23 33,21 32,08 32,51 Metraje de barrenación Mb m 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 Metraje específico de barrenación Mbe m/m3 1,05 1,08 1,07 1,08 1,08 1,08 1,08 1,04 1,05 Gasto de detonadores Qdet Unid 237,9 237,9 237,9 238 238 237,85 237,85 237,85 237,85 Gasto específco de detonadores Qdete Unid/m 83,46 86,49 82,87 82,30 82,02 81,74 80,90 82,30 80,63 M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 10 2,96 3,35 71 6 9 2 24 23 7 4 3 2,5 1,5 3 9,7 166,5 1,76 56,25 94,60 0,88 31,96 30,89 1,03 237,9 80,35 11 12 2,94 2,95 3,35 3,35 71 71 6 6 9 9 2 2 24 24 23 23 7 7 4 4 3 3 2,5 2,5 1,5 1,5 3 3 9,5 10,0 166,5 166,5 1,71 1,69 56,63 56,44 97,58 98,77 0,88 0,88 33,19 33,48 30,89 30,89 1,07 1,08 237,9 237,85 80,90 80,63 59 �Tesis Doctoral La representación gráfica de los histogramas que muestran el comportamiento de los principales indicadores de las voladuras experimentales se muestra en las figuras 1, 2, 3, 4,5 y 6 del ANEXO 12. En las figuras 31 y 32 se muestran los registros fotográficos del contorneado obtenido con voladuras experimentales en brechas de calizas y brechas de gabro respectivamente en los frentes Ojo de Agua-Yagrumal y Ojo de Agua –Serones. Y en las figuras 1,2 y 3 del ANEXO 13 el registro del contorneado obtenido en las voladuras experimentales en los emboquilles de los frentes Serones-Ojo de Agua y Serones-Guaro en brechas de gabro y Manacal-Castellanos en serpentinitas pardo verdosas. En la figura 33 se expone el plano del pasaporte de las voladuras experimentales realizadas en el frente Ojo de Agua-Serones y en el ANEXO 14 en las figuras 1,2,3 y 4 los demás planos de los pasaportes de las voladuras experimentales en las minas y trasvases en investigación. IV.5.3.1 Modelo matemático de la ecuación de enlace Se plantea la condición de obtener un modelo lineal de la ecuación de enlace multidimensional o función de respuesta. . (Porotov, 2006). La función desconocida de respuesta se representa como un polinomio de primer grado de la forma: y = bo + b1 x1 + b2 x 2 + .......... + b j x j (170) Esta ecuación para los problemas que se resuelven en cada conjunto de barrenos adquiere la forma específica siguiente: En el cuele recto con un barreno de compensación: η = bo + b1 B + b2 k ll (171) En el cuele recto con dos taladros de compensación: η = bo + b1 htaladro + b2 k ll (172) En los barrenos de contorno: μ = b0 + b1 a cont + b2 mcont (173) En los barrenos de arranque: n = bo + b1Warr + b2 k ll (174) La determinación de los coeficientes se realiza por las ecuaciones: N bi = ∑y a i =1 N ∑a i =1 donde: N- i ij (175) 2 ij es la M.Sc. Gilberto Sargentón Romero cantidad de experimentos 60 �Tesis Doctoral Figura 31 Registro fotográfico del contorneado obtenido con voladuras experimentales en brechas de calizas. Frente:Ojo de Agua-Yagrumal.Túnel Yagrumal-Guaro. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 61 �Tesis Doctoral Figura 32 Registro fotográfico del contorneado obtenido con voladuras experimentales en brechas de gabro. Frente:Ojo de Agua-Serones.Túnel Yagrumal-Guaro. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 62 �Tesis Doctoral yi – valor de la función objetivo aji – valor del nivel del factor j en el experimento i; j = 0, 1,2,….., k. Para el término libre boj = 0 y entonces: N bo = ∑y i i =0 (176) N En las tablas 25, 26,27 y 28 aparecen los resultados de los experimentos para cada grupo del conjunto de barrenos, el tratamiento estadístico para obtener la ecuación de regresión y la propia ecuación de regresión. En las figuras 30a, 30b, 30c y 30d se muestran respectivamente los campos y las curvas de correlación entre la variable objetivo y cada uno de los factores del cuele recto con dos taladros de compensación, el cuele recto con un taladro de compensación, los barrenos de arranque y de contorno. Para verificar la adecuación del modelo asumido se utiliza el criterio de Fisher (F) (Mindely, 1975 y Gusiev y Sheremiet, 2005)) que se determina por la expresión: F= Sad2 S(2y ) (177) donde: Sad2 - es la dispersión de la adecuación N S ad2 = N ∑ Δq i =1 (178) f ∑ Δq 2 i i =1 2 i (179) = Δq12 + Δq22 + .......... + ΔqN2 ; donde: N ∑ Δq - es la suma residual de cuadrados i =1 2 i (180) Δqi2 = (qi − qˆï ); donde: qi - son los valores experimentales de la función de respuesta; qˆï - son los valores de cálculo de la función de respuesta según las ecuaciones (171-174). f S(2y ) - es el número de grados de libertad para Sad2 - es la M.Sc. Gilberto Sargentón Romero dispersión de la reproducibilidad; 63 �Tesis Doctoral Tabla 25 Resultados del experimento y correlación Diseño de la experimentación del cuele recto con dos taladros de compensación Matriz de planificación y resultados de los experimentos Factor Parámetro de optimización X1 Nivel principal Xi=0 Intervalo de variación ,ΔX Nivel superior Xi = +1 Nivel inferior Xi = - 1 Nº del ensayo 1 2 3 4 5 6 7 8 X2 X3 0,175 0,02 0,195 0,155 0,85 0,05 0,90 0,80 0,145 0,02 0,165 0,125 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 Denominación Y111 Y121 Y211 Y222 Y111 Y122 Y211 Y222 Valor 0,84 0,81 0,82 0,85 0,85 0,81 0,84 0,86 Ecuación de respuesta y = 0,8350 + 0,0075B − 0,0025K ll − 0,0025htal Litología :Caliza masivaFrente:Ojo de Agua-Yagrumal Tabla 26 Resultados de los experimentos y correlación. Diseño de la experimentación del cuele recto con un taladro de compensación Matriz de planificación y resultados de los experimentos Factor Parámetro de optimización X1 X2 Denominación Valor Nivel principal Xi=0 0,175 0,85 Intervalo de variación ,ΔX 0,02 0,05 Nivel superior Xi = +1 0,195 0,90 Nivel inferior Xi = - 1 0,155 0,80 Nº del ensayo 1 -1 -1 Y11 0,85 2 -1 1 Y12 0,82 3 1 -1 Y21 0,86 4 1 1 Y22 0,86 5 -1 -1 Y11 0,87 6 -1 1 Y12 0,87 7 1 -1 Y21 0,88 8 1 1 Y22 0,86 Ecuación de respuesta y = 0,8588 + 0,00635B − 0,00125K ll Litología :Gabro Frente:Ojo de Agua –Serones. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 64 �Tesis Doctoral Tabla 27.Resultados de los experimentos y correlación en la experimentación de los barrenos de arranque. Diseño de la experimentación de los barrenos de arranque Matriz de planificación y resultados de los experimentos Factor X1 X2 Nivel principal Xi=0 0,950 Intervalo de variación ,ΔX 0,08 Nivel superior Xi = +1 1,030 Nivel inferior Xi = - 1 0,870 Nº del ensayo 1 -1 2 -1 3 1 4 1 5 -1 6 -1 7 1 8 1 1,00 0,2 1,20 0,80 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 Parámetro de optimización Denominación Valor Y11 Y12 Y21 Y22 Y11 Y12 Y21 Y22 0,85 0,82 0,86 0,86 0,87 0,87 0,88 0,86 Ecuación de respuesta y = 0,8588 + 0,00625Warr − 0,00625marr Litología :Gabro Frente:Ojo de Agua –Serones. Tabla 28 Resultados de los experimentos y correlación de los barrenos de contorno. Diseño de la experimentación de los barrenos de contorno Matriz de planificación y resultados de los experimentos Factor X1 X2 Nivel principal Xi=0 0,620 Intervalo de variación ,ΔX 0,030 Nivel superior Xi = +1 0,650 Nivel inferior Xi = - 1 0,590 Nº del ensayo 1 -1 2 -1 3 1 4 1 5 -1 6 -1 7 1 8 1 1,00 0,20 1,20 0,80 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 Parámetro de optimización Denominación Valor Y11 Y12 Y21 Y22 Y11 Y12 Y21 Y22 1,05 1,02 1,03 1,04 1,03 1,04 1,08 1,03 Ecuación de respuesta y = 1,04 + 0,0050a cont − 0,0075marr Litología :Gabro. Frente:Ojo de Agua –Yagrumal. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 65 �Tesis Doctoral Experimentos cuele recto con dos taladros de compensación Correlación entre el aprovechamiento y el coeficiente de llenado del barreno Aprovechamiento de los barrenos = -0,1882+2,4513*x-1,4583*x^2 Experimentos en cuele recto con dos taladros de compensación Correlación entre aprovechamiento de los barrenos y distancia entre el barreno y el taladro de compensación 0,845 Aprovechamiento de los barrenos = 0,5666+3,2023*x-9,2938*x^2 0,845 0,844 Aprovechamiento de los barrenos 0,844 Aprovechamiento de los barrenos 0,843 0,842 0,841 0,840 0,839 0,838 0,843 0,842 0,841 0,840 0,839 0,838 0,837 0,837 0,836 0,836 0,835 0,150 0,835 0,78 0,155 0,160 0,165 0,170 0,175 0,180 0,185 0,190 0,195 0,80 0,82 0,84 0,86 0,88 0,90 0,92 Coeficiente de llenado del barreno,Kll 0,200 Distancia entre el barreno y el taladro de compensación B,m Gráfico 1 Gráfico 2 Experimentos en cuele con dos taladros de compensación. Correlación entre el aprovechamiento de los barrenos y la distancia entre los taladros de compensación Aprov echamiento de los barrenos = 0,65+2,7248*x-9,6445*x^2 Aprovechamiento de los barrenos 0,845 0,844 0,843 0,842 0,841 0,840 0,839 0,838 0,837 0,836 0,835 0,120 0,125 0,130 0,135 0,140 0,145 0,150 0,155 0,160 0,165 0,170 Distancia entre los taladros de compensación htaladro,m Gráfico 3 Figura 34a. Campos y curvas de correlación de los experimentos en el cuele recto con dos taladros de compçensación. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 66 �Tesis Doctoral 0,861 0,860 Experimentos en cuele con un taladro de compensación. Correlación entre el aprov echamiento del barreno y el coef iciente de llenado.Túnel :Ojo de Agua-Serones. Aprov echamiento de los barrenos = 1,1358-0,6321*x+0,3546*x^2 0,862 Aprovechamiento de los barrenos Aprovechamiento de los barrenos Experimentos en cuele recto con un taladro de compensación Correlación entre el aprov echamiento del barreno y la distancia entre barreno y el taladro de compensación Túnel Ojo de Agua-Serones 0,862 0,859 0,858 0,857 0,856 0,855 0,854 0,853 0,150 0,160 0,155 0,170 0,165 0,180 0,175 0,190 0,185 0,200 0,195 Distancia entre el barreno y el taladro de compensación B,m Gráfico 4 0,861 0,860 0,859 0,858 0,857 0,856 0,855 0,854 0,853 0,78 0,80 0,82 0,84 0,86 0,88 0,90 0,92 1 Coef iciente de llenado de los barrenos Kll Gráfico 5 Figura 34.b. Campo y curvas de correlación de los experimentos en el cuele recto con un taladro de compensación. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 67 �Tesis Doctoral Experimentos en barrenos de arranque con carga compacta.Correlación: Aprov echamiento de los barrenos v s Coef iciente de aproximación de las cargas.Túnel Ojo de Agua-Serones 0,8598 0,8596 0,8596 0,8594 0,8594 Aprovechamiento de los barrenos Aprovechamiento de los barrenos Experimentos en barrenos de arranque con carga compacta .Correlación aprov echamiento de los barrrenos v ersus Linea de menor resistencia.Túnel Ojo de Agua-Serones 0,8598 0,8592 0,8590 0,8588 0,8586 0,8584 0,8582 0,8580 0,8578 0,8576 0,84 C AB v s W a: 0,86 0,88 y = 0,86268261 - 0,00421760391*x 0,90 0,92 0,94 0,96 0,8590 0,8588 0,8586 0,8584 0,8582 0,8580 0,8578 0,98 1,00 1,02 Linea de menor resistencia de los barrenos de arranque,W a Gráfico 1 Correlación linea de menor resistencia versus aprovechamiento del barreno 0,8592 1,04 0,8576 0,75 Correlación C AB v s m arr y = 0,862730913 - 0,0041991018*x 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 Coef iciente de aproximación de las cargas,m arr Gráfico 2 Correlación aprovechamiento de los barrenos versus coeficiente de aproximación de las cargas. Figura 34.c. Campo y curvas de correlación de los experimentos en los barrenos de arranque. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 68 �Tesis Doctoral Experimentos en barrrenos de contorno con cargas desacopladas. Correlación entre el coef iciente de sobreexcav ación y el coef iciente de aproximación de las cargas de los barrenos de contorno m cont 1,044 Correlación: μ v s m arr : r = -0,4120; y = 1,04506353 - 0,00859022556*x 1,042 Coeficiente de Sobreexcavación Coeficiente de Sobreexcavación 1,042 1,040 1,038 1,036 1,034 1,032 0,75 Experimentos en barrrenos de contorno con cargas desacopladas. Correlación entre el coef iciente de sobreexcav ación y el coef iciente de aproximación de las cargas de los barrenos de contorno m cont 1,044 Correlación: μ v s m arr : r = -0,4120; y = 1,04506353 - 0,00859022556*x 1,040 1,038 1,036 1,034 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 Coef iciente de aproximación de las cargas Gráfico 1 Correlación coeficiente de sobreexcavación versus distancia entre barrenos de contorno 1,25 1,032 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 Coef iciente de aproximación de las cargas Gráfico 2.Correlación coeficiente de sobreexcavación versus coeficiente de aproximación de las cargas. Figura 34 d. Campo y curvas de correlación del experimento de los barrenos de contorno. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 69 �Tesis Doctoral N S 2 ( y) = ∑S i =1 N 2 i ∑f i =1 (181) i Si2 - es la dispersión del valor de la función de respuesta en el experimento i Si2 = (qi − qm ) 2 (182) fi - es el número de grados de libertad en la voladura experimental i f i = ni − 1 (183) ni - cantidad de ensayos paralelos en la voladura experimental i Al aplicar el criterio de Fisher se comprobó la adecuación del modelo con probabilidad de confianza correspondiente por lo que no se rechaza la hipótesis estadística. IV.5.4 Evaluación de los impactos producidos por la investigación Tecnológicos: el diseño más racional de la voladura de contorno a partir de los criterios que se proponen permite alcanzar contornos más estables debido a la reducción de las deformaciones producidas por la voladura, además de reducir la sobreexcavación y los consumos de hormigón lanzado y lograr una mejor aplicación de esta tecnología. Se reduce la operación de saneo o perfilado del contorno al obtener contornos más regulares (con menos entrantes y salientes) y techos y lados menos fisurados y fracturados. Económicos: la evaluación del impacto económico producido por la aplicación de los nuevos criterios de diseño de las voladuras que se proponen, se realizó considerando los criterios de Lijin et al (1973),Utkina (2003),Fedchenko et al (2004),Iseeva(2003) y de Mossakovsky (2004a,2004b), los cuales permitieron elaborar el procedimiento para evaluar el impacto económico (ver anexo) que se adecua más a las condiciones de Cuba. Los cálculos se realizaron con el programa informático EvalImpacEco en Excel sobre Windows XP (Sargentón ,2007d) y se muestran en el procedimiento de cálculo (tablas 1, 2, 3,4 y 5 del ANEXO 14), en total el impacto significa un ahorro económico anual de $2 189 885 pesos, la distribución del mismo por las minas y trasvases se muestra en las tablas 29,30 y 31 y se representa gráficamente en las figuras 31 y 32. Sociales: mayor seguridad de los trabajadores al disminuir la probabilidad de accidentes por desprendimientos de pedazos de rocas del techo y los lados de las excavaciones y mayores niveles de higiene y seguridad en los frentes de avance de las excavaciones. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 70 �Tesis Doctoral Tabla 29 Ahorros por reducción de la sobreexcavación y de los costos de sostenimiento con hormigón lanzado y con bulones Ahorros por reducción de: Costo en el sostenimiento Nº Mina,Trasvase sobreexcavación sobregasto en el Total por obras Avance anual Efecto anual con hormigón bulonado % Pesos/m % Pesos/m % Pesos/m % Pesos/m m Pesos 1 Mercedita 3,84 6,46 0,00 0,00 0,00 0,00 3,84 6,46 1368 8834 2 Amores 0,24 0,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,24 0,50 228 113 3 El Cobre 3,89 9,34 0,00 0,00 0,00 0,00 3,89 9,34 576 5379 4 Caney- Gilbert 4,54 31,32 4,61 31,79 2,86 19,71 12,00 82,82 1656 137149 5 Ojo de Agua-Yagrumal 4,45 41,18 4,31 39,91 2,56 23,70 11,32 104,79 540 56589 6 Ojo de Agua-Serones 3,97 36,75 3,69 34,14 1,94 17,93 9,59 88,82 720 63948 7 Esperanza-En medio 4,19 38,79 4,33 40,11 2,58 23,91 11,10 102,81 468 48116 8 Túnel de Toma 10,45 71,76 8,71 59,81 6,96 47,79 26,11 179,36 708 126984 Total 35,57 236,09 25,64 205,76 16,89 133,04 78,10 574,89 6264 447112 Tabla 30 Ahorros por incremento de avance. Nº Mina,Trasvase 1 2 3 4 5 6 7 8 Mercedita Amores El Cobre Caney- Gilbert Ojo de Agua-Yagrumal Ojo de Agua-Serones Esperanza-En medio Túnel de Toma Total Ahorro por Incremento de avance,m Efecto anual por ciclo Anual Pesos 0,27 154 25951 0,20 113 29286 0,18 101 24294 1,05 603 416409 0,50 286 264466 0,54 309 286245 0,91 524 359768 0,85 490 336355 4,48 2580 1742773 M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 71 �Tesis Doctoral Tabla 31. Ahorros por reducción de la sobreexcavación , de los costos de sostenimiento y por el incremento del avance. Nº Mina,Trasvase 1 2 3 4 5 6 7 8 Mercedita Amores El Cobre Caney- Gilbert Ojo de Agua-Yagrumal Ojo de Agua-Serones Esperanza-En medio Túnel de Toma Total M.Sc. Gilberto Sargentón Romero Ahorro que se produce por la aplicación de los resultados de la investigación, pesos Por reducción de Sobregasto en Sobreexcavación Por incremento de avance Hormigón lanzado Bulonado 8834 0,00 0,00 25951 113 0,00 0,00 29286 5379 0,00 0,00 24294 51860 52643 32647 416409 22239 21550 12800 264466 26457 24579 12912 286245 18154 18773 11189 359768 50805 42345 33833 336355 183 841 159 890 103 380 1 742 773 Total 34785 29400 29672 553558 321054 350193 407884 463339 2 189 885 72 �Tesis Doctoral Efecto económico por reducción de la sobreexcavación y de costos en el sostenimiento 160000 140000 Efecto económico,Pesos 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 Mercedita Amores El Cobre Caney- Gilbert Ojo de AguaYagrumal Ojo de AguaSerones Esperanza-En medio Túnel de Toma Minas y trasvases Figura 35 Ahorro anual por reducción de la sobre excavación y de los costos de sostenimiento. M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 73 �Tesis Doctoral Ahorro económico anual por incremento del avance Ahorro económico,pesos 450000 400000 350000 300000 250000 200000 150000 100000 50000 0 Mercedita Amores El Cobre Caney- Gilbert Ojo de AguaYagrumal Ojo de AguaSerones Esperanza-En medio Túnel de Toma Minas y Trasvases Figura 36 Ahorro anual por incremento del avance en los frentes de excavación M.Sc. Gilberto Sargentón Romero 74 �Anexos Tesis Doctoral Medioambientales: La introducción de los nuevos criterios de diseño de las voladuras implica: la reducción de las fisuras en el macizo rocoso que rodea a la excavación y la dism instalaciones, viviendas y en general sobre la superficie terrestre y niveles más bajosinución de los efectos sísmicos de las voladuras sobre edificaciones contaminación de la atmósfera subterránea por gases tóxicos debido a menores gastos de sustancias explosivas y de medios de explosión. [Sargentón y Terrero,2003; Sargentón , Hinojosa y Rigñack ,2004); Sargentón y Salazar (2005),Colectivo de autores ,2006a ; Colectivo de autores ,2006 b , Rodríguez Córdoba , 2002). IV.6 Conclusiones del capítulo. Se realizaron trabajos de laboratorio para la determinación de las propiedades másicas y mecánicas de las rocas, trabajos de campo que permitieron el estudio del agrietamiento de estos macizos y su caracterización petrográfica y la medición de las dimensiones principales de las excavaciones subterráneas en las minas y trasvases donde se realizaron las investigaciones. El levantamiento de la sección transversal de las excavaciones subterráneas permitió también la evaluación de la sobreexcavación y la rugosidad del contorno. Se diseñaron voladuras experimentales tomando como basamento la teoría matemática del experimento, estas voladuras se realizaron para cada grupo del conjunto de barrenos que integran la voladura en el frente de avance de las excavaciones subterráneas. Los resultados de las voladuras experimentales fueron sometidos a análisis estadístico y verificadas las hipótesis estadísticas de Fisher, Kolmogorov y producidos por la investigación. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Pearson. Por último, se explican los impactos �Anexos Tesis Doctoral CONCLUSIONES M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral CONCLUSIONES. 1. A partir del estudio de las propiedades másicas y mecánicas de las rocas, las características mecánico-estructurales de los macizos rocosos, la modelación del campo tenso-deformacional y el diseño y la ejecución de voladuras experimentales a escala de polígono e industriales se elaboran los criterios para el diseño de voladuras en el laboreo de excavaciones subterráneas que se fundamentan en la modelación de la acción de la explosión sobre el medio rocoso. 2. Tomando como base el diseño y la realización de las voladuras experimentales para investigar la acción de las cargas de sustancia explosiva de los tres grupos del conjunto de barrenos sobre el medio rocoso, se realizó la propuesta de una metodología para el ajuste de los pasaportes de perforación y voladura en el laboreo de excavaciones subterráneas de sección transversal media y pequeña. 3. Los resultados alcanzados con las voladuras experimentales, diseñadas y ejecutadas según los criterios propuestos, permitieron comprobar que se ahorra un total de 2 189 885 pesos por reducción de la sobreexcavación, por reducción de los costos de sostenimiento y por el incremento del avance. 4. La introducción de los nuevos criterios para el diseño de voladuras en el laboreo de excavaciones subterráneas implica la reducción de las fisuras en el macizo rocoso que rodea a la excavación y la disminución de los efectos sísmicos de las voladuras sobre edificaciones ,instalaciones , viviendas y en general sobre la superficie terrestre y niveles más bajos de la contaminación de la atmósfera subterránea por gases tóxicos debido a menores gastos de sustancias explosivas y de medios de explosión. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral RECOMENDACIONES M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral RECOMENDACIONES. 1. Generalizar el empleo de los nuevos criterios para el diseño y la ejecución de voladuras en el laboreo de excavaciones subterráneas con área de la sección transversal pequeña y mediana y las metodologías que se proponen para el ajuste de los pasaportes de perforación y voladura y la realización de las voladuras experimentales. 2. Es preciso continuar las investigaciones para determinar los consumos específicos racionales de sustancia explosiva en la construcción de obras subterráneas y la influencia de las características del agrietamiento en la efectividad de las voladuras. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral PRODUCCIÓN CIENTÍFICA DEL AUTOR ASOCIADO AL TEMA DE TESIS. Publicaciones sobre la temática: 1. Algunas cuestiones sobre la construcción de depósitos de combustibles bajo tierra. Coautor. Revista Minería y Geología. 1-86. 2. Valoración de las características de resistencia de las rocas con el tiempo y bajo la acción de diferentes líquidos. Coautor. Revista Minería y Geología 3-86. 2. Manual de Proyecto de Excavaciones Subterráneas Horizontales. MES. Ciudad Habana.1990.Coautor. 3. Manual de Proyecto de Excavaciones Subterráneas Verticales. MES. Ciudad Habana.1991.Coautor. 4. Sargentón,R.G. y López ,P.O.: Sistema computadorizado para el cálculo de las fortificaciones de las excavaciones mineras subterráneas.Revista Minería y Geología.392. 5. Sargentón, R.G. ,Martinez,G.F., Soffí,M.P.: Perfeccionamiento de la tecnología de los trabajos de perforación y voladura en la Mina Mercedita. Revista Minería y Geología .2- 1993. 6. Sargentón, R.G. , Quiroga S. V. Selección efectiva de cueles al excavar túneles. Memorias II Congreso Cubano de Geología y Minería .1994. 7. Sargentón ,R.G., López P.O.: Producción de explosivos granulados a pie de obra. Memorias X Forum de Ciencia y Técnica.1995. 8. Sargentón, RG., Batista,L.J.:Mecanismo de rotura de las rocas en el cuele en cuña. Revista Minería y Geología ,V.21 n.4, 2005.ISNN 0258 5979. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos 9. Tesis Doctoral Sargentón,R.G.:Proyecto de Construcción de los túneles del Trasvase SabanalamarPozo Azul. Empresa de Investigación y Proyectos Hidráulicos de Holguín “Raudales”.Holguín.2005. 10. Sargentón,R.G.:Criterios para la proyección de voladuras en la excavación de obras subterráneas.CD-ROOM. ISBN:978 959 1605436. III Conferencia Científica Internacional de la Universidad de Holguín.2007. 11. Sargentón,R.G. y Otaño,N.J.:Criterios para la proyección , el cálculo y la ejecución de los cueles rectos o triturantes con taladros de compensación. Minería y Geología V.23 n.4., 2007.ISSN 1993 8012. Presentación de los principales resultados de las investigaciones en eventos y ponencias presentadas en los mismos: Eventos Internacionales. • Primera Conferencia Internacional de Ingeniería Geológica y Minería. Moa.1990. Ponencia: Perfeccionamiento de la tecnología de construcción de excavaciones horizontales en las minas de cromo del nordeste de Holguín. • XIII Congreso Mundial de Minería..Pekin.República Popular China.1990. Ponencia; Study for the use of Exhausted Mines for Other Economic Objectives. • II Simposio Internacional de Minería y Metalurgia. Ciudad Habana.1991. Ponencia: Perfeccionamiento de la tecnología de construcción de las excavaciones subterráneas en la mina “Mercedita” • Segundo Congreso Cubano de Geología y Minería. Santiago de Cuba.1994. Ponencia: Utilización de cueles combinados en la excavación de túneles de sección media. Ponencia: Perfeccionamiento de la tecnología de construcción de las excavaciones de las minas y obras subterráneas de Cuba. • Conferencia Internacional de Ingeniería. CIIMEC-97.Universidad de Holguín.1997. Ponencia : Sistema automatizado para la proyección de obras subterráneas.(SAPOS) • VI Conferencia Internacional de Software para Ingeniería. Universidad de Holguín.1997. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Ponencia: Sistema automatizado para el cálculo de los procesos tecnológicos de construcción de obras subterráneas. • Tercera Conferencia Internacional de Aprovechamiento de Recursos Minerales. CINAREM. Moa.2002. Ponencia : Fundamentación teórico-experimental del mecanismo de rotura de las rocas en el cuele en cuña. • III Conferencia Científica Internacional de la Universidad de Holguín “Oscar Lucero Moya” Holguín.2007. Ponencia: Criterios para la proyección de voladuras en la excavación de obras subterráneas. Eventos Nacionales: Primer Encuentro de técnicos mineros y salineros. Nuevitas, Camagüey.1974. Ponencia : Optimización de los pasaportes de perforación y voladura en las minas Cromita y Cayoguan. Primer Forum Científico-Técnico del Níquel. ISMM. Moa.1981. Ponencia: Perfeccionamiento de los pasaportes de perforación y voladura de las minas Cromita y Cayoguan. Segundo Fórum Científico-Técnico del Níquel.ISMM.Moa.1985. III Conferencia Científico-Metodológica del ISMM.Moa.1983. V Conferencia Científico-Metodológica del ISMM.Moa.1984. Ponencia: Enfoque filosófico de la enseñanza de la construcción subterránea. Primer Evento Provincial Científico-Técnico de la UNAICC.Holguín.1985. • I Conferencia Científico-Técnica del CIPIMM. Ciudad Habana.1986. Ponencia: Utilización de las minas abandonadas de región oriental en otros fines de la economía nacional. • VII Conferencia Científico-Metodológica del ISMM. Moa.1986. Ponencia: Proyecto de ubicación de un frigorífico en la mina Cromita. • VIII Conferencia Científico-Metodológica del ISMM. Moa.1987. Ponencia: Proyecto de ubicación de un socavón docente en el ISMM como vía para desarrollar la base material de estudio. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Primer Tesis Doctoral Encuentro Científico-Técnico “ La Geología y la Minería en la Construcción”.Moa.1987. Ponencia : Estudio de las minas abandonadas del nordeste de la provincia de Holguín para su utilización en otros fines de la Economía Nacional. Forum Nacional Estudiantil de Ciencias Técnicas. Cienfuegos.1989. Ponencia: Sistema computadorizado para el cálculo de las fortificaciones de las excavaciones mineras subterráneas. IX Conferencia Científico-Metodológica del ISMM. Moa.1990. Ponencia: Caracterización de la irregularidad de las excavaciones subterráneas en las microcomputadoras. II Conferencia Científico-Metodológica de Computación del ISMM. Moa.1990. Ponencia: Software para la caracterización de la irregularidad de las excavaciones subterráneas en las microcomputadoras. Activo de Calidad de las Construcciones en la Región Oriental. UCM.1992. Ponencia: Calidad de los trabajos de voladura en la excavación de túneles. IX Forum de Ciencia y Técnica .ECM Nº2. Holguín.1994. Ponencia : Selección efectiva de cueles en la excavación de túneles IX Forum de Ciencia y Técnica. UCM. Ciudad Habana.1994. Ponencia : Selección efectiva de cueles en la excavación de túneles X Forum de Ciencia y Técnica .Estado Mayor Provincial. Holguín.1995. Ponencia: Producción de explosivos granulados a pie de obra. X Forum de Ciencia y Técnica. Ejército Oriental.1995. Ponencia: Producción de explosivos granulados a pie de obra. III Taller de Túneles y Construcción Subterránea. ISMM. Moa.1996. Ponencia : Utilización del atraque en la excavación de túneles. Jornada Científico-Técnica de la Región Oriental.UCM. Mayarí.2007. Ponencia: Criterios para la proyección de voladuras en la excavación de obras subterráneas. XVI Forum de Ciencia y Técnica. Universidad de Holguín. Abril 2008. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Ponencia: Nuevos criterios para la proyección de voladuras en la excavación de túneles hidrotécnicos. Tesis de Maestría en Voladura Para la culminación de la Maestría en Voladura realizada en el Instituto Superior MineroMetalúrgico “Dr. Antonio Núñez Jiménez” el autor presentó y defendió la siguiente tesis: Perfeccionamiento de los trabajos de perforación y voladura en la excavación de túneles en Cuba Oriental. Moa. 1997. Trabajos premiados: 1. Investigación de la Explotación Subterránea de yacimientos minerales pequeños cubanos. Premio al Mérito Científico –Técnico que otorga el ministro del MES.1985. 2. Sistema computadorizado para el cálculo de las fortificaciones de las excavaciones mineras subterráneas. Premio especial del MINBAS.1989. 3. Selección efectiva de cueles al excavar túneles. XIV Forum de Ciencia y Técnica 1994.Unión de Construcciones Militares. Premio Destacado. 4. Propuesta de Tecnología de producción de explosivos granulados a pie de obra. Empresa de Construcciones Militares Nº2. 1995.Premio Relevante. 5. Aplicación de una tecnología para la producción de explosivos granulados a pie de obra. Unión de Construcciones Militares.1995.Premio Destacado. 6. Producción de explosivos granulados a pie de obra. XV Forum de Ciencia y Técnica.1995. Premio Relevante. Ejercito Oriental. 7. Criterios para la proyección de voladuras en la excavación de túneles hidortécnicos. Premio Relevante Jornada Científico-Técnica de la Región Oriental. UCM. Mayarí.2007. 8. Nuevos criterios para la proyección de voladuras en la excavación de obras subterráneas. XVI Forum de Ciencia y Técnica. Universidad de Holguín 2008.Premio Relevante. Trabajos realizados a la producción y los servicios 1. Diseño, proyección y ejecución de voladuras especiales en los tanques de derretido de la Planta de Azufre y Secadero. Fábrica de Níquel Pedro Sotto Alba. Moa. 1992. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral 2. Perforación por voladura de las losas de hormigón de la sección T -26.Empresa de Construcciones Militares.1993. 3. Propuesta de tecnología de excavación de túneles populares mediante voladura en el municipio Moa.1992. 4. Consultoría sobre ejecución de voladura en roca caliza para la toma de muestra tecnológica a la Empresa Cubana de Minería del Este.1997. Tutor de Tesis de Maestría Tema de tesis: Perfeccionamiento de la tecnología de perforación y voladura en la excavación de túneles de sección media.2002. Cursos de Postgrados impartidos. Problemas actuales de la Mecánica de rocas y la Construcción Subterránea.1987. Modelación con materiales equivalentes.1988. Trabajos de laboratorio para la investigación de las propiedades físico-mecánicas de las rocas.1989. Tecnología de Construcción de Empresas Mineras.1989. Fragmentación de rocas por voladura.2006. Elaboración de Programas Informáticos. Sistema Computadorizado para el cálculo de las fortificaciones de las obras subterráneas. Moa.1987. Programa informático para el cálculo de la rugosidad del contorno de las excavaciones subterráneas laboreadas por voladura. ISMM.1988 Sistema Automatizado para la Proyección de Obras Subterráneas (SAPOS).Holguín.1998. Paquete de programas informáticos para el cálculo de voladuras en obras subterráneas. (PPIVOS).Universidad de Holguín.2007 Tutoría de Trabajos de Diplomas. 1. Experimentación de la voladura de contorno en le laboreo de excavaciones en la mina Mercedita.ISMM. Moa.1986. 2. Estudio de la organización del trabajo del laboreo de excavaciones subterráneas horizontales en las minas de cromo refractario del nordeste de la provincia de Holguín. . ISMMM. Moa.1987. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral 3. Estudio de la acción de diferentes líquidos y el tiempo sobre las características de resistencia de las rocas en las minas de cromo de la región Moa-Baracoa.ISMM. Moa.1988. 4. Elección del esquema tecnológico más racional para el laboreo de excavaciones horizontales de las minas de cromo refractario del norte de la provincia de Holguín. ISMMM. Moa.1988. 5. Vías para aumentar la efectividad de la tecnología de laboreo de las excavaciones en la mina Mercedita. ISMMM. Moa.1988. 6. Elaboración de los esquemas tecnológicos racionales de laboreo de las excavaciones mineras horizontales de la mina El Cobre.ISMMM. Moa.1989. 7. Sistema computadorizado para el cálculo de las fortificaciones de las excavaciones subterráneas horizontales. ISMM. Moa.1989. 8. Estudio de la tecnología de laboreo de contrapozos en la mina Mercedita. ISMM. Moa.1991. 9. Perfeccionamiento de los trabajos de perforación y voladura en la construcción de excavaciones horizontales en la mina “El Cobre”.ISMM. Moa.1990. 10. Propuesta de los esquemas tecnológicos de construcción de excavaciones horizontales en la mina Mercedita. ISMMM. Moa.1991 11. Aplicación de la explosión lisa en los túneles del Trasvase Este - Oeste. ISMM. Moa.1992. 12. Perfeccionamiento de los trabajos de perforación y voladura en los túneles del Trasvase Melones - Sabanilla. ISMMM. Moa.1992. 13. Aplicación del hormigón lanzado mediante voladura en túneles de sección media. ISPJAM. Santiago de Cuba.1994. 14. 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Tesis Doctoral �Anexos Tesis Doctoral ANEXOS M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla de Anexos Anexo 1 Valores de las características de resistencia y de las propiedades másicas, acústicas y elásticas y de los parámetros minero-tecnológicos de las litologías objeto de estudio en los macizos rocosos de las minas y trasvases objeto de investigación. Anexo 2 Características del agrietamiento en los macizos objeto de estudio en las minas y trasvases objeto de investigación. Anexo 3 Características de las excavaciones objeto de estudio. Anexo 4 Levantamiento de la sección transversal de las excavaciones subterráneas objeto de estudio Anexo 5 Comportamiento de los indicadores de las voladuras de producción (base) en las minas y trasvases objeto de investigación. Anexo 6 Gráficos del comportamiento de los indicadores de las voladuras de producción (base) en las minas y trasvases objeto de investigación. Anexo 7 Gráfico del comportamiento de la velocidad mensual de avance. Anexo 8 Parámetros principales de las ondas de choque y de presión en las litologías objeto de estudio en los macizos en investigación. Anexo 9. Gráficos de los campos tensionales producidos por una carga compacta de tectrón en las litologías donde están enclavadas las obras en investigación. Anexo 9A Determinación del campo tenso-deformacional con cargas compactas de sustancia explosiva en las litologías objeto de estudio en las minas y trasvases. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Anexo 9B Determinación del campo tenso-deformacional con cargas desacopladas de sustancia explosiva en las litologías objeto de estudio en las minas y trasvases. Anexo 10 Parámetros del campo tenso-deformacional con cargas de sustancias explosivas compactas y desacopladas en las litologías objeto de estudio y los macizos objeto de investigación Anexo 11 Comportamiento de los principales indicadores de las voladuras experimentales Anexo 12 Distribución estadística de los indicadores de las voladuras experimentales. Anexo 13 Registro fotográfico de los contorneados de las excavaciones en los emboquilles. Anexo 14 Pasaportes de las voladuras experimentales. Anexo 15 Parámetros de los cueles Anexo 16 Procedimiento de cálculo de los impactos económicos de la investigación M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 1 Valores de las características de resistencia y de las propiedades másicas, acústicas y elásticas y de los parámetros minero-tecnológicos de las litologías presentes en los macizos rocosos de las minas y trasvases en investigación. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 1 Valores de las propiedades másicas. Nº Litología Densidad ,kg/m³ Masa volumétrica,kg/m³ Porosidad Total,% Valor A.% Valor A,% Valor A,% Mina:Mercedita 1 Dunitas 2770 10,39 2660 4,70 3,97 2 Cromitas 3980 11,83 3920 4,02 1,51 3 Serpentinita. 2530 9,90 2460 1,98 2,77 4 Peridotita 2860 10,71 2830 10,95 1,05 5 Gabro 2870 9,65 2540 8,51 11,50 Mina :Amores 1 Dunitas 2790 11,45 2700 11,11 3,23 2 Harzburgitas 2790 10,71 2700 11,50 3,23 3 Serpentinitas 2860 10,82 2830 10,70 1,05 4 Cromitas 3950 10,57 3850 10,62 2,53 Mina:El Cobre 1 Porfirita andesiticas 2750 10,72 2560 10,87 6,91 2 Tobas andesíticas 2690 5,54 2570 10,54 4,46 3 Areniscas tobaceas 2910 9,68 2490 8,80 14,43 Trasvase :Caney-Gilbert 2910 10,8 2300 4,20 20,96 1 Tobas 2840 9,6 2210 3,90 22,18 2 Aglomerados Trasvase:Sabanalamar-Pozo Azul 1 Aleurolitas 2750 11,8 2080 4,05 24,36 2 Esquistos verdes 2710 10,4 2600 3,90 4,06 3 Calizas arcillosas 2710 9,9 2330 4,20 14,02 Fuente: Noa (2003) M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. 6,50 7,90 6,90 10,50 9,30 4,17 8,03 4,50 4,17 7,50 7,20 9,50 8,60 7,80 8,3 7,8 8,5 �Anexos Tesis Doctoral Tabla 2 Valores de las características de resistencia de las litologías presentes en las minas y trasvases en investigación. Características de resistencia estática Nº Litología Características de resistencia dinámica [σ ], MPa [σ ],MPa [σ ] ,MPa [σ ] ,MPa [σ ],MPa Valor Valor. A,% Valor A,% Valor . A,% e c A.% e t e cor d c Valor d t A.% [σ ] ,MPa d cor Valor. A,% Dinamicidad Comp Tracción k dc k dt Mina:Cromita 1 2 3 4 5 Dunitas Cromitas Serpentinita. Peridotita Gabro 43,34 67,70 29,43 31,25 43,22 27,25 23,63 23,96 26,76 29,73 4,65 7,00 4,14 4,51 4,57 24,20 8,20 25,50 687,26 27,25 26,82 12,57 24,52 1037,45 23,63 21,58 6,37 22,23 472,48 23,96 23,41 6,85 25,43 496,28 26,76 25,58 8,11 27,31 680,81 29,73 15,46 22,44 13,94 15,01 15,08 24,20 26,82 21,58 23,41 25,58 57,37 87,98 44,61 47,98 56,80 25,50 24,52 22,23 25,43 27,31 15,86 15,32 16,05 15,88 15,75 3,32 3,21 3,37 3,33 3,30 72,9 73,9 31,25 67,7 23,90 21,61 20,45 19,60 4,86 4,14 4,51 6,87 22,58 10,87 23,24 1156,29 25,20 10,10 23,41 1172,76 21,18 6,85 20,82 496,28 20,41 12,45 20,01 1066,43 16,19 13,94 15,01 21,93 22,58 25,20 21,18 20,41 76,07 70,69 47,98 87,16 23,24 23,41 20,82 20,01 15,86 15,87 15,88 15,75 3,33 3,37 3,33 3,19 18,30 19,29 46,98 17,265 15,63 62,43 21,43 146,36 22,98 15,77 12,76 14,52 71,77 15,19 15,67 3,44 3,44 3,44 20,98 19,65 10,94 18,93 Mina:Amores 1 2 3 4 Dunitas Harzburgitas Serpentinitas Cromitas 23,90 21,61 20,45 19,60 Mina:El Cobre 1 Porfirita andesiticas 2 Tobas andesíticas 3 Areniscas tobaceas 25,40 15,24 5,32 19,29 6,71 17,27 396,90 15,24 72,26 24,53 18,15 21,43 20,91 22,98 1139,18 24,53 85,00 15,86 3,71 14,52 10,25 15,19 1331,64 15,86 Trasvase:Caney-Gilbert 1 Tobas 2 Aglomerados 25,60 24,45 40,00 20,05 6,10 19,65 3,18 18,93 7,21 22,05 6,51 19,49 419,33 24,45 655,20 20,05 50,50 45,58 24,45 16,38 20,05 16,38 3,44 3,44 25,5 22,39 24,3 107,23 22,6 34,20 24,05 16,12 23,1 15,57 21,6 15,97 2,86 1,65 2,54 Trasvase: Sabanalamar-Pozo Azul 1 Aleurolitas 2 Esquistos verdes 3 Calizas arcillosas 11,80 176,00 21,70 22,6 21,9 20,6 2,60 4,00 3,30 25,5 3,20 24,05 190,20 24,3 15,32 23,1 2740,95 22,6 4,89 21,6 346,64 22,6 21,9 20,6 7,43 6,59 8,38 Observación: Datos de las Características de resistencia estática de las rocas. Fuente: Noa (2003) M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 3 Valores de las propiedades acústicas de las rocas Nº Litología Velocidad de las ondas,m/s Rigidez Acústica E,MPa 3 Vl A.% Vt A,% J, m/s kg/m A,% Valor A,% Mina:Mercedita 1 Dunitas 4578 9,8 2616 9,7 1,27.107 9,8 23841 9,7 7 2 Cromitas 5429 10,1 3016 9,9 2,16.10 10,1 46228 9,9 3 Serpentinita. 3783 12,3 2225 11,9 9,57.106 12,3 15475 11,9 4 Peridotita 4403 9,6 2380 9,4 1,26.107 9,6 20954 9,4 7 5 Gabro 4930 9,8 2595 9,2 1,41.10 9,8 25281 9,2 Mina:Amores 1 Dunitas 4411 12 2595 11,8 1,23.107 12 23206 12,0 7 2 Harzburgitas 3618 11,9 2067 11 1,01.10 11,9 14995 11,9 3 Serpentinitas 4403 10,6 2446 10,6 1,26.107 10,6 21847 10,6 4 Cromitas 5604 9,9 3029 9,5 2,21.107 9,9 46881 9,9 Mina:El Cobre 1 Porfirita andesititas 5520 15,5 2950 16,1 1,52.107 15,5 33600 12 2 Tobas andesíticas 5040 14,7 2800 15,9 1,36.107 14,7 68330 12,5 3 Areniscas tobaceas 5220 13,9 2900 14,7 1,52.107 13,9 32700 12,3 Trasvase:Caney-Gilbert 1 Tobas 4954 9,9 2477 12,5 1,44.107 9,9 23806 9,9 2 Aglomerados 3300 10,1 1810 13,1 9,37.106 10,1 11955 10,1 Trasvase:Sabanalamar-Pozo Azul 1 Aleurolitas 3250 12,3 1083 13,2 8,94.106 12,3 60000 15,3 2 Esquistos verdes 5750 11,8 3194 12,6 1,56.107 11,8 76000 12,8 7 3 Calizas arcillosas 4078 10,8 1359 13,2 1,11.10 10,8 73000 11,9 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. μ Valor A,% G,MPa Valor A,% 0,258 0,277 0,235 0,294 0,308 9,7 9,9 11,9 9,4 9,2 18958 36207 12526 16199 19322 9,7 9,9 11,9 9,4 9,2 0,24 0,26 0,28 0,29 11,9 11,5 10,6 9,7 18784 11923 17111 36240 23,90 21,61 20,45 19,60 0,30 0,28 0,28 11 11,9 12 23932 21090 24473 16,1 15,9 14,7 0,33 0,28 9,9 10,1 13103 21,61 8840 20,45 0,24 0,28 0,30 12,1 3,23.103 11,0 2,77.104 10,6 5,0.103 12,3 11,8 10,8 �Anexos Tesis Doctoral Tabla 4 Valores de los parámetros minero-tecnológicos de las rocas Nº Índice de Fortaleza, Litología f * P f Triturabilidad, Vmax*** f ** B Valor A,% Volabilidad,q****,kg/m³ Valor A,% 0,43 27,25 Índice de Fragilidad Valor A,% Mina:Mercedita 1 Dunitas 2 Cromitas 3 Serpentinita. 4 Peridotita 5 Gabro 4 7 3 3 4 5 7,0 10,33 9,32 25,725 7 6,4 6,51 0,68 23,63 9,67 25,225 4 6,2 11,01 0,29 23,96 7,11 22,77 4 8,0 10,5 0,31 26,76 6,93 25,085 5 7,77 9,42 0,43 29,73 9,46 27,655 7 7 3 7 7 6,30 21,31 0,73 11,45 15,00 23,24 7 4,27 19,10 0,74 10,71 17,85 23,41 4 5,26 19,90 0,31 10,82 6,93 20,82 7 6,00 20,80 0,68 10,57 9,85 20,01 3 7 9 4 2,5 20,25 0,25 15,24 4,77 17,27 7 7,01 24,70 0,72 24,53 3,98 22,98 8 7,10 14,58 0,85 15,86 22,91 15,19 3 4 4 3,59 24,45 0,26 24,45 4,20 22,05 5 5,17 20,05 0,40 20,05 12,58 19,49 2 - - 0,12 22,6 4,54 24,05 14 - - 1,76 21,9 44,00 23,1 3 - - 0,22 20,6 6,58 21,6 Mina:Amores 1 Dunitas 2 Harzburgitas 3 Serpentinitas 4 Cromitas Mina : El Cobre 1 Porfirita andesiticas 2 Tobas andesíticas 3 Areniscas tobaceas Trasvase:Caney-Gilbert 1 Tobas 2 Aglomerados Trasvase:Sabanalamar-Pozo Azul 1 Aleurolitas 2 Esquistos verdes 3 Calizas arcillosas Observación: 1 18 2 * P - índice de fortaleza según ** B -índice de fortaleza según f f Protodiaconov: Barón . Datos de Triturabilidad q****-volabilidad según Pokrovsky. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. *** Vmax :Fuente Noa (2003). �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 2 Características del agrietamiento en los macizos de las minas y trasvases donde se realizaron las investigaciones. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos ANEXO 2.1 Características del agrietamiento en mina Mercedita M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Tesis Doctoral �Anexos Gráfico 1 Principales planos de agrietamiento Tesis Doctoral Gráfico 2 Rosa de agrietamiento Gráfico 3 Histograma de frecuencia de la abertura de las grietas. Gráfico 4 Histograma de frecuencia del espaciamiento entre grietas. Gráfico 5 Histograma de frecuencia del tipo de grieta. Gráfico 6 Histograma de frecuencia del tipo de relleno. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos ANEXO 2.2 Estudio del agrietamiento en la mina Amores M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Tesis Doctoral �Anexos Gráfico 1 Principales planos de agrietamiento Gráfico 5 Histograma de frecuencia del tipo de grieta. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Tesis Doctoral Gráfico 2 Rosa de agrietamiento Gráfico 3 Histograma de frecuencia de la abertura de las grietas. Gráfico 4 Histograma de frecuencia del espaciamiento. Gráfico 6 Histograma e frecuencia del tipo de relleno. �Anexos ANEXO 2.3 Estudio del agrietamiento en la mina El Cobre M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Tesis Doctoral �Anexos Tesis Doctoral Gráfico 2 Rosa de agrietamiento Gráfico 1 Principales planos de agrietamiento Gráfico 4 Histograma de frecuencia del espaciamiento Gráfico 3 Histograma de frecuencia de la abertura de las grietas. Gráfico 6 Histograma e frecuencia del tipo de relleno. . M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Gráfico 5 Histograma de frecuencia del tipo de grieta �Anexos ANEXO .2.4. Estudio del Agrietamiento en el Trasvase Caney - Gilbert M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Tesis Doctoral �Anexos Gráfico 1 Planos principales de agrietamiento Trasvase Caney-Gilbert Gráfico 4Histograma de frecuencia del espaciamiento de las grietas M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Tesis Doctoral Gráfico 2 Rosa de agrietamiento Caney-Gilbert. Gráfico 3 Histograma de freucnecia de la Abertura de las grietas Gráfico 5 Histograma de frecuencia del tipo de relleno de las grietas. Gráfico 6 Histograma e frecuencia del tipo de grietas. �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 2.5 Estudio del agrietamiento en el Trasvase Este-Oeste. Etapa Melones-Sabanilla. Túnel : Esperanza-En medio M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Gráfico 2 Rosa de agrietamiento Gráfico 1 Principales planos de agrietamiento Gráfico 3 Histograma de frecuencia de la abertura de las grietas. Gráfico 4 Histograma de frecuencia del espaciamiento. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Gráfico 5 Histograma de frecuencia del tipo de grieta. Gráfico 6 Histograma e frecuencia del tipo de relleno. �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 3 Características de las excavaciones en las minas y trasvases donde se realizaron las investigaciones. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 1 Dimensiones útiles, de proyecto y de laboreo de las excavaciones en investigación Nº Obra subterránea Dimensiones de proyecto Sp, m2 Bp ,m Hp ,m Pp ,m Dimensiones Útiles Su , m2 Bu ,m Hu,m Pu,m Dimensiones de laboreo Sl,m2 Bl,m Hl,m Pl,m 4,72 4,72 2,2 2,2 2,30 2,30 5,85 5,85 4,72 4,72 2,2 2,2 2,3 2,3 5,85 5,85 5,70 2,12 2,46 6,78 5,27 2,09 2,28 6,30 4,72 4,72 2,2 2,2 2,30 2,30 5,85 5,85 4,72 4,72 2,2 2,2 2,3 2,3 5,85 5,85 5,30 5,25 2,11 2,09 2,30 2,24 6,32 6,26 5,42 5,42 2,5 2,5 2,70 2,70 6,56 6,56 5,42 5,42 2,5 2,5 2,7 2,7 6,56 6,56 6,53 6,41 2,41 2,59 2,69 2,55 7,45 7,28 16,33 4,2 16,33 4,2 16,33 4,2 4,70 4,70 4,70 11,25 11,25 11,25 13,93 13,93 13,93 3,8 3,8 3,8 4,3 4,3 4,3 13,33 19,15 4,91 13,33 19,25 4,95 13,33 19,30 4,95 5,29 5,35 5,40 12,60 12,70 12,75 20,57 34,80 30,89 30,89 4,80 6,06 5,95 5,95 12,34 16,77 14,91 14,91 18,10 31,45 27,91 27,91 4,60 6,6 5,90 5,90 4,40 5,86 5,75 5,75 11,84 15,57 13,61 13,61 27,74 40,36 36,50 36,29 5,55 5,66 7,26 7,58 5,4 6,14 6,26 6,51 14,25 18,05 17,89 16,07 3,6 3,6 8,91 8,91 8,66 8,66 3,40 3,40 3,50 3,50 8,31 8,31 - - - Mina:Mercedita 1 2 1 2 1 2 1 2 3 1 2 3 4 Socavón principal M-1 Galería principal de nivel Mina: Amores Socavón principal A-1 Galería de nivel E-1 Mina:Grande El Cobre Galeria longitudinal nivel +0,0 Galería transversal nivel +30,0 Tasvase:Caney-Gilbert Túnel principal Túnel inclinado I Túnel inclinado II Trasvase:Melones –Sabanilla Túnel toma Túnel Esperanza-En medio Túnel Ojo de Agua-Yagrumal Túnel Ojo de Agua-Serones Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Túnel 1 Túnel 2 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. 4,8 6,9 6,30 6,30 10,83 3,6 10,83 3,6 - �Anexos Tesis Doctoral Tabla 2 Principales parámetros minero-tecnológicos de las excavaciones en investigación. Nº Obra subterránea Extensión, m Pendiente Dirección,Grados H ,m γ* Carácter del frente Mina Mercedita 1 2 Socavón principal M-1 Galería principal de nivel 600 200-300 0,008 0,008 285 250 120-350 120-350 75 69 Homogéneo Homogéneo 1 2 1 2 Socavón principal A-1 Galería de nivel E-1 Mina Grande El Cobre Galeria longitudinal nivel +0 Galería transversal nivel +30 300 150 0,008 0,008 290 265 120-250 120-200 15 29 Homogéneo 860 250 0,008 0,008 200-400 200-400 82 4 Homogéneo Homogéneo 1 2 Tasvase:Caney-Gilbert Túnel principal Túnel inclinado I 1915 240 140/160 160 100-200 100-200 50 - Heterogéneo Heterogéneo 3 Túnel inclinado II 280 0,0003 0,1760,212 0,1760,212 100-200 - 0,003 0,003 0,003 0,003 180 180 180 180 0,0006 0,0006 90 90 Mina Amores 1 2 3 4 1 2 Trasvase:Melones –Sabanilla Túnel toma 358 Túnel Esperanza-En medio 707 Túnel Ojo de Agua-Yagrumal 1383 Túnel Ojo de Agua-Serones 330 Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Túnel 1 1200 Túnel 2 200 30-50 30-90 30-84 30-84 155 30 31 35 27 Homogéneo Idem Idem 17 - Homogéneo Idem Observación: γ * - ángulo de intersección entre el sistema de grietas principal y el eje de la excavación subterránea H- profundidad de ubicación de la excavación subterránea M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Idem �Anexos Tesis Doctoral Tabla.3. Forma y parámetros geométricos de la sección transversal de las excavaciones Nº Obra subterránea Forma sección transversal Parámetros geométricos de la sección transversal R,m r,m hp,m hb,m α Β B/H Bóveda reducida, paredes verticales Bóveda reducida,paredes verticales 1,52 1,52 0,58 0,58 1,47 1,47 0,73 0,73 35 35 55 55 0,86 0,92 Bóveda reducida,paredes verticales Bóveda reducida,paredes verticales 1,52 1,52 0,58 0,58 1,47 1,47 0,73 0,73 35 35 55 55 0,92 0,93 Bóveda reducida,paredes verticales Bóveda reducida,paredes verticales 1,59 1,59 0,60 0,60 1,73 1,73 0,77 0,77 35 35 55 55 0,90 1,02 Bóveda ovoidal,paredes verticales Bóveda ovoidal,paredes verticales Bóveda ovoidal,paredes verticales 4,20 4,20 4,20 1,17 1,17 1,17 1,35 1,35 1,35 - 46 46 46 44 44 44 1,12 1,12 1,12 Bóveda semicircular,paredes verticales Herradura ,paredes circulares Bóveda ovoidal,paredes verticales Bóveda ovoidal, paredes verticales 2,4 3,45 6,3 6,3 2,3 2,3 2,4 1,2 1,2 2,4 - 38 38 180 52 52 1,03 0,92 1,16 1,16 3,60 3,60 1,117 0,92 1,117 0,92 - 35 35 54 54 1,0 1,0 Mina Mercedita 1 2 Socavón principal M-1 Galería principal de nivel Mina Amores 1 2 Socavón principal A-1 Galería de nivel E-1 Mina Grande El Cobre 1 2 1 2 3 Galeria longitudinal nivel +0 Galería transversal nivel +30 Trasvase Caney-Gilbert Túnel principal Túnel inclinado I Túnel inclinado II Trasvase:Melones –Sabanilla Túnel toma Túnel Esperanza-En medio 1 2 3 4 Túnel Ojo de Agua-Yagrumal Túnel Ojo de Agua-Serones 1 2 Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Túnel 1 Bóveda ovoidal, paredes verticales Túnel 2 Bóveda ovoidal, paredes verticales M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 4 Tipos de excavaciones y su sostenimiento. Nº Excavación Destino Laboreada por Sostenimiento Dirección Plazo de servicio,años Apertura Apertura y exploración Peridotita Peridotita Arcos metálicos Sin fortificación 285º 112º 20 10 Mina Mercedita 1 2 Socavón M-1 Galería principal de nivel Amores 3 Socavón A-1 Apertura harzburgitas Cuadros metálicos 295 15 4 Galería E-1 Preparación y exploración Dunitas Sin sostenimiento 112º 10 5 Galería E-2 Preparación y exploración Dunitas Sin sostenimiento 112º 10 El Cobre 6 Galerias transversales Preparación Porfiritas andesititas Sin sostenimiento 315º 10 7 Galerías longitudinales Preparación Tobas andesíticas Madera 45º 10 Trasvase Caney-Gilbert 8 Túnel principal Hidrotécnico sin presión Tobas Hormigón gunitado 140º y 160º Más de 20 años 9 Túnel I Servicio Tobas Idem 220º Idem 10 Túnel II Servicio Tobas Idem 340º Idem Trasvase Este –Oeste 11 Yagrumal –Ojo de Agua Hidrotécnico sin presión Calizas y aleurolitas Idem 275º Idem 12 Ojo de Agua-Serones Idem gabrodiabasas Idem 275º Idem 13 14 Túnel de toma Túnel Esperanza-Enmedio Hidrotécnico a presión hidrotécncio sin presión Serpentinitas Serpentinitas Hormigón gunitado Idem 275º 275º Sabanalamar –Pozo Azúl 17 Túnel 1 hidrotécnico sin presión Esquistos cloríticos Idem 275º 18 Túnel 2 Idem aleurolitas Idem 275º M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 4 Levantamiento de la sección transversal de las excavaciones subterráneas en investigación en las minas y trasvases. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 1 Levantamiento de la sección transversal de la excavación en mina Mercedita. Voladuras de Producción.Socavón Principal Seccion Ancho,m Altura,m Sl,m2 Sp,m2 Kse Pexc,m Pproy, m Llmedia,m a,m l, m λ, m h ,m H,m ρ I 2,34 2,50 5,79 4,50 1,29 6,81 5,85 6,21 0,200 0,39 0,78 0,05 0,10 0,096 II 2,61 2,63 5,70 4,50 1,27 6,74 5,85 6,18 0,198 0,39 0,77 0,04 0,09 0,091 III 2,06 2,53 5,57 4,50 1,24 6,85 5,85 6,40 0,214 0,43 0,85 0,02 0,03 0,069 IV 2,07 2,36 6,14 4,50 1,36 7,90 5,85 7,16 0,198 0,38 0,75 0,06 0,12 0,104 V 2,11 2,24 5,31 4,50 1,18 6,23 5,85 5,92 0,156 0,31 0,62 0,00 0,01 0,052 VI 2,04 2,42 5,16 4,50 1,15 6,30 5,85 5,95 0,158 0,31 0,63 0,02 0,04 0,059 VII 1,94 2,48 6,74 4,50 1,50 6,74 5,85 6,36 0,211 0,42 0,85 0,02 0,05 0,060 VIII 1,94 2,48 5,37 4,50 1,19 6,71 5,85 6,33 0,210 0,42 0,84 0,02 0,05 0,060 IX 1,96 2,51 5,54 4,50 1,23 6,75 5,85 6,40 0,211 0,43 0,85 0,03 0,06 0,055 X 1,94 2,49 5,53 4,50 1,23 6,76 5,85 6,40 0,211 0,43 0,85 0,03 0,06 0,057 XI 2,00 2,53 5,76 4,50 1,28 6,87 5,85 6,51 0,215 0,43 0,87 0,03 0,06 0,056 XII 2,00 2,63 5,83 4,50 1,29 6,87 5,85 6,54 0,215 0,44 0,87 0,04 0,08 0,050 XIII 2,03 2,60 5,95 4,50 1,32 6,99 5,85 6,63 0,219 0,44 0,88 0,03 0,07 0,054 XIV 1,91 2,42 5,24 4,50 1,16 6,56 5,85 6,22 0,205 0,41 0,83 0,03 0,06 0,055 XV 1,99 2,57 5,91 4,50 1,31 6,98 5,85 6,62 0,218 0,44 0,88 0,03 0,07 0,054 Promedio 2,12 2,46 5,70 4,50 1,27 6,78 5,85 6,324 0,195 0,39 0,77 0,03 0,06 0,07 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Tang ρ Grados 0,4485 24 0,4358 24 0,3790 21 0,4669 25 0,3282 18 0,3497 19 0,3514 19 0,3509 19 0,3374 19 0,3411 19 0,3400 19 0,3187 18 0,3345 18 0,3361 19 0,3345 18 0,38 20,92 �Anexos Tesis Doctoral Tabla 2 Levantamiento de la sección transversal de la excavación en mina Amores. Voladuras de Producción.Socavón A-1 Sección Ancho,m Altura,m Sl, m2 Sp,m2 Kse Pexc,m Pproy,m Llmedia,m a,m l, m λ ,m h, m H,m I 2,49 2,45 5,52 4,50 1,23 6,53 5,85 5,97 0,192 0,373 0,37 0,05 0,09 II 2,55 2,41 5,32 4,50 1,18 6,40 5,85 5,88 0,188 0,367 0,73 0,04 0,08 III 1,93 2,46 5,40 4,50 1,20 6,57 5,85 6,22 0,205 0,414 0,83 0,03 0,05 IV 1,99 2,31 5,84 4,50 1,30 7,63 5,85 6,99 0,191 0,368 0,74 0,05 0,10 V 2,04 2,24 4,99 4,50 1,11 6,01 5,85 5,74 0,150 0,302 0,58 0,01 0,03 VI 2,07 2,24 5,06 4,50 1,12 6,05 5,85 5,77 0,15 0,30 0,61 0,01 0,03 VII 2,02 2,24 5,18 4,50 1,15 6,04 5,85 5,78 0,15 0,30 0,61 0,02 0,04 VIII 2,01 2,23 5,18 4,50 1,15 6,03 5,85 5,77 0,15 0,30 0,61 0,02 0,04 IX 2,05 2,24 5,29 4,50 1,18 6,11 5,85 5,81 0,15 0,31 0,61 0,01 0,02 X 2,03 2,27 5,21 4,50 1,16 6,05 5,85 5,80 0,15 0,31 0,61 0,02 0,04 XI 2,05 2,24 5,29 4,50 1,18 6,11 5,85 5,81 0,15 0,31 0,61 0,01 0,02 Promedio 2,11 2,30 5,30 4,50 1,18 6,32 5,85 5,96 0,17 0,33 0,63 0,02 0,05 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. ρ 0,0937 0,0899 0,0573 0,0913 0,0485 0,0479 0,0450 0,0448 0,0506 0,0440 0,0506 0,0603 tang Grados 0,4430 24 0,4334 23 0,3435 19 0,4369 24 0,3152 17 0,3132 17 0,3034 17 0,3027 17 0,3221 18 0,3000 17 0,3221 18 0,3487 19,17 �Anexos Tesis Doctoral Tabla 3 Levantamiento de la sección transversal de las excavaciones. Mina El Cobre Voladuras de Producción .Mediciones realizadas en el nivel +0 Seccion Ancho,m Altura,m Sl,m2 Sp,m2 Kse Plab,m Proy.,m Llmedia,m a,m l ,m λ ,m h ,m H,m ρ ,m tang ρ Grados I 2,73 2,81 7,09 5,42 1,31 7,38 5,22 7,06 0,18 0,35 0,71 0,01 0,03 0,0464 0,3081 17 II 2,45 2,69 6,73 5,42 1,24 8,15 5,22 7,00 0,27 0,50 1,00 0,11 0,21 0,1644 0,5964 31 III 2,57 3,03 6,55 5,42 1,21 7,77 5,22 7,07 0,19 0,35 0,71 0,05 0,11 0,0994 0,4568 25 IV 1,68 1,12 5,06 5,42 0,93 6,82 5,22 5,82 0,15 0,28 0,56 0,05 0,09 0,1734 0,6139 32 V 2,44 2,49 6,01 5,42 1,11 6,94 5,22 6,15 0,15 0,29 0,58 0,04 0,08 0,1284 0,5227 28 VI 2,21 2,63 5,29 5,42 0,97 6,81 5,22 6,32 0,14 0,26 0,53 0,03 0,07 0,0768 0,3995 22 VII 2,60 3,00 6,52 5,42 1,20 7,22 5,22 6,79 0,16 0,32 0,65 0,03 0,06 0,0639 0,3633 20 VIII 2,92 2,74 7,45 5,42 1,37 8,03 5,22 7,38 0,18 0,35 0,70 0,05 0,10 0,0882 0,4291 23 IX 3,04 2,48 6,17 5,42 1,14 6,89 5,22 6,09 0,16 0,30 0,61 0,06 0,12 0,1314 0,5292 28 X 2,58 2,69 6,36 5,42 1,17 7,41 5,22 6,09 0,18 0,30 0,61 0,09 0,18 0,2160 0,6919 35 XI 2,43 2,49 5,64 5,42 1,04 7,06 5,22 6,62 0,16 0,33 0,66 0,17 0,34 0,0663 0,3701 20 XII 2,48 2,73 6,72 5,42 1,24 7,34 5,22 6,58 0,18 0,29 0,59 0,11 0,22 0,1156 0,4946 26 XIII 2,13 2,49 5,50 5,42 1,01 6,45 5,22 6,22 0,15 0,30 0,59 0,02 0,04 0,0379 0,2780 16 XIV 2,24 2,69 5,42 5,42 1,00 6,84 5,22 6,25 0,15 0,28 0,57 0,04 0,09 0,0943 0,4443 24 XV 2,35 2,47 6,18 5,42 1,14 7,80 5,22 6,93 0,19 0,35 0,69 0,07 0,13 0,1254 0,5162 27 XVI 2,04 2,32 4,70 5,42 0,87 6,56 5,22 5,58 0,16 0,29 0,59 0,07 0,15 0,1747 0,6164 32 XVII 2,99 3,10 6,95 5,42 1,28 7,57 5,22 7,18 0,18 0,36 0,72 0,02 0,04 0,0556 0,3380 19 XVIII 2,77 3,17 7,29 5,42 1,35 8,33 5,22 8,30 0,20 0,41 0,83 0,22 0,43 0,0042 0,0917 5 XIX 2,31 2,65 6,85 5,42 1,26 7,63 5,22 7,07 0,20 0,34 0,67 0,11 0,21 0,0795 0,4065 22 XX 2,00 2,77 7,11 5,42 1,31 8,08 5,22 7,56 0,19 0,36 0,72 0,07 0,14 0,0696 0,3795 21 XXI 2,42 2,98 8,38 5,42 1,54 7,99 5,22 7,84 0,19 0,37 0,75 0,04 0,07 0,0195 0,1983 11 XXII 2,14 2,68 5,54 5,42 1,02 7,07 5,22 6,47 0,17 0,31 0,62 0,07 0,60 0,0935 0,5955 31 XXIII 2,25 2,46 5,16 5,42 0,95 5,85 5,22 4,71 0,15 0,25 0,50 0,08 0,48 0,2433 0,4780 26 XXIV 2,23 2,53 6,30 5,42 1,16 8,07 5,22 7,24 0,18 0,34 0,69 0,06 0,67 0,1148 0,6665 34 XXV 2,34 3,04 9,94 5,42 1,83 9,59 5,22 9,13 0,23 0,46 0,91 0,23 0,88 0,0500 0,8766 41 XXVI 2,00 3,22 8,29 5,42 1,53 8,07 5,22 7,15 0,19 0,36 0,72 0,07 0,69 0,1283 0,6918 35 XXVII 2,52 2,72 6,38 5,42 1,18 7,32 5,22 6,72 0,17 0,34 0,67 0,05 0,65 0,0882 0,6507 33 XXVIII 2,37 2,97 6,52 5,42 1,20 7,40 5,22 6,35 0,17 0,30 0,60 0,07 0,59 0,1655 0,5844 30 XXIX 2,62 2,75 7,38 5,42 1,36 7,57 5,22 7,18 0,18 0,36 0,72 0,02 0,69 0,0556 0,6947 35 Prom 2,41 2,69 6,53 1,20 7,45 6,79 0,18 0,34 0,67 0,07 0,28 0,2791 16 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 4 Levantamiento de la Sección transversal de la Excavación.Trasvase Caney-Gilbert. Lugar de medición Frente Nº1. Voladuras de Producción Seccion Ancho,m Altura,m Sl,m2 I 4,25 5,20 19,06 II 4,30 5,20 19,05 III 4,80 5,29 19,08 IV 4,91 5,35 19,49 V 4,88 5,05 18,87 VI 4,89 5,30 19,24 VII 4,86 5,38 19,07 VIII 4,90 5,35 19,54 IX 4,97 5,09 19,04 X 4,91 5,30 19,25 XI 5,01 5,38 19,27 XII 4,88 5,05 18,98 XIII 4,99 5,33 18,95 XIV 5,05 5,35 19,03 XV 5,16 5,33 19,06 XVI 5,05 5,38 19,36 XVII 5,06 5,35 19,10 XVIII 5,07 5,33 19,27 XIX 5,01 5,38 19,27 XX 4,99 5,33 18,95 XXI 5,01 5,38 19,27 XXII 5,10 5,38 19,15 Promedio 4,91 5,29 19,15 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Sp,m2 Kse Pexc,m Proy.,m Llmedia,m a,m l, m λ, m h, m H,m ρ Tang ρ Grados 16,33 1,17 11,99 11,25 10,95 0,33 0,64 1,29 0,09 0,17 0,0952 0,4465 24 16,33 1,17 11,98 11,25 11,22 0,33 0,64 1,28 0,09 0,19 0,0679 0,3747 21 16,33 1,17 12,64 11,25 11,42 0,35 0,67 1,34 0,10 0,20 0,1067 0,4740 25 16,33 1,19 12,79 11,25 11,57 0,36 0,68 1,36 0,10 0,21 0,1059 0,4722 25 16,33 1,16 12,62 11,25 11,29 0,35 0,66 1,33 0,11 0,22 0,1179 0,4996 27 16,33 1,18 12,66 11,25 11,41 0,35 0,67 1,34 0,10 0,21 0,1089 0,4793 26 16,33 1,17 12,74 11,25 11,43 0,35 0,67 1,34 0,11 0,22 0,1150 0,4931 26 16,33 1,20 12,79 11,25 11,56 0,36 0,68 1,36 0,10 0,21 0,1059 0,4723 25 16,33 1,17 12,70 11,25 11,35 0,35 0,67 1,34 0,11 0,23 0,1187 0,5016 27 16,33 1,18 12,67 11,25 11,42 0,35 0,67 1,34 0,11 0,21 0,1093 0,4802 26 16,33 1,18 12,74 11,25 11,43 0,35 0,67 1,34 0,11 0,22 0,1153 0,4938 26 16,33 1,16 12,67 11,25 11,32 0,35 0,67 1,33 0,11 0,23 0,1188 0,5018 27 16,33 1,16 12,53 11,25 11,36 0,35 0,67 1,34 0,10 0,19 0,1025 0,4642 25 16,33 1,17 12,62 11,25 11,38 0,35 0,67 1,34 0,10 0,21 0,1092 0,4799 26 16,33 1,17 12,53 11,25 11,35 0,35 0,67 1,34 0,10 0,20 0,1041 0,4679 25 16,33 1,19 12,78 11,25 11,43 0,35 0,67 1,35 0,11 0,23 0,1176 0,4989 27 16,33 1,17 12,56 11,25 11,39 0,35 0,67 1,34 0,10 0,20 0,1029 0,4651 25 16,33 1,18 12,52 11,25 11,38 0,35 0,67 1,34 0,09 0,19 0,1000 0,4582 25 16,33 1,18 12,74 11,25 11,43 0,35 0,67 1,34 0,11 0,22 0,1153 0,4938 26 16,33 1,16 12,53 11,25 11,36 0,35 0,67 1,34 0,10 0,19 0,1025 0,4642 25 16,33 1,18 12,74 11,25 11,43 0,35 0,67 1,34 0,11 0,22 0,1153 0,4938 26 16,33 1,17 12,61 11,25 11,39 0,35 0,67 1,34 0,10 0,20 0,1068 0,4743 25 16,33 1,17 12,60 11,25 11,38 0,35 0,67 1,34 0,10 0,21 0,11 0,47 25,39 �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 5 Comportamiento de los indicadores de las voladuras de producción (base) para el avance de excavaciones subterránea en las minas y trasvases en investigación. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 1 Comportamiento de los Indicadores de las voladuras de producción en la mina Mercedita Orden consecutivo de las voladuras Nº Parámetros Principales Símbolo UM 1 2 3 4 5 6 7 1 Avance del frente la m 1,01 0,98 0,95 1 1,05 1,03 0,99 Longitud de los barrenos lb m 1,65 1,65 1,65 1,65 1,65 1,65 1,65 Cantidad de Barrenos Nb Unid 12 12 12 12 12 12 12 De cuele Nc Unid 4 4 4 4 4 4 4 De arranque Na Unid 0 0 0 0 0 0 0 De contorno Nco Unid 5 5 5 5 5 5 5 De piso Npiso Unid 3 3 3 3 3 3 3 Carga barrenos de cuele qc Kg 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 Carga barrenos arranque qa Kg 0 0 0 0 0 0 0 Carga barrenos de piso qpiso Kg 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 Carga barrenos de contorno qco Kg 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 2 Extensión del montón de rocas Lm m 6 6 5 6,75 5,9 6 4 3 Gasto de SE QSE Kg 15,80 15,80 15,80 15,80 15,80 15,80 15,80 Gasto específco de SE qSE Kg/m3 2,70 2,83 2,98 2,57 2,83 2,97 2,37 4 Volumen de roca arrancada Vr m3 5,85 5,59 5,30 6,14 5,57 5,32 6,68 5 Aprovechamiento de los barrenos CAB % 0,61 0,59 0,58 0,61 0,64 0,62 0,60 6 Area de laboreo de la excavación Sl m2 5,79 5,70 5,57 6,14 5,31 5,16 6,74 Area de proyecto de la excavación Sp m2 4,50 4,50 4,50 4,50 4,50 4,50 4,50 7 Coeficiente de sobreexcavación KS 1,29 1,27 1,24 1,36 1,18 1,15 1,50 8 Metraje de barrenación Mb m 19,8 19,8 19,8 19,8 19,8 19,8 19,8 Metraje específico de barrenación Mel m/m 19,60 20,20 20,84 19,80 18,86 19,22 20,00 Metraje específico de barrenación Mev m/m3 3,39 3,54 3,74 3,22 3,55 3,72 2,97 9 Gasto de detonadores Qdet Unid 12 12 12 12 12 12 12 Gasto específco de detonadores qdet unid/m 11,88 12,24 12,63 12,00 11,43 11,65 12,12 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. 8 9 0,98 0,96 1,65 1,65 12 12 4 4 0 0 5 5 3 3 1,4 1,4 0 0 1,4 1,4 1,2 1,2 4,5 7 15,80 15,80 3,00 2,97 5,26 5,32 0,59 0,58 5,37 5,54 4,50 4,50 1,19 1,23 19,8 19,8 20,20 20,63 3,76 3,72 12 12 12,24 12,5 �Anexos Tesis Doctoral Tabla 2 Comportamiento de los indicadores de las voladuras de producción en mina Amores. Nº Parámetros Principales Simbolo UM Orden consecutivo de las voladuras. 1 2 3 4 5 6 7 8 1 Avance del frente la m 1,04 0,95 0,99 1,02 1,08 1,1 1,03 0,92 Longitud de los barrenos lb m 1,5 1,50 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 Cantidad de Barrenos Nb Unid 14 14 14 14 14 14 14 14 De cuele Nc Unid 4 4 4 4 4 4 4 4 De arranque Na Unid 0 0 0 0 0 0 0 0 De contorno Nco Unid 7 7 7 7 7 7 7 7 De piso Npiso Unid 3 3 3 3 3 3 3 3 Carga barrenos de cuele qc Kg 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 Carga barrenos arranque qa Kg 0 0 0 0 0 0 0 0 Carga barrenos de piso qpiso Kg 1 1 1 1 1 1 1 1 Carga barrenos de contorno qco Kg 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 2 Extensión del montón de rocas Lm m 9 7 5 6,75 5,9 6 4 4,5 3 Gasto de SE QSE Kg 13,25 13,25 13,25 13,25 13,25 13,25 13,25 13,25 Gasto específco de SE qSE Kg/m3 2,38 2,78 2,71 2,22 2,46 2,38 2,48 2,78 4 Volumen de roca arrancada Vr m3 5,56 4,76 4,88 5,96 5,39 5,57 5,34 4,77 5 Aprovechamiento de los barrenos CAB % 0,69 0,63 0,66 0,68 0,72 0,73 0,69 0,61 2 6 Area de laboreo de la excavación Sl m 5,35 5,01 4,93 5,84 4,99 5,06 5,18 5,18 Area de proyecto de la excavación Sp m2 4,50 4,50 4,50 4,50 4,50 4,50 4,50 4,50 7 Coeficiente de sobreexcavación KS 1,19 1,11 1,10 1,30 1,11 1,12 1,15 1,15 8 Metraje de barrenación Mb m 21,00 21 21,00 21,00 21,00 21,00 21,00 21,00 Metraje específico de barrenación Mel m/m 20,19 22,11 21,21 20,59 19,44 19,09 20,39 22,83 Metraje específico de barrenación Mev m/m3 3,77 4,41 4,30 3,53 3,90 3,77 3,94 4,41 9 Gasto de detonadores Qdet Unid 14 14 14 14 14 14 14 14 Gasto específco de detonadores qdet unid/m 13,46 14,74 14,14 13,73 12,96 12,73 13,59 15,22 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. 9 1,01 1,5 14 4 0 7 3 1,25 0 1 0,75 7 13,25 2,48 5,34 0,67 5,29 4,50 1,18 21,00 20,79 3,93 14 13,86 �Anexos Tesis Doctoral Tabla 3 Comportamiento de los Indicadores de las voladuras de producción en mina El Cobre Voladuras de Producción (Base) Nº Parámetros Principales Símbolo UM 1 2 3 4 5 6 7 1 Avance del frente la m 1,30 1,10 1,20 1,20 1,35 1,12 1,00 Longitud de los barrenos lb m 1,5 1,50 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 Cantidad Total de Barrenos Nb unid 20 20 21 24 21 22 21 De cuele Nc unid 6 5 6 7 6 6 5 De arranque Na unid 0 2 0 0 0 0 0 De contorno Nco unid 11 10 12 14 12 13 13 De piso Npiso unid 3 3 3 3 3 3 3 Carga barrenos de cuele qc Kg 1 1 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 Carga barrenos arranque qa Kg 0 1,2 0 0 0 0 0 Carga barrenos de piso qpiso Kg 0,6 1 0,6 0,6 0,6 0,6 0,8 Carga barrenos de contorno qco Kg 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,8 2 Extensión del montón de rocas Lm m 4,6 2,9 3 3,2 8,6 6,1 8 3 Gasto de SE. QSE Kg 14,40 16,40 13,80 15,80 13,80 14,40 16,80 Gasto específico de SE. qSE kg/m3 1,43 2,01 1,54 1,55 1,33 1,75 3,70 4 Volumen de roca arrancada Vr m3 10,06 8,16 8,99 10,22 10,41 8,24 4,54 5 Aprovechamiento de los barrenos CAB 0,87 0,73 0,80 0,80 0,90 0,75 0,67 6 Area de laboreo de la excavación Sl m2 7,74 7,42 7,49 8,52 7,71 7,36 4,54 Area de proyecto de la excavación Sp m2 6,34 6,34 6,34 6,34 6,34 6,34 6,34 7 Coeficiente de sobreexcavación KS 1,22 1,17 1,18 1,34 1,22 1,16 0,72 9 Metraje de barrenación Mb m 30,00 30,00 31,50 36,00 31,50 33,00 31,50 Metraje específico de barrenación Mel m/m 23,08 27,27 26,25 30,00 23,33 29,46 31,50 Metraje específico de barrenación Mev m/m3 2,98 3,68 3,50 3,52 3,03 4,00 6,93 10 Gasto de detonadores Qdet unid 20 20 21 24 21 22 21 Gasto específco de detonadores qdet unid/m 15,38 18,18 17,5 20,00 15,6 19,64 21,00 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. 8 1,30 1,5 20 5 0 12 3 1 0 0,8 0,8 4,7 17,00 2,16 7,88 0,87 6,06 6,34 0,96 30,00 23,08 3,81 20 15,38 9 1,30 1,5 18 5 0 10 3 1 0 1 0,6 5,2 14,00 1,78 7,88 0,87 6,06 6,34 0,96 27,00 20,77 3,42 18 13,85 10 1,10 1,5 20 4 0 13 3 1,2 0 1,2 0,6 7,3 16,20 2,38 6,81 0,73 6,19 6,34 0,98 30,00 27,27 4,40 20 18,18 11 1,30 1,5 19 5 0 11 3 1 0 1,2 0,6 4,5 15,20 1,83 8,29 0,87 6,37 6,34 1,01 28,50 21,92 3,44 19 14,62 12 1,00 1,5 19 5 0 11 3 1,2 0 1,2 0,6 5,5 16,20 2,54 6,37 0,67 6,37 6,34 1,01 28,50 28,50 4,47 19 19,00 13 1,00 1,5 20 5 0 12 3 1,2 0 1,2 0,6 6,9 16,80 2,59 6,49 0,67 6,49 6,34 1,02 30,00 30,00 4,62 20 20,00 �Anexos Tesis Doctoral Tabla 4 Comportamiento de los indicadores de las voladuras de producción en el trasvase Caney-Gilbert Orden consecutivo de las voladuras Nº Parámetros Principales Simbolo UM 1 2 3 4 5 6 7 8 1 Avance del frente la m 2,3 2,00 1,80 2,00 1,5 1,0 1,6 1,5 Longitud de los barrenos lb m 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 3,75 Cantidad de Barrenos Nb Unid 56 56 56 56 56 56 56 56 De cuele Nc Unid 6 6 6 6 6 6 6 6 ayudantes de cuele Nac Unid 6 6 6 6 6 6 6 6 De arranque Na Unid 15 15 15 15 15 15 15 15 De contorno Nco Unid 22 22 22 22 22 22 22 22 De piso Npiso Unid 7 7 7 7 7 7 7 7 Carga en barrenos de cuele qc Kg 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 Carga en barrenos ayudantes de cuele qac Kg 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 Carga en barrenos de arranque qa Kg 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 Carga en barrenos de contorno qco Kg 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 Carga en barrenos de piso qpiso Kg 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 2 Gasto de SE QSE Kg 91,2 91,2 91,2 10,4 8,8 10,4 12 9,6 Gasto específco de SE qSE kg/m3 2,17 2,58 2,75 0,28 0,32 0,56 0,43 0,34 3 Volumen de roca arrancada in situ Vr m3 41,95 35,30 33,14 37,11 27,78 18,56 27,76 27,95 4 Coefic. aprovechamiento de los barrenos CAB % 0,92 0,80 0,72 0,80 0,60 0,40 0,64 0,40 2 5 Area de laboreo de la excavación Sl m 18,24 17,65 18,41 18,55 18,52 18,56 17,35 18,63 Area de proyecto de la excavación Sp m2 16,33 16,33 16,33 16,33 16,33 16,33 16,33 16,33 6 Coeficiente de sobreexcavación Ks 1,12 1,08 1,13 1,136 1,13 1,14 1,06 1,14 7 Metraje de barrenación Mb m 140 140 140 140 140 140 140 210 Metraje específico de barrenación Mel m/m 60,87 70 77,8 70 93,3 140,0 87,5 140,0 Metraje específico de barrenación Mev m/m3 3,34 3,97 4,22 3,77 5,04 7,54 5,04 7,51 8 Gasto de detonadores Qdet Unid 56 56 56 56 56 56 56 56 Gasto específco de detonadores Qdet unid/m 24,35 28,00 31,11 28,00 37,33 56,00 35,00 37,33 9 Gasto de cordón detonante Qcd m 66 66 66 66 66 66 66 93,5 Gasto especifico de cordón detonante qcd m/m 28,7 33,00 36,67 33,00 44,00 66,00 41,25 62,33 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. 9 2,4 3,75 56 6 6 15 22 7 2,4 1,8 1,8 1,2 1,8 12 0,27 44,45 0,64 18,52 16,33 1,13 210 87,5 4,72 56 23,33 93,5 38,96 10 1,95 3,7 56 6 11 13 19 7 2,4 1,8 1,8 1,2 1,8 93 2,55 36,46 0,53 18,70 16,33 1,15 207,2 106,3 5,68 56 28,72 79,8 40,92 11 2,00 3,7 56 6 11 13 19 7 2,4 1,8 1,8 1,2 1,8 93 2,45 37,89 0,54 18,95 16,33 1,16 207,2 103,6 5,47 56 28,00 79,8 39,90 �Anexos Tesis Doctoral Tabla 5 Comportamiento de los indicadores de las voladuras de producción .Trasvase Este-Oeste. Túnel :Yagrumal –Guaro.Frente:Ojo de Agua-Serones Trasvase Melones – Sabanilla Tramo Yagrumal -Guaro Frente:Ojo de Agua -Serones Orden consecutivo de las voladuras . Nº Parámetros Principales Símbolo UM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Prom 1 Avance del frente la m 2,35 2,55 2,30 2,38 2,35 2,45 2,32 2,28 2,34 2,35 2,29 2,4 2,36 Longitud de los barrenos lb m 3,35 3,35 3,35 3,35 3,35 3,35 3,35 3,35 3,35 3,35 3,35 3,35 3,35 Cantidad Total de Barrenos Nb Unid 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 De cuele nc Unid 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 ayudantes de cuele nac Unid 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 De cuele vacío (taladro de 102mm de Ø) ncv Unid 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 De arranque Na Unid 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 De contorno ncont Unid 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 De piso np Unid 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 Carga barrenos de cuele qbc Kg 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 Carga barrenos ayudantes de cuele qbac Kg 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 Carga barrenos de arranque qba Kg 2,28 2,28 2,28 2,28 2,28 2,28 2,28 2,28 2,28 2,28 2,28 2,28 2,28 Carga barrenos de contorno qbcont Kg 1,82 1,82 1,82 1,82 1,82 1,82 1,82 1,82 1,82 1,82 1,82 1,82 1,82 Carga barrenos de piso qbp Kg 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2,73 2 Extensión del montón de rocas Lm m 9 6,4 7,5 10 8,2 9 8,4 9,2 9,4 9,7 9,5 10 8,9 3 Gasto de SE Qse Kg 137,9 137,9 137,9 137,9 137,9 137,9 137,9 137,9 138 137,9 137,9 137,9 137,9 Gasto específco volumétrico de SE qsev Kg/m3 1,62 1,52 1,63 1,55 1,66 1,55 1,68 1,66 1,59 1,61 1,62 1,61 1,61 Gasto específco lineal de SE qsel Kg/m 58,67 54,06 59,94 57,93 58,67 56,27 59,42 60,47 58,92 58,67 60,20 57,44 58,39 4 Volumen de roca arrancada in situ Vr m3 85,09 90,98 84,43 88,80 83,24 89,20 82,17 83,20 86,60 85,38 85,28 85,70 85,84 5 Coefic. aprovechamiento de los barrenos CAB % 0,70 0,76 0,69 0,71 0,70 0,73 0,69 0,68 0,70 0,70 0,68 0,72 0,71 6 Area de laboreo de la excavación Sl m2 36,21 35,68 36,71 37,31 35,42 36,41 35,42 36,49 37,01 36,33 37,24 35,71 36,33 Area de proyecto de la excavación Sp m2 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 7 Coeficiente de sobreexcavación Ks 1,17 1,16 1,19 1,21 1,15 1,18 1,15 1,18 1,20 1,18 1,21 1,16 1,18 8 Metraje de barrenación Mb m 204,4 204,4 204,4 204,4 204,4 204,4 204,4 204,4 204 204,4 204,4 204,4 204,4 Metraje específico de barrenación Mbe m/m3 86,96 80,14 88,85 85,86 86,96 83,41 88,08 89,63 87,33 86,96 89,24 85,15 86,55 9 Gasto de detonadores Qdet Unid 2,40 2,25 2,42 2,30 2,46 2,29 2,49 2,46 2,36 2,39 2,40 2,38 2,38 Gasto específco lineal de detonadores qdet Unid/m 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61,00 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 6 Comportamiento de los principales indicadores técnico-económicos del laboreo de las excavaciones. Nº Mina,Trasvase 1 2 Mercedita Amores 1989-1990 2004-2005 3 4 El Cobre Trasvase Caney-Gilbert Frente I Frente II Frente III Frente IV Trasvase Este-Oeste Túnel de toma Túnel Esperanza-En medio Túnel Ojo de Agua-Yagrumal Túnel Ojo de Agua-Serones 1989-1990 1993-1994 Idem Idem Idem Idem 40,5-55,5 138 42 43 54 19 1,13 2,12 0,30 0,18 1990 1990 2006 2006 39 59 45 60 1,89 1,88 2,34 2,36 0,15 0,23 0,19 0,20 5 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Período Velocidad de avance Productividad Mensual,m/mes Por ciclo m/h-turno 124,6-114 1,01 0,24 18,9-19,9 1,02 0,15 �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 6. Gráficos del comportamiento de los indicadores de las voladuras de producción (base) en las minas y trasvases en investigación. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Anexo 6.1 Mina Mercedita Histograma de comportamiento de la longitud de av ance.Voladuras de producción.Mina Mercedita 5 Histograma de comportamiento de la sección de laboreo. Voladuras de Producción.Mina Mercedita 5 4 Nº de observaciones,N Nº deObservaciones,n 4 3 2 1 0 5,16 5,39 5,61 5,84 6,06 6,29 6,51 3 2 1 0 6,74 0,95 0,97 1,00 Sección transv ersal de laboreo,m2 1,07 1,10 1,12 Histograma del comportamiento del aprov echamiento de los barrenos. Voladuras de producción.Mina Mercedita 5 5 N º de observaciones,N 4 4 No of obs 1,05 Longitud de av ance la ,m Histograma de comportamiento de la rugosidad del contorno de la excav ación.Voladuras de producción.Mina Mercedita 6 3 2 1 0 1,02 3 2 1 0,01 0,02 0,04 0,05 0,07 0,09 Rugosidad del contorno,m M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. 0,10 0,12 0 0,63 0,65 0,67 0,68 0,70 0,71 Coef iciente de aprov echamiento de los barrenos 0,73 0,75 �Anexos Tesis Doctoral Histograma de f recuencia del coef iciente de sobreexcav ación Ks.Mina Mercedita 5 Histograma de comportamiento del consumo específico de explosivo. Voladuras de producción.Mina Mercedita 6 5 Nº de Observaciones,N No of obs 4 3 2 1 0 4 3 2 1 1,15 1,20 1,25 1,30 1,35 1,40 1,45 0 1,50 Ks Consumo específ ico de SE qse,kg/m3 Histograma del comportamiento del metraje específ ico de barrenación. Voladuras de producción.Mina Mercedita 5 Nº de observaciones,N 4 3 2 1 0 15,5 16,0 16,5 2,3669 2,4579 2,5490 2,6400 2,7311 2,8221 2,9131 3,0042 17,0 17,5 18,0 18,5 Metraje específ ico de barrenación,m/m M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. 19,0 19,5 �Anexos Tesis Doctoral Anexo 6.2 Trasvase Caney-Gilbert Histograma del comportamiento de la sobreexcav ación. Voladuras de producción.Trasv ase Caney -Gilbert. Histograma del comportamiento del área de excav ación. Voladuras de producción.Trasv aseCaney -Gilbert 9 8 8 7 7 Nº de observaciones,N 9 No of obs 6 5 4 3 2 1 0 6 5 4 3 2 1 1,150 1,160 1,155 1,170 1,165 1,180 1,175 1,190 1,185 1,200 1,195 0 1,205 18,7 18,8 18,9 19,0 19,1 19,2 19,3 19,4 19,5 19,6 19,7 Área de laboreo,m 2 Coef iciente de sobreexcav ación,Ks Figura 1 Figura 2 Histograma del comportamiento de la longitud de av ance. Voladuras de producción.Trasv ase Caney -Gilbert 9 8 8 7 7 Nº de observaciones,N Nº de observaciones ,N Histograma del comportamiento de la rugosidad del contorno. Voladuras de producción.Trasv ase Caney -Gilbert. 6 5 4 3 2 5 4 3 2 1 1 0 6 0 0,16 0,17 0,18 0,19 0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00 Rugosidad del contorno,m Figura 3 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Longitud de av ance,m Figura 4 �Anexos Tesis Doctoral Histograma del comportamiento del consumo específ ico de SE. Voladuras de producción.Trasv ase Caney -Gilbert. 10 8 9 7 8 Nº de observaciones,N Nº de observaciones,N Histograma de comportamiento del aprov echamiento del barreno. Voladuras de producción.Trasv ase Caney -Gilbert. 9 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 0 1,00 Figura 5 Figura 6 Histograma del comportamiento del metraje específ ico de barrenación. Voladuras de producción.Trasv ase Caney -Gilbert. 7 Nº de observaciones ,N 6 5 4 3 2 1 0 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Metraje específ ico de barrenación,m/m Figura 7 Anexo 6.3 Trasvase Este Oeste.Tramo Ojo de Agua-Yagrumal M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 Consumo específ ico de SE qSE, kg/m 3 Coef iciente de prov echamiento del barreno,Ks 5,00 5,50 �Anexos Tesis Doctoral Histograma del comportamiento del área de laboreo de la excav ación. Voladuras de producción.Trasv ase Melones-Sabanilla.Tramo Ojo de Agua Y agrumal 8 Histograma de comportamiento de la rugosidad del contorno. Voladuras de producción.Trasv ase Melones-Sabanilla.Tramo Ojo de AguaY agrumal. 6 5 Nº de observaciones,N Nº de observaciones,N 7 6 5 4 3 2 4 3 2 1 1 0 0 35,71 35,82 35,93 36,04 36,16 36,27 36,38 36,49 0,154 0,164 Área de laboreo Sl, m 2 0,174 0,184 0,194 0,204 0,214 0,224 Rugosidad del contorno,m Figura 1 Figura 2 Histograma del comportamiento de la sobreexcav ación. Voladuras de producción.Trasv ase Melones-Sabanilla.Tramo Ojo de AguaY agrumal 8 Histograma del comportamiento de la longitud de av ance. Voladuras de producción.Trasv ase Melones-Sabanilla.Tramo Ojo de AguaY agrumal. 4 Nº de observaciones,N 7 No of obs 6 5 4 3 2 3 2 1 1 0 0 1,156 1,160 1,163 1,167 1,170 1,174 1,178 1,181 2,21 Coef iciente de sobreexcav ación,Ks Figura 3 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. 2,25 2,29 2,33 2,36 Longitud de av ance la, m Figura 4 2,40 2,44 �Anexos Tesis Doctoral 3 2 1 0 Histograma del comportamiento del consumo específ ico de SE. Voladuras de producción.Trasv ase Melones-Sabanilla.Tramo Ojo de AguaY agrumal. 5 Nº de observaciones,N Nº de observaciones,N Histograma del comportamiento del aprov echamiento del barreno. Voladuras de producción.Trasv ase Melones -Sabanilla.Tramo Ojo de AguaY agrumal. 4 0,66 0,67 0,68 0,69 0,70 0,71 0,72 0,73 4 3 2 1 0 1,65 Figura 5 Figura 6 Nº de observaciones,N Histograma del comportamiento del metraje específ ico de barrenación. Voladuras de produccción.Trasv ase Melones-Sabanilla.Tramo Ojo de AguaY agrumal. 4 3 2 1 0 83,75 85,00 86,24 87,49 88,73 89,98 91,22 Metraje específ ico de barrenación,m/m Figura 7 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. 1,70 1,75 1,80 1,84 1,89 1,94 Consumo específ ico de SE qSE , Kg/m 3 Coef iciente de aprov echamiento del barreno 92,47 1,99 �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 7. Gráficos del comportamiento de la velocidad mensual de avance M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Comportamiento de la velocidad mensual de avance.Mina Amores.Año 2004 Velocidad de avance,m/mes 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Setiembre Octubre Noviembre Diciembre Meses Figura 1 Comportamiento de la velocidad mensual de avance.Mina Amores.Año 2005 Velocidad mensual de avance.m/mes 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Meses Figura 2 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Agosto Setiembre Octubre Noviembre Diciembre �Tesis Doctoral Comportamiento de la velocidad mensual de avance.Trasvase CaneyGilbert.Frente Nº2 Com portam iento de la velocidad m ensual de avance. Trasvase Caney-Gilbert.Frente Nº1 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 mar- abr- may- jun93 93 93 93 jul93 ago- sep- oct - nov- dic93 93 93 93 93 ene- feb- mar- abr- may- jun94 94 94 94 94 94 Velocidad mensual de avance.m/mes Velocidad mensual de avance,m/mes Anexos jul94 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 mar-93 abr-93 may-93 jun-93 jul-93 ago-93 sep-93 oct-93 nov-93 Meses Meses Figura 3 Figura 4 Com portam iento de la velocidad m ensual de avance.Trasvase Caney-Gilbert.Frente Nº3 Com portam iento de la velocidad m ensual de avance.Trasvase Caney-Gilbert.Frente Nº4. 120,00 120,00 Velocidad mensual, m/mes 100,00 Velocidad mensual,m/mes 100,00 80,00 80,00 60,00 60,00 40,00 40,00 20,00 20,00 0,00 mar - abr93 93 may- jun- jul- 93 ago93 93 93 sep- oct - nov- dic- 93 93 93 93 ene- f eb- mar - abr 94 94 94 94 may- jun- jul- 94 94 94 0,00 mar- abr- may- jun93 93 93 93 Meses Figura 5 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. jul- ago- sep- oct- nov- dic- ene- feb- mar- abr93 93 93 93 93 93 94 94 94 94 Meses Figura 6 �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 8 Parámetros principales de las ondas de choque y de presión en las litologías objeto de estudio en los macizos en investigación. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 1 Parámetros de la onda de choque producida por una carga compacta en las litologías presentes en las minas y trasvases en investigación. Parámetros de la onda refractada a la roca Nº Litologías Obra,Mina Tramo,excavación Pb, MPa. Pr, MPa. Kref ρr,kg/m3 Vroca,m/s Vfrente,m/s I.1 Cromita Mercedita Galeria de corte 5577 8819 1,58 4084 1523 5781 I.2 Serpentinita. Mercedita Socavón M-1 6491 8819 1,58 2984 1806 1815 I.3 Peridotita Mercedita Socavón M-1 6101 8176 1,34 2871 1801 5149 I.4 Dunita Mercedita Galería nivel principal 6101 8226 1,39 2966 1762 5395 I.5 Gabro Mercedita Galería nivel principal 5757 8306 1,44 3178 1701 5468 II.1 Dunitas Amores Socavón A-1 6757 8328 1,23 2900 1853 4581 II.2 Harzburgita Amores Socavón A-1 6596 8357 1,27 3161 1773 4451 II.3 Serpentinita Amores Socavón A-1 5945 8292 1,39 3224 1703 5063 II.4 Cromita Amores Socavón A-1 5558 8916 1,60 4222 1502 5918 III.1 Porfirita andesiticas El Cobre Galería principal nivel +30 5840 8206 1,41 4337 1790 2797 III.2 Tobas andesíticas El Cobre Galería principal nivel +30 5826 8225 1,41 4381 1779 2790 III.3 Areniscas tobaceas El Cobre Galería principal nivel +30 5754 8464 1,44 4362 1755 2834 IV.1 Tobas Trasvase Caney –Gilbert Frente 1 3852 5820 1,51 3177 1414 4874 IV.2 Aglomerados Trasvase Caney –Gilbert Frente 1 4080 5635 1,38 3284 1409 3830 V.1 Gabro Trasvase Este-Oeste Yagrumal –Guaro 5903 8274 1,40 3129 1722 5229 V.2 Basalto Trasvase Este-Oeste Manacal-Castellanos 5894 8288 1,41 3173 1711 5206 V.3 Caliza masiva Trasvase Este-Oeste Yagrumal –Guaro 5636 8432 1,50 2928 1764 6470 V.4 Caliza blanco crema masiva Trasvase Este-Oeste Yagrumal –Guaro 5695 8327 1,46 2951 1756 6020 V.5 Serpentinita pardo-verdosa Trasvase Este-Oeste Guaro-Manacal 6300 8334 1,32 3334 1707 4528 V.6 Aleurolitas Trasvase Este-Oeste Castellanos –Manacal 6613 7883 1,19 2332 2011 4970 VI.1 Aleurolitas Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Tunel 2 6606 8188 1,24 3363 1729 3181 VI.2 Esquistos verdes Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Túnel 1 5649 8366 1,48 2944 1757 4017 VI.3 Calizas arcillosas Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Túnel 1 6166 8254 1,34 3115 1745 4838 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 2 Parámetros de la onda de presión producida por una carga desacoplada en las litologías de las minas y trasvases en investigación.. Nº Parámetros de la onda refractada a la roca Litologías Mina, Trasvase Tramo,excavación I.1 I.2 I.3 I.4 I.5 II.1 II.2 II.3 II.4 III.1 III.2 III.3 IV.1 IV.2 V.1 V.2 V.3 V.4 V.5 V.6 VI.1 VI.2 VI.3 3 Pb, MPa. Pr, MPa. Kref ρr,kg/m Vroca,m/s Vfrente,m/s Cromita Mercedita Galeria de corte 415 672 1,62 3832 44 5242 Serpentinita. Mercedita Socavón M-1 415 543 1,31 2583 76 3721 Peridotita Mercedita Socavón M-1 415 592 1,43 2903 63 4293 Dunita Mercedita Galería nivel principal 415 672 1,62 2687 63 4622 Gabrodiabasa Mercedita Galería nivel principal 415 611 1,47 2905 58 4788 Dunitas Amores Socavón A-1 415 588 1,45 2827 61 4619 Harzburgita Amores Socavón A-1 415 553 1,33 2848 73 3559 Serpentinita Amores Socavón A-1 415 592 1,43 2903 63 4293 Cromita Amores Socavón A-1 415 675 1,63 3981 42 5406 Porfirita andesiticas El Cobre Galería principal nivel +30 415 809 1,50 2779 56 5346 Tobas andesíticas El Cobre Galería principal nivel +30 415 598 1,46 2723 60 4896 Areniscas tobaceas El Cobre Galería principal nivel +30 415 622 1,47 2722 59 5065 Tobas Trasvase Caney –Gilbert Frente 1 415 614 1,48 2947 59 4665 Aglomerados Trasvase Caney –Gilbert Frente 1 415 639 1,30 2908 76 3261 Gabro-diabasa Trasvase Este-Oeste Yagrumal –Guaro 415 830 2,00 2870 62 4467 Diabasa Trasvase Este-Oeste Manacal-Castellanos 415 596 1,44 2870 62 4451 Caliza masiva Trasvase Este-Oeste Yagrumal –Guaro 415 830 2,00 2735 53 5784 Caliza blanco crema masiva Trasvase Este-Oeste Yagrumal –Guaro 415 619 1,49 2726 54 5612 Serpentinita pardo-verdosa Trasvase Este-Oeste Guaro-Manacal 415 830 2,00 2916 71 3662 Aleurolitas Trasvase Este-Oeste Castellanos -Manacal 415 510 1,23 1991 84 4068 Aleurolitas Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Tunel 2 415 530 1,28 2819 79 3217 Esquistos cloríticos Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Túnel 1 415 626 1,51 2737 55 5564 Calizas arcillosas Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Túnel 1 415 569 1,37 2758 69 3992 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 9 Gráficos de los campos tensionales producidos por una carga compacta de tectrón en las litologías objeto de estudio de los macizos investigados. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Curvas de extinsión del campo de tensiones generado por una carga compacta de tectron 100 en serpentinitas pardo-verdosas. Trasvase Este-Oeste.Túnel Manacal-Castellanos Extinción de las curvas del campo tenso-deformacional generado por cargas compactas de tectron 100 en diabasa.Trasvase Este-Oeste. Túnel :Manacal -Castellanos. 200 Tensión ,MPa 160 140 4 100 2 80 60 1 40 0 2- Tensión al cortante 3- Tensión tangencial 4- Límite de resistencia dinámica al cortante 5- Límite de resistencia dinámica a la tracción 80 60 40 1 5 3 0 0 0 15 30 45 4 2 20 5 20 1- T ensión radial 100 Tensión,MPa 180 120 120 1-Tensión radial 2- Tensión tangencial 3- Tensión al cortante 4- Límite de resistencia dinámica al cortante 5- Límite de resistencia dinámica a la tracción 60 75 90 105 120 20 40 60 80 100 3 120 140 160 180 Distancia relativ a Distancia relativa Figura 1 Cargas compactas.Llitología: basalto Figura 2 Curv as de extinción de las componentes del campo tensional 250 1 2 3 4 5 225 200 175 150 Tensión radial Tensión tangencial Tensión al cortante Límite de resistencia dinámica al cortante Límite de resistencia dinámica a la tracción 125 100 3 1 2 75 4 50 25 0 5 0 10 20 30 40 50 60 70 Distancia relativ a Figura 3 Cargas compactas.Llitología: caliza masiva M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. 80 Cargas compactas.Llitología: serpentinita 200 �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 9A Determinación del campo tenso-deformacional con cargas compactas de sustancia explosiva en las litologías donde están enclavadas las minas y trasvases en investigación.. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 1 Modelación del campo tenso-deformacional Mina Mercedita Datos Litologia Serpentinita Tipo de carga : compacta ρo 2530 kg/m3 Kdt VLD [σ ] [σ ] e comp e trac 3783 m/s 29,43 MPa MPa kg/m3 m/s Kcal/kg M M kg/m3 Kcal/kg MPa RCE 0,0129 C1 0,3082 C2 -0,0014 Cálculo del campo tensional σrmax,MPa r,m r 0,0210 1,62412 4195 0,0259 2,00 3135 0,0388 3,00 1777 0,0517 4,00 1188 0,0647 5,00 869 0,0776 6,00 673 0,0905 7,00 543 0,1035 8,00 450 0,1164 9,00 382 0,1241 9,60 349 0,1293 10,00 329 0,1423 11,00 288 0,1552 12,00 255 0,1940 15,00 200 0,2586 20,00 145 0,3013 23,30 123 0,3880 30,00 93 0,5173 40,00 68 0,6466 50,00 53 0,7759 60,00 43 0,9053 70,00 37 0,9548 73,83 35 1,0346 80,00 32 1,1639 90,00 28 1,2932 100,00 25 1,5519 120,00 19 1,6812 130,00 17 1,8972 146,70 13,94 ρSE Vd QSE dc db ρTEN QTEN Pr 4,14 1150 4400 740 0,042 0,042 1650 1360 8272 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. [σ ] [σ ] [σ ] 13,94 MPa e cort 6,37 MPa d cort 44,61 MPa Rtrit Rg Rdesc W 3,37 d trac 0,3013 0,9548 1,8972 1,4260 στmax,MPa. σcortmax,MPa. 1283 1456 957 1089 540 618 359 414 262 304 202 236 162 190 134 158 113 134 103 123 97 116 84 102 74 90 57 71 41 52 34 44,61 25 34 17 25 13 20 10 17 8 15 6,97 14 6 13 5 11 4 10 3 8 2 7 1 6 m m m m �Anexos Tesis Doctoral Tabla 2 Modelación del campo tenso-deformacional Cargas compactas Trasvase Caney-Gilbert Frente Nº 1 Datos Iniciales Litologia Tobas ρo 2910 kg/m3 Kdt VLD [σ ] [σ ] e comp e trac 2954 m/s 25,60 MPa MPa kg/m3 m/s Kcal/kg m m kg/m3 Kcal/kg MPa RCE 0,012932 C1 0,285992 C2 -0,001226 Cálculo del campo tensional R,m Ř σrmax,MPa 0,0647 5,00 611 0,0776 6,00 474 0,0905 7,00 382 0,1002 7,75 331 0,1164 9,00 269 0,1293 10,00 232 0,1423 11,00 203 0,1552 12,00 180 0,1811 14,00 145 0,1973 15,26 138 0,2069 16,00 131 0,2328 18,00 115 0,2586 20,00 102 0,3205 24,78 81 0,3880 30,00 66 0,5173 40,00 48 0,5740 44,39 42,58 0,6466 50,00 37 0,7113 55,00 34 0,7759 60,00 31 0,9053 70,00 26 0,9699 75,00 24 1,1070 85,60 20,67 1,1510 89,00 20 1,2932 100,00 17 ρSE Vd QSE dc db ρTEN QTEN Pr 6,10 1150 4400 740 0,042 0,042 1650 1360 5820 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. [σ ] [σ ] [σ ] 20,67 MPa. e cort 7,21 MPa. d cort 50,50 MPa. Rtrit Rg Rdesc W 3,39 d trac 0,1973 0,3205 1,1070 0,7137 στmax,MPa σcortmax,MPa 171 220 132 171 106 138 92 120 74 97 63 84 55 74 49 65 39 53 37 50,50 35 48 30 42 27 38 20,67 30 16 25 11 18 10 16 8 14 7 13 6 12 5 10 5 10 4 8 4 8 3 7 m m m m �Anexos Tesis Doctoral Tabla 3 Modelación de los campos tenso-deformacional Cargas compactas de tectrón Trasvase Este –Oeste Túnel Yagrumal – Guaro Frente Ojo de Agua-Yagrumal Datos Litologia Caliza masiva Resistencia dinámica de las rocas ρo 2710 kg/m3 Kdt 3,25 VLD [σ ] [σ ] e comp 5983 m/s 60,92 Mpa e trac [σ ] [σ ] [σ ] d trac 12,79 MPa e cort 8,94 MPa d cort 3,94 MPa 62,61 ρSE 1150 kg/m3 Campo deformacional Vd 4400 m/s Rtrit 0,1774 QSE 740 Kcal/kg 0,7678 Rg Rdesc dc 0,042 Mm 2,0349 db 0,042 Mm W 1,4013 ρTEN 1650 kg/m3 QTEN 1360 Kcal/kg Pr 8432,00 MPa RCE 0,01293 C1 0,45968 C2 -0,00293 Cálculo del campo-tenso deformacional R,m Ř Σcmax,MPa Σtmax,MPa σcortmax,MPa 0,1035 8,00 459 200 129 0,1164 9,00 389 169 110 0,1202 9,29 372 161 106 0,1293 10,00 336 144 96 0,1774 13,72 216 90 62,61 0,2586 20,00 127 51 38 0,3028 23,42 102 40 31 0,5173 40,00 48 17 16 0,5481 42,38 44 15 15 0,7678 59,37 45 12,79 16 0,9053 70,00 37 10 14 0,9812 75,87 34 8 13 1,1639 90,00 28 6 11 1,2932 100,00 25 4 11 1,5519 120,00 19 2 9 1,8105 140,00 15 1 7 2,0349 157,35 12,79 0 6 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. MPa m m m m �Anexos Tesis Doctoral Tabla 4 Modelación de los campos tenso-deformacional Trasvase Este –Oeste Tramo Yagrumal-Guaro Frente Ojo de Agua-Yagrumal Datos Litologia Caliza blanco,crema masiva Cargas compactas de tectrón Resistencia dinámica de las rocas ρo 2700 kg/m3 Kdt 3,28 VLD [σ ] [σ ] e comp 5500 m/s 50,14 Mpa e trac [σ ] [σ ] [σ ] d trac 15,63 MPa e cort 8,93 MPa d cort 4,77 MPa 62,50 ρSE 1150 kg/m3 Campo deformacional Vd 4400 m/s Rtrit 0,1820 QSE 740 Kcal/kg 0,5128 Rg Rdesc dc 0,042 Mm 1,7655 db 0,042 Mm W 1,1391 ρTEN 1650 kg/m3 QTEN 1360 Kcal/kg Pr 8327,00 MPa RCE 0,01293 C1 0,42858 C2 -0,00263 Cálculo del campo-tenso deformacional r,m Ř σcmax,MPa Σtmax,MPa σcortmax,MPa 0,1035 8,00 453 185 134 0,1164 9,00 384 156 114 0,1202 9,29 367 148 109 0,1293 10,00 332 133 99 0,1820 14,07 205 80 62,50 0,2586 20,00 126 47 39 0,3028 23,42 101 37 32 0,5128 39,65 48 15,63 16 0,5481 42,38 44 14 15 0,7591 58,70 45 12 16 0,9053 70,00 37 9 14 0,9812 75,87 34 8 13 1,1639 90,00 28 5 11 1,2932 100,00 25 4 10 1,5519 120,00 19 2 8 1,7655 136,52 15,63 1 7 2,0084 155,30 13 0 6 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. MPa m m m m �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 9B Determinación del campo tenso-deformacional con cargas desacopladas de sustancia explosiva en las litologías en estudio en las minas y trasvases en investigación. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tabla 1 Modelación del campo tenso-deformacional Cargas desacopladas con espacio anular de aire Mina Amores Datos Litologia :Harzburgitas ρo 2790 kg/m3 Kdt 3,37 VLD 3618 m/s [σdt] 13,94 [σec] 73,9 MPa [σecort] 10,10 e d [σ t] 4,14 MPa [σ cort] 70,69 ρSE 1150 kg/m3 Vd 4400 m/s Rtrit 0,0661 QSE 740 Kcal/kg Rgunis 0,4277 dc 0,032 m Rgais 0,246 db 0,042 m Rdesc 0,7627 ρtrotil 1500 kg/m3 0,50 W Qtrotil 1010 Kcal/kg Vtrotil 6700 m/s Vc/Vb 0,1956 N 3 Kref 1,33 Χ 1,41 C1 0,3201 C2 -0,0016 Rc 0,016 m Rce 0,0120 m Rb 0,021 m Ř. 1,7512 Pprodexplos 2783 MPa ρr 2848 Pcamcarga 544 MPa Vr 73 Prefractada 725 MPa Vf 3559 Cálculo del campo tensional r,m Ř σrmax,MPa σtmax,MPa σcortmax,MPa 0,021 1,8 725 230 248 0,030 2,5 482 152 165 0,048 4,0 292 92 100 0,066 5,5 205 64 70,69 0,072 6,0 187 58 64 0,084 7,0 158 49 55 0,096 8,0 136 42 47 0,108 9,0 120 37 42 0,120 10,0 107 32 37 0,246 20,5 48 13,94 17 0,360 30,0 32 9 12 0,428 35,7 26 6,97 10 0,600 50,0 18 4 7 0,763 63,6 13,94 3 5 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Tesis Doctoral MPa MPa MPa M M M M M Kg/m3 m/s m/s �Anexos Tabla 2 Modelación del campo tenso-deformacional Trasvase Caney –Gilbert Tramo:Frente 1 Datos Litologia: Tobas Cargas Desacopladas con espacio anular de aire ρo 2910 kg/m3 Kdt 3,29716 VLD 4954 m/s [σdt] 20,11 e e [σ c] 25,60 MPa [σ cort] 7,21 [σet] 6,10 MPa [σdcort] 50,50 ρSE 1150 kg/m3 Vd 4400 m/s Rtrit QSE 740 Kcal/kg Rgunis 0,0872 dc 0,032 M Rgais 0,4137 db 0,042 M Rdesc 0,2422 ρtrotil 1500 kg/m3 0,6017 W Qtrotil 1010 Kcal/kg Vtrotil 6700 m/s Vc/Vb 0,1956 n 3 Kref 1,48 C1 0,4187 C2 -0,0025 Rc 0,016 m Rce 0,0120 M Rb 0,021 M Ř. 1,7512 Pfrenteonda 5566 MPa ρr 2945 Pprodexplos 2783 MPa Vr 58 Pcamcarga 544 MPa Vf 3953 Prefractada 806 MPa Cálculo del campo tensional r,m ř σrmax,MPa σtmax,MPa σcortmax,MPa 0,021 1,8 798 331 234 0,034 2,8 478 197 141 0,044 3,7 357 146 105 0,060 5,0 254 103 75 0,072 6,0 208 84 62 0,087 7,3 168 67 50,50 0,096 8,0 152 60 46 0,108 9,0 133 53 40 0,120 10,0 119 47 36 0,180 15,0 76 29 24 0,242 20,2 55 20,11 17 0,300 25,0 43 15 14 0,360 30,0 35 12 12 0,414 34,5 30 10,06 10 0,481 40,1 26 8 9 0,540 45,0 23 7 8 0,602 50,2 20,11 6 7 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Tesis Doctoral MPa MPa MPa m m m m Kg/m3 m/s m/s �Anexos Tabla 3 Modelación del campo tenso-deformacional Trasvase Este –Oeste Tramo:Yagrumal _Guaro Datos Litologia:Serpentinita pardo verdosa Cargas:Desacopladas con espacio anular de aire ρo 2860 kg/m3 Kdt 3,3604 VLD 3730 m/s [σdt] 9,58 e e [σ c] 23,40 MPa [σ cort] 4,71 [σet] 2,85 MPa [σdcort] 33,00 ρSE 1150 kg/m3 Vd 4400 m/s Rtrit 0,1339 QSE 740 Kcal/kg Rgunis 0,5828 dc 0,032 M Rgais 0,3475 db 0,042 M Rdesc 1,9100 ρtrotil 1500 kg/m3 1,2464 W Qtrotil 1010 Kcal/kg Vtrotil 6700 m/s Vc/Vb 0,1956 Kref 1,36 n 3 C1 0,3332 C2 -0,00169 Rc 0,016 m Rce 0,0120 m Rb 0,021 m Ř. 1,7512 Pfrenteonda 324 MPa ρr 2916 Pprodexplos 5566 MPa Vr 71 Pcamcarga 2783 MPa Vf 3662 Prefractada 544 MPa Prefractada 739 MPa R,m Ř σrmax,MPa σtmax,MPa σcortmax,MPa 0,0210 1,8 739 244 247 0,0360 3,0 409 134 137 0,0480 4,0 298 97 100 0,0959 8,0 139 44 47 0,1079 9,0 122 39 42 0,1199 10,0 109 34 37 0,1339 11,2 96 30 33,00 0,2398 20,0 51 15 18 0,3475 29,0 34 9,58 12 0,4797 40,0 24 6 9 0,5828 48,6 19 4,79 7 1,0500 50,0 18 5 7 1,2600 60,0 15 4 6 1,6800 80,0 11 2 4 1,9100 91,0 9,58 2 4 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Tesis Doctoral MPa MPa MPa m m m m m Kg/m3 m/s m/s �Anexos Tabla 4 Modelación del campo tenso-deformacional Trasvase Este –Oeste Tramo:Yagrumal _Guaro Datos Litologia:Caliza masiva Cargas desacopladas con espacio anular de aire ρo 2710 Kg/m3 Kdt 3,25 VLD 5983 m/s [σdt] 12,80 [σec] 60,92 MPa [σecort] 8,95 e [σ t] 3,942 MPa [σdcort] 62,63 ρSE 1150 kg/m3 Vd 4400 m/s Rtrit 0,0688 QSE 740 Kcal/kg Rgunis 0,6061 dc 0,032 M Rgais 0,3753 db 0,042 M Rdesc 0,9315 ρtrotil 1500 kg/m3 W Qtrotil 1010 Kcal/kg Vtrotil 6700 m/s Vc/Vb 0,1956 N 3 Kref 1,52 Χ 1,41 C1 0,4597 C2 -0,0029 Rc 0,016 M Rce 0,0120 M Rb 0,021 M Ř. 1,75 Pfrenteonda 5566 MPa ρr 2735 Pprodexplos 2783 MPa Vr 53 Pcamcarga 544 MPa Vf 5784 Prefractada 830 MPa r,m Ř σrmax,MPa σtmax,MPa σcortmax,MPa 0,021 1,8 830 377 226 0,030 2,5 558 253 153 0,036 3,0 459 207 126 0,048 4,0 335 150 92 0,060 5,0 262 116 73 0,069 5,7 225 100 62,63 0,084 7,0 181 79 51 0,096 8,0 156 68 44 0,108 9,0 137 59 39 0,120 10,0 122 53 35 0,180 15,0 78 32 23 0,240 20,0 57 23 17 0,375 31,3 35 12,80 11 0,480 40,0 27 9 9 0,606 50,5 21 6,40 7 0,719 60,0 17 5 6 0,932 77,7 12,80 16 -2 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Tesis Doctoral MPa MPa MPa m m m m Kg/m3 m/s m/s �Anexos Tesis Doctoral Tabla 5 Modelación del campo tenso-deformacional Cargas desacopladas con espacio radial de aire Obra:Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl.Túnel1 Datos Iniciales Litologia Esquistos cloríticos Resistencia dinámica de las rocas ρo 2710 kg/m3 Kdt 3,26 VLD 5750 m/s [σdt] 13,04 MPa [σec] 176,00 MPa [σecort] 15,32 MPa [σet] 4,00 MPa [σdcort] 107,23 MPa Rtrit Rgunis Rgais Rdesc 0,0424 0,5864 0,3601 0,9080 0,7472 3 ρSE 1150 kg/m Vd 4400 m/s QSE 740 Kcal/kg dc 0,032 M db 0,042 M ρtrotil 1500 kg/m3 Qtrotil 1010 Kcal/kg Vtrotil 6700 m/s Vc/Vb 0,1956 N 3 Kref 1,51 Χ 1,41 C1 0,4453 C2 -0,0028 Rc 0,016 M Rce 0,0120 M Rb 0,021 M Ř. 1,7512 Pfrenteonda 5566 MPa Pprodexplos 2783 MPa Pcamcarga 544 MPa Prefractada 822 MPa Cálculo del campo tensional R,m Ř σrmax,MPa 0,021 1,8 814 0,024 2,0 710 0,033 2,8 497 0,042 3,5 380 0,058 4,8 271 0,072 6,0 212 0,096 8,0 155 0,108 9,0 136 0,240 20,0 56 0,360 30,0 36 0,586 48,9 21 0,719 60,0 17 0,908 75,7 13,04 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. W ρr Vr Vf m m m m m 2737 Kg/m3 55 m/s 4528 m/s σtmax,MPa σcortmax,MPa 358 228 312 199 218 140 165 107,23 117 77 91 61 65 45 57 39 22 17 13,04 12 6,52 7 5 6 3 5 �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 10 Parámetros del campo tenso-deformacional generado por cargas de sustancias explosivas compactas y desacopladas en las litologías donde estaban enclavadas las obras en investigación. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 1 Parámetros del campo deformacional producido por la voladura de una carga compacta en las diferentes litologías objeto de estudio Parámetros del campo deformacional Nº Litología Trasvase , Mina Tramo Rt,m Rgu,m Rga,m Rd,m W,m I.1 Dunitas Mercedita Socavón apertura 0,2223 0,9548 0,6217 1,7871 1,2044 I.2 Cromitas Mercedita Galería de corte 0,1219 0,9188 0,6298 1,4519 1,0408 I.3 Serpentinita. Mercedita Socavón de apertura 0,3013 0,9548 0,5990 1,8972 1,2481 I.4 Peridotito Mercedita Socavón de apertura 0,3091 1,0929 0,7219 2,1636 1,4427 I.5 Gabrodiabasa Mercedita Galería nivel principal 0,2396 0,9854 0,6443 1,8627 1,2535 II.1 Dunitas Amores Socavón A-1 0,1628 0,9373 0,6113 1,7243 1,1678 II.2 Cromitas Amores Socavón A-1 0,1655 1,0149 0,6943 1,8150 1,2547 II.3 Harzburgitas Amores Socavón A-1 0,1809 0,8531 0,5238 1,6891 1,1064 II.4 Serpentinita Amores Socavón A-1 0,2611 0,9634 0,6292 1,8078 1,2185 III.1 Porfirita andesiticas El Cobre Galeria principal nivel +30 0,1561 0,7065 0,4350 1,2599 0,8474 III.2 Tobas andesíticas El Cobre Galeria principal nivel +30 0,1002 0,3850 0,2213 0,5740 0,3977 III.3 Areniscas tobaceas El Cobre Galeria principal nivel +31 0,1628 1,0346 0,7624 2,0653 1,4138 IV.1 Tobas Trasvase Caney –Gilbert Frente 1 0,1682 0,6778 0,4173 1,8752 1,1462 IV.2 Aglomerados Trasvase Caney –Gilbert Frente 1 0,2066 0,8800 0,5426 1,7471 1,3136 V.1 Gabrodiabasa Trasvase Este –Oeste Yagrumal –Guaro 0,1244 0,8057 0,5076 1,5062 1,1559 V.2 Dibasa Trasvase Este-Oeste Manacal -Castellanos 0,1202 0,5735 0,3431 0,9491 0,7613 V.3 Caliza Masiva Trasvase Este –Oeste Ojo de Agua - Yagrumal 0,1774 1,0957 0,7678 2,0342 1,5650 V.4 Caliza , blanco crema masiva Trasvase Este –Oeste Castellanos- Manacal 0,1792 0,9925 0,6714 1,7793 1,3859 V.5 Serpentinita pardo -verdosa Trasvase Este –Oeste Guaro-Manacal 0,3952 1,1991 0,8052 2,4481 1,8236 V.6 Aleurolitas Trasvase Este-Oeste Ojo de Agua - Yagrumal 0,6191 1,6190 0,8639 3,2447 2,4318 VI:1 Aleurolitas Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Tunel 2 0,4273 1,01259 0,63303 2,0540 1,5333 VI.2 Esquistos cloríticos Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Túnel 1 0,1201 1,0767 0,7462 1,9980 1,5374 VI.3 Calizas arcillosas Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Túnel 1 0,2706 0,9195 0,5843 1,7640 1,3417 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. b,m 0,2496 0,1220 0,2933 0,3498 0,2681 0,2305 0,2398 0,2533 0,2550 0,1410 0,0127 0,3792 0,4685 0,4336 0,3503 0,1878 0,4692 0,3934 0,6245 0,8129 0,5207 0,4606 0,4222 �Anexos Tesis Doctoral Tabla 2 Parámetros del campo deformacional de una carga desacoplada en las diferentes litologías objeto de estudio Nº Litología Trasvase ,Mina Tramo, excavación Rt,m Rgu,m I.1 Dunitas Mercedita Galería Principal Nivel 0,0792 0,4608 I.2 tas Mercedita Galería Nivel Principal 0,0424 0,4955 I.3 Serpentinitas Mercedita Galería Nivel Principal 0,1009 0,4123 I.4 Peridotitos Mercedita Galería Nivel Principal 0,0936 0,4684 I.5 Gabrodiabasa Mercedita Galería Nivel Principal 0,0784 0,5024 II.1 Dunitas Amores Socavón A-2 0,0612 0,4365 II.2 Cromitas Amores Socavón A-2 0,0419 0,5102 II.3 Harzburgitas Amores Socavón A-2 0,0661 0,4277 II.4 Serpentinita Amores Socavón A-2 0,0936 0,4686 III.1 Porfiritas andesíticas El Cobre Galería Principal Nivel +30 0,0920 0,4749 III.2 Tobas andesíticas El Cobre Galería Principal Nivel +30 0,0333 0,1608 III.3 Areniscas tobaceas El Cobre Galería principal nivel+30 0,0619 0,6044 IV.1 Tobas Caney –Gilbert Frente Nº1 0,0872 0,4137 VI.2 Aglomerados Caney –Gilbert Frente Nº1 0,0988 0,4953 V.I Gabrodiabasa Este –Oeste Yagrumal -Guaro 0,0593 0,5360 V.2 Diabasa Este –Oeste Manacal-Castellanos 0,0413 0,2587 V.3 Caliza Masiva Este –Oeste Ojo de Agua - Yagrumal 0,0688 0,6061 V.4 Caliza , blanco crema masiva Este –Oeste Castellanos- Manacal 0,0709 0,5052 V.5 Aleurolitas Este –Oeste Castellanos -Manacal 0,1819 0,6871 V.6 Serpentinita pardo -verdosa Este –Oeste Tramo Guaro-Manacal 0,1339 0,5828 VI.1 Esquistos cloríticos Sabanalamar-Pozo Azul Túnel 1 0,0424 0,5864 VI.2 Aleurolitas Sabanalamar-Pozo Azul Túnel 2 0,1901 0,5576 VI.3 Calizas arcillosas Sabanalamar-Pozo Azul Túnel 1 0,12945 0,5381 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Parámetros Rga,m Rd,m W,m b,m 0,2708 0,7402 0,6005 0,1397 0,3024 0,5912 0,5433 0,0478 0,2358 0,7503 0,5813 0,1690 0,2758 0,7591 0,6137 0,1453 0,3003 0,7783 0,6404 0,1379 0,2422 0,6017 0,5191 0,0826 0,3131 0,6063 0,5583 0,0480 0,2461 0,7627 0,5952 0,1675 0,2758 0,7591 0,6139 0,1452 0,2829 0,6941 0,5845 0,1096 0,0886 0,2175 0,1891 0,0283 0,3726 0,9611 0,7828 0,1784 0,2422 0,6017 0,5077 0,0940 0,2876 0,9445 0,7199 0,2246 0,3210 0,8875 0,7118 0,1757 0,1455 0,6944 0,4765 0,2179 0,3753 0,9315 0,7688 0,1627 0,3027 0,7617 0,6335 0,1283 0,4064 1,5097 1,0984 0,4113 0,3475 1,9100 1,2464 0,6636 0,3601 0,9080 0,7472 0,1608 0,3263 1,1164 0,8370 0,2794 0,3187 0,9677 0,7529 0,2148 �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 11 Comportamiento de los principales indicadores de las voladuras experimentales M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 1 Voladuras Experimentales en la mina Mercedita Nº Parámetros Principales 1 Avance del frente Longitud de los barrenos Cantidad de Barrenos de cuele de arranque de contorno de piso Carga barrenos de cuele Carga barrenos arranque Carga barrenos de piso Carga barrenos de contorno 2 Extensión del montón de rocas 3 Gasto de SE Gasto específco de SE 4 Volumen de roca arrancada 5 Coefic. aprovechamiento de los barrenos 6 Area de laboreo de la excavación Area de proyecto de la excavación 7 Coeficiente de sobreexcavación 8 Metraje de barrenación Metraje específico de barrenación Metraje específico de barrenación 9 Gasto de detonadores Gasto específco de detonadores M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Orden consecutivo de las voladuras 1 2 3 4 5 6 7 8 9 la m 1,16 1,18 1,23 1,26 1,32 1,41 1,4 1,43 1,12 lb m 1,65 1,65 1,65 1,65 1,65 1,65 1,65 1,65 1,65 Nb Unid 16 16 16 16 16 16 16 16 16 nc Unid 4 4 4 4 4 4 4 4 4 na Unid 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ncont Unid 8 8 8 8 8 8 8 8 8 npiso Unid 4 4 4 4 4 4 4 4 4 qbc Kg 1 1 1 1 1 1 1 1 1 qbac Kg 0 0 0 0 0 0 0 0 0 qba Kg 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 qbco Kg 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 Lm M 6 6 5 6,75 5,9 6 4 4,5 7 Qse Kg 12,00 12,00 12,00 12,00 12,00 12,00 12,00 12,00 12,00 qse kg/m3 2,22 2,16 2,09 2,04 1,93 1,80 1,82 1,80 2,28 Vr m3 5,42 5,55 5,73 5,88 6,23 6,67 6,61 6,65 5,26 CAB % 0,7 0,72 0,75 0,76 0,80 0,85 0,85 0,87 0,68 Sl m2 4,67 4,70 4,66 4,67 4,72 4,73 4,72 4,65 4,70 Sp m2 4,50 4,50 4,50 4,50 4,50 4,50 4,50 4,50 4,50 Ks 1,04 1,04 1,04 1,04 1,05 1,05 1,05 1,03 1,04 Mbarrenac m 26,4 26,4 26,4 26,4 26,4 26,4 26,4 26,4 26,4 Mbespl m/m 22,76 22,37 21,46 20,95 20,00 18,72 18,86 18,46 23,57 Mbespvol m/m3 4,87 4,76 4,61 4,49 4,24 3,96 4,00 3,97 5,02 Qdet Unid 16 16 16 16 16 16 16 16 16 qdet unid/m 13,79 13,56 13,01 12,70 12,12 11,35 11,43 11,19 14,29 Símbolo UM �Anexos Tesis Doctoral Tabla 2 Principales indicadores de los trabajos de perforación y voladura. Voladuras Experimentales .Mina Amores. Frente: Socavón A-2 Orden consecutivo de las voladuras. Nº Parámetros Principales Simbolo UM 1 2 3 4 5 6 7 8 1 Avance del frente la M 1,04 0,95 0,99 1,02 1,08 1,1 1,03 0,92 Longitud de los barrenos lb M 1,5 1,50 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 Cantidad de Barrenos N Unid 14 14 14 14 14 14 14 14 De cuele nc Unid 4 4 4 4 4 4 4 4 De arranque na Unid 0 0 0 0 0 0 0 0 De contorno ncont Unid 7 7 7 7 7 7 7 7 De piso npiso Unid 3 3 3 3 3 3 3 3 Carga barrenos de cuele qbc Kg 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 Carga barrenos arranque qa Kg 0 0 0 0 0 0 0 0 Carga barrenos de piso qbp Kg 1 1 1 1 1 1 1 1 Carga barrenos de contorno qbco Kg 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 2 Extensión del montón de rocas Lm M 9 7 5 6,75 5,9 6 4 4,5 3 Gasto de SE QSE Kg 13,25 13,25 13,25 13,25 13,25 10,4 12 9,6 Gasto específco de SE qSE Kg/m3 2,38 2,78 2,71 2,22 2,46 1,87 2,25 2,01 4 Volumen de roca arrancada Vr M3 5,56 4,76 4,88 5,96 5,39 5,57 5,34 4,77 5 Coefic. aprovechamiento de los barrenos CAB % 0,69 0,63 0,66 0,68 0,72 0,73 0,69 0,61 6 Area de laboreo de la excavación Sl M2 5,35 5,01 4,93 5,84 4,99 5,06 5,18 5,18 Area de proyecto de la excavación Sp m2 4,50 4,50 4,50 4,50 4,50 4,50 4,50 4,50 7 Coeficiente de sobreexcavación Ks 1,19 1,11 1,10 1,30 1,11 1,12 1,15 1,15 8 Metraje de barrenación Mbar M 21,00 21 21,00 21,00 21,00 21,00 21,00 21,00 Metraje específico de barrenación por m Mbe m/m3 20,19 22,11 21,21 20,59 19,44 19,09 20,39 22,83 Metraje específico de barrenación por m3 Qdet Unid 3,77 4,41 4,30 3,53 3,90 3,77 3,94 4,41 9 Gasto de detonadores qdet unid/m 14 14 14 14 14 14 14 14 Gasto específco de detonadores qdet unid/m 13,46 14,74 14,14 13,73 12,96 12,73 13,59 15,22 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. 9 1,01 1,5 14 4 0 7 3 1,25 0 1 0,75 7 12 2,25 5,34 0,67 5,29 4,50 1,18 21,00 20,79 3,93 14 13,86 �Anexos Tesis Doctoral Tabla 3 Principales indicadores de los trabajos de perforación y voladura. Voladuras experimentales. Mina: El Cobre. Galería principal nivel +30 Parámetros Principales Nº Símbolo Voladuras Experimentales UM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 Avance del frente la m 1,25 1,40 1,30 1,30 1,35 1,40 1,25 1,40 1,30 1,30 1,35 Longitud de los barrenos lb m 1,5 1,50 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 Cantidad Total de Barrenos N unid 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 De cuele nc unid 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 De arranque na unid 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 De piso ncont unid 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 De contorno npiso unid 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 Carga barrenos de cuele qbc kg 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 Carga barrenos arranque qa kg 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 Carga barrenos de piso qbp kg 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 Carga barrenos de contorno qbco kg 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 2 Extensión del montón de rocas Lm m 4,6 2,9 3 3,2 11 7 8 5 5 8 9 4 Gasto de SE QSE kg 15 12,6 12,6 12,6 12,6 12,6 12,6 12,6 12,6 12,6 12,6 Gasto específco de SE qSE kg/m3 2,01 1,50 1,64 1,65 1,66 1,53 1,70 1,51 1,65 1,65 1,59 5 Volumen de roca arrancada Vr m3 7,46 8,38 7,69 7,62 7,60 8,23 7,40 8,36 7,62 7,62 7,91 6 Coefic. aprovechamiento de los barrenos CAB % 0,83 0,93 0,87 0,87 0,90 0,93 0,83 0,93 0,87 0,87 0,90 7 Area de laboreo de la excavación Sl m2 5,97 5,98 5,92 5,86 5,63 5,88 5,92 5,97 5,86 5,86 5,86 Area de proyecto de la excavación Sp m2 5,42 5,42 5,42 5,42 5,42 5,42 5,42 5,42 5,42 5,42 5,42 8 Coeficiente de sobreexcavación Ks 1,10 1,10 1,09 1,08 1,04 1,08 1,09 1,10 1,08 1,08 1,08 9 Metraje de barrenación Mbar m 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 Metraje específico de barrenación Mbe m/m3 26,4 23,6 25,38 25,385 24,4 23,57 26,40 23,57 25,38 25,38 24,44 Metraje específico de barrenación Qdet Unid 4,42 3,94 4,29 4,33 4,34 4,01 4,46 3,95 4,33 4,33 4,17 10 Gasto de detonadores qdet unid/m 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 Gasto específco de detonadores Qdet unid/m 17,6 15,7 16,92 16,923 16,3 15,71 17,6 15,71 16,92 16,92 16,3 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 4 Principales indicadores de los trabajos de perforación y voladura. Voladuras experimentales. Trasvase:Caney-Gilbert. Frente Nº1 Nº Parámetros Principales Símbolo UM Orden consecutivo de las voladuras 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 Avance del frente la m 3,40 3,50 3,30 3,20 2,70 2,80 3,50 3,20 2,95 3,30 Longitud de los barrenos lb m 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75 Cantidad de Barrenos N unid 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 De cuele nc unid 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 ayudantes de cuele nac unid 6 11 11 11 11 11 11 11 11 11 De arranque na unid 15 13 13 13 13 13 13 13 13 13 De contorno ncont unid 22 19 19 19 19 19 19 19 19 19 De piso npiso Unid 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 Carga en barrenos de cuele qbc kg 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 Carga en barrenos ayudantes de cuele qbac kg 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 Carga en barrenos de arranque qba kg 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 Carga en barrenos de contorno qbco kg 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 Carga en barrenos de piso qbp kg 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 2 Extensión del montón de rocas Lm M 6 6 5 7 6 6 4 5 7 8 4 Gasto de SE QSE Kg 91,2 93 93 93 93 93 93 93 93 93 Gasto específco de SE QSE Kg/m3 1,59 1,63 1,69 1,73 2,07 1,96 1,45 1,65 1,78 1,57 3 5 Volumen de roca arrancada in situ Vr m 57,52 57,23 54,87 53,80 44,90 47,41 64,16 56,41 52,39 59,07 6 Coefic. aprovechamiento de los barrenos CAB 0,91 0,93 0,88 0,85 0,72 0,75 0,93 0,85 0,79 0,88 7 Area de laboreo de la excavación Sl m2 16,92 16,35 16,63 16,81 16,63 16,93 18,33 17,63 17,76 17,90 Area de proyecto de la excavación Sp m3 16,33 16,33 16,33 16,33 16,33 16,33 16,33 16,33 16,33 16,33 8 Coeficiente de sobreexcavación Ks 1,04 1,00 1,02 1,03 1,02 1,04 1,12 1,08 1,09 1,10 9 Metraje de barrenación Mb m 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 Metraje específico de barrenación Mbe m/m3 3,65 3,67 3,83 3,90 4,68 4,43 3,27 3,72 2,95 3,30 10 Gasto de detonadores Qdet unid 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 Gasto específco de detonadores qdet unid/m 16,47 16,00 16,97 17,50 20,74 20,00 16,00 17,50 18,98 16,97 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. 11 3,00 3,75 56 6 11 13 19 7 2,4 1,8 1,8 1,2 1,8 9 93 1,75 53,27 0,80 17,76 16,33 1,09 210 3,00 56 18,67 �Anexos Tesis Doctoral Tabla 5. Principales indicadores de los trabajos de perforación y voladur Voladuras experimentales. Trasvase Este-Oeste.Tramo: Esperanza -Enmedio a. Nº Parámetros Principales Símbolo UM Voladuras Experimentales 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 Avance del frente la m 2,70 2,75 2,78 2,82 2,83 2,84 2,78 2,85 2,80 2,82 2,79 2,75 Longitud de los barrenos lb m 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 Cantidad total de barrenos N unid 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 De cuele nc unid 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 De cuele vacío (taladro) 102mm ncv unid 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ayudantes de cuele nac unid 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 de arranque na unid 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 de contorno ncont unid 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 De piso npiso unid 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 Carga barrenos de cuele qbc kg 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 Carga barrenos ayudantes de cuele qbac kg 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 Carga barrenos de arranque qa kg 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 Carga barrenos de contorno qbco kg 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Carga barrenos de piso qbp kg 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 Gasto de SE QSE kg 84,60 84,60 84,60 84,60 84,60 84,60 84,60 84,60 84,60 84,60 84,60 84,60 Gasto específco SE qSE kg/m3 0,83 0,81 0,81 0,79 0,80 0,77 0,77 0,75 0,77 0,78 0,78 0,79 3 4 Volumen de roca arrancada Vr m 102,2 104,9 104,3 107,6 105,6 109,7 109,8 113,2 110,6 108,5 108,8 107,3 5 Coefic. aprovechamiento de los barrenos CAB % 0,84 0,86 0,87 0,88 0,88 0,89 0,87 0,89 0,88 0,88 0,87 0,86 6 Area de laboreo de la excavación Sl m2 37,87 38,17 37,55 38,17 37,31 38,61 39,51 39,73 39,48 38,47 39,00 39,00 Area de proyecto de la excavación Sp m2 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 30,89 31,89 7 Coeficiente de sobreexcavación Ks 1,23 1,24 1,22 1,24 1,21 1,25 1,28 1,29 1,28 1,25 1,26 1,22 8 Metraje de barrenación Mb m 176 176 176 176 176 176 176 176 176 176 176 176 3 Metraje específico de barrenación Mbe m/m 1,72 1,68 1,69 1,64 1,67 1,61 1,60 1,55 1,59 1,62 1,62 1,64 9 Gasto de detonadores Qdet Unid 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 Gasto específco de detonadores qdet unid/m 20,37 20,00 19,78 19,50 19,43 19,37 19,78 19,30 19,64 19,50 19,71 20,00 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 12 Comportamiento estadístico de los indicadores de las voladuras experimentales. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Histograma de frecuencia del aprovechamiento del barreno. Voladuras experimentales en el frente Ojo de Agua-Yagrumal Aprovechamiento de los barrenos = 12*0,012*normal(x; 0,8458; 0,0223) Histograma de frecuencia del área de laboreo Histograma de frecuencia del coeficiente de sobreexcavación Ärea de laboreo dela excavación = 12*0,346*normal(x; 32,115; 0,4679) Coeficiente de sobreexcavación,Ks = 12*0,012*normal(x; 1,04; 0,0154) 4 3 2 1 0 0,810 0,822 0,834 0,846 0,858 3 2 1 0 0,870 5 4 Nº de observaciones Nº de observaciones Nº de observaciones 6 5 31,560 32,252 32,598 32,944 4 4 Nº de observaciones 5 3 2 1 1,89 1,96 2,03 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. 1,04 1,06 1,07 Figura 3 Histograma de frecuencia de la longitud de avance Longitud de avance = 12*0,042*normal(x; 2,8308; 0,0714) 5 3 2 1 0 1,03 6 4 3 2 1 0 0,0843 Consumo específico de SE Figura 4 1,02 Coeficiente de sobreexcavación,Ks Histograma de frecuencia de la rugosidad del contorno Rugosidad del contorno,m = 12*0,0262*normal(x; 0,1503; 0,0505) 5 1,82 2 0 33,290 Nº de observaciones Histograma de frecuencia del consumo específico de SE Consumo específico de SE = 12*0,07*normal(x; 1,9075; 0,1093) Nº de observaciones 31,906 Figura 2 1,75 3 Ärea de laboreo de la excavación,m2 Figura 1 1,68 4 1 Aprovechamiento de los barrenos 0 6 5 0,1105 0,1367 0,1628 0,1890 0,2152 2,700 2,784 2,826 2,868 Longitud de avance l a , m Rugosidad del contorno,m Figura 5 2,742 Figura 6 2,910 1,08 �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 13 Registros fotográficos de los contorneados obtenidos con las voladuras en los emboquilles de los túneles. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Emboquille Serones-Ojo de Agua. Figura 1. Registro fotográfico del contorneado con las voladuras experimentales en el emboquille Serones –Ojo de Agua. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Emboquille Serones-Guaro. Figura 2. Registro fotográfico del contorneado del túnel obtenido por voladuras experimentales en el emboquille Serones-Guaro. M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Emboquille Manacal –Castellanos. Figura 3.Registro fotográfico del contorneado alcanzado con voladuras experimentales en emboquille Manacal-Castellanos M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 15 Parámetros de los cueles M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 1 Parámetros del cuele en cuña vertical para todas las litologias objeto de estudio Nº Litología Trasvase , Mina I.1 I.2 I.3 I.4 I.5 II.1 II.2 II.3 II.4 III.1 III.2 III.3 IV.1 IV.2 V.1 V.2 V.3 V.4 V.5 V.6 VI:1 VI.2 VI.3 Dunitas Cromitas Serpentinita. Peridotito Gabrodiabasa Dunitas Cromitas Harzburgitas Serpentinita Porfirita andesititas Tobas andesíticas Areniscas tobáceas Tobas Aglomerados Gabrodiabasa Dibasa Caliza Masiva Caliza , blanco crema masiva Serpentinita pardo -verdosa Aleurolitas Aleurolitas Esquistos cloríticos Calizas arcillosas M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Mercedita Mercedita Mercedita Mercedita Mercedita Amores Amores Amores Amores El Cobre El Cobre El Cobre Trasvase Caney –Gilbert Trasvase Caney –Gilbert Trasvase Este –Oeste Trasvase Este-Oeste Trasvase Este –Oeste Trasvase Este –Oeste Trasvase Este –Oeste Trasvase Este-Oeste Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Trasvase Sabanalamar-Pozo Azúl Parámetros del cuele en cuña Teóricos 0,44 1,9096 3,8917 0,24 1,8377 4,3239 0,60 1,9096 4,4933 0,62 2,1858 5,1431 0,48 1,9709 4,6373 0,33 1,8747 4,4109 0,33 2,0298 4,7761 0,36 1,7063 4,0148 0,52 1,9269 4,5339 0,31 1,4130 3,3246 0,20 0,7700 1,8117 0,33 2,0692 4,8686 0,34 1,3556 3,1895 0,41 1,7600 4,1412 0,25 1,6114 3,7914 0,24 1,1471 2,6990 0,35 2,1915 5,1565 0,36 1,9851 4,6708 0,79 2,3981 5,6427 1,24 3,2380 7,6187 0,85 2,0252 4,7651 0,24 2,1535 5,0670 0,54 1,8390 4,3270 Prácticos 0,3202 0,1755 0,4338 0,4729 0,3450 0,2344 0,2383 0,2768 0,3760 0,2248 0,1443 0,2344 0,2573 0,3161 0,1791 0,1731 0,2555 0,2581 0,5691 0,8915 0,6153 0,1730 0,3897 �Anexos Tesis Doctoral ANEXO 16. Procedimiento de cálculo de los impactos económicos de la investigación M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 1 Evaluación del impacto económico de la investigación por reducción de la sobreexcavación y el sobrecosto en el sostenimiento de las excavaciones subterráneas. Datos Iniciales Mina Amores Datos iniciales Símbolo Valor UM 1.Cantidad total de barrenos N 16 Unid 2.Cantidad de barrenos de contorno N cont 8 Unid 3.Cantidad complementaria de barrenos de contorno 3 Unid 0,19 -204 Pesos 0,18 - N contcomp 4.Relación cantidad complementaria /cantidad total 5.Costo de laboreo de 1m de excavación 6.Sobreexcavación Expresiones de cálculo Pb Clab P Clab = Gbarr + Gc arg roc + Gc arg vol + Gvent + Gsost + Goop , pesos Costo de laboreo en pesos 100 = Cbarr + Cc arg roc + Ccarvol + Cvent + Csost + Cotop Costo de laboreo en % Cbarr = (Gbarr / Clab ) *100 ; Cbarr = (Gc arg aroc / Clab ) *100 Costo de laboreo por operaciones en % ΔCbarr = Cb * P, % Incremento del costo de barrenación ,% Cálculo del ahorro ΔCahorro = Cc arg roc P + K 2Cs P − Cbarr Pb − K1Cc ar vol Pb ,% Estructura de los costos de laboreo de la excavación por procesos tecnológicos. Valor ,% Procesos tecnológicos Denominación Rocas resistentes Amores 1.Barrenación 2.Carga y voladura Cbarr C c ar vo l 26 1,5 36 2 3.Carga de las rocas Cc arg roc 25 40 4.Sostenimiento Csost Cotop 25 0 22,5 100 22 100 5.Otras operaciones Total Valor ,% Coeficiente K1 K2 ΔCbarr Cbarr + ΔCbarr Denominación Costos en salario de carga y voladura de los barrenos Costos en colocación de relleno del sostenimiento Incremento del costo de barrenación Rocas resistentes Amores 50-55 55 25 25 4,88 6,75 Costos de barrenación incrementados 30,88 42,75 Costo alcanzado en la carga de la roca Ahorro por metro de excavación 18,25 32,80 Ccalcanzado arg roc ΔCahorro ΔCahorro % Pesos Costo de laboreo de 1m de excavación alcanzado,peso/m Sostenimiento con Hormigón monolítico Ahorro por la disminución de los costos de hormigón Sostenimiento con Hormigón Gunitado P1 P Sostenimiento con bulones (anclas) M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. 1,72 3,84 2,89 6,46 161,54 ΔChorm ,pesos ΔChorm ,% 0,04 �Anexos Tesis Doctoral Tabla 2 Evaluación del impacto económico de la investigación por reducción de la sobreexcavación y el sobrecosto en el sostenimiento de las excavaciones subterráneas. Trasvase Caney-Gilbert Nº Datos iniciales Símbolo Valor UM 1 Cantidad total de barrenos N 56 Unid 2 Cantidad de barrenos de contorno Nco 22 Unid 3 Cantidad complementaria de barrenos de contorno Ncoc 3 Unid 4 Relación cantidad complementaria /cantidad total Pb 0,05 -5 Costo de laboreo de 1m de excavación Clab 690 pesos 6 Sobreexcavación P 0,17 Expresiones de cálculo Clab = Gbarr + Gc arg roc + Gc arg vol + Gvent + Gsost + Goop , pesos Costo de laboreo en pesos 100 = Cbarr + Cc arg roc + Ccarvol + Cvent + Csost + Cotop Costo de laboreo en % Cbarr = (Gbarr / Clab ) *100 ; Cbarr = (Gc arg aroc / Clab ) *100 Costo de laboreo por operaciones en % ΔCbarr = Cb * P, % Incremento del costo de barrenación ,% Ahoro ΔCahorro = Cc arg roc P + K 2Cs P − Cbarr Pb − K1Cc ar vol Pb ,% Estructura de los costos de laboreo de la excavación por procesos tecnológicos. Valor ,% Nº Procesos tecnológicos Denominación Rocas resistentes Caney-Gilbert 1 Barrenación Cbp 26 20 2 Carga y voladura Ccvp 1,5 2 3 Carga de las rocas Ccp 25 33 4 Sostenimiento Csp 25 20 5 Otras operaciones Coop 22,5 25 Total 100 100 Valor,% Coeficientes de gastos Denominación Rocas resistentes Caney-Gilbert K1 Gastos en salario de carga y voladura 50-55 55 K2 Gastos en relleno 25 25 Δcb Gastos adicionales en barrenación 1,42 1,09 Cbp+ΔCb Gastos de barrenación incrementados 27,42 21,09 Δccargap 21,00 27,72 Ahoro por metro de excavación ΔC, en por ciento 2,54 4,54 Δc, en pesos 23,49 31,32 Costo de laboreo de 1m de excavación alcanzado,peso/m 658,68 Sostenimiento con Hormigón monolítico Ahorro por la disminución de los gastos de hormigón Δchorm,% Δchorm,pesos Sostenimiento con Hormigón Gunitado P1 0,07 Δchormgunitado,% 4,07 Δchormgunitado,pesos/m 26,44 Sostenimiento con bulones (anclas) ΔC Bulones,% 2,32 ΔC Bulones,pesos 15,06 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 3 Evaluación del impacto económico de la investigación por reducción de la sobreexcavación y el sobrecosto en el sostenimiento de las excavaciones subterráneas. Trasvase Este-Oeste.Tramo:Esperanza –En medio Nº Datos iniciales Símbolo Valor UM 1 Cantidad total de barrenos N 55 Unid 2 Cantidad de barrenos de contorno Nco 19 Unid 3 Cantidad complementaria de barrenos de contorno Ncoc 3 Unid 4 Relación cantidad complementaria /cantidad total Pb 0,05 -5 Costo de laboreo de 1m de excavación Clab 926 pesos 6 Sobreexcavación P 0,16 Expresiones de cálculo Clab = Gbarr + Gc arg roc + Gc arg vol + Gvent + Gsost + Goop , pesos Costo de laboreo en pesos 100 = Cbarr + Cc arg roc + Ccarvol + Cvent + Csost + Cotop Costo de laboreo en % Cbarr = (Gbarr / Clab ) *100 ; Cbarr = (Gc arg aroc / Clab ) *100 Costo de laboreo por operaciones en % ΔCbarr = Cb * P, % Incremento del costo de barrenación ,% Ahoro ΔCahorro = Cc arg roc P + K 2 Cs P − Cbarr Pb − K1Cc ar vol Pb ,% Estructura de los costos de laboreo de la excavación por procesos tecnológicos. Valor ,% Nº Procesos tecnológicos Denominación Rocas resistentes Esperanza –En medio 1 Barrenación Cbp 26 20 2 Carga y voladura Ccvp 1,5 2 3 Carga de las rocas Ccp 25 33 4 Sostenimiento Csp 25 20 5 Otras operaciones Coop 22,5 25 Total 100 100 Valor,% Coeficientes de gastos Denominación Rocas resistentes Esperanza –Enmedio K1 Gastos en salario de carga y voladura 50-55 55 K2 Gastos en relleno 25 25 Δcb Gastos adicionales en barrenación 1,42 1,09 Cbp+ΔCb Gastos de barrenación incrementados 27,42 21,09 Δccargap 21,00 27,72 Ahoro por metro de excavación ΔC, en por ciento 2,54 4,19 Δc, en pesos 23,49 38,79 Costo de laboreo de 1m de excavación alcanzado,peso/m 887,21 Sostenimiento con Hormigón monolítico Ahorro por la disminución de los gastos de hormigón Δchorm,% Δchorm,pesos Sostenimiento con Hormigón Gunitado P1 0,07 Δchormgunitado,% 4,33 Δchormgunitado,pesos/m 40,11 Sostenimiento con bulones (anclas) ΔC Bulones,% 2,58 ΔC Bulones,pesos 23,91 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. �Anexos Tesis Doctoral Tabla 4 Evaluación del impacto económico de la investigación por reducción de la sobreexcavación y el sobrecosto en el sostenimiento de las excavaciones subterráneas. Trasvase Este-OesteTramo:Ojo de Agua-Serones Nº Datos iniciales Símbolo Valor UM 1 Cantidad total de barrenos N 71 unid 2 Cantidad de barrenos de contorno Nco 23 unid 3 Cantidad complementaria de barrenos de contorno Ncoc 7 unid 4 Relación cantidad complementaria /cantidad total Pb 0,10 -5 Costo de laboreo de 1m de excavación Clab 926 pesos 6 Sobreexcavación P 0,18 - Clab = Gbarr + Gc arg roc + Gc arg vol + Gvent + Gsost + Goop , pesos Costo de laboreo en pesos 100 = Cbarr + Cc arg roc + Ccarvol + Cvent + Csost + Cotop Costo de laboreo en % Cbarr = (Gbarr / Clab ) *100 ; Cbarr = (Gc arg aroc / Clab ) *100 Costo de laboreo por operaciones en % ΔCbarr = Cb * P, % Incremento del costo de barrenación ,% ΔCahorro = Cc arg roc P + K 2Cs P − Cbarr Pb − K1Cc ar vol Pb ,% Valor ,% Nº Procesos tecnológicos Denominación Rocas resistentes 1 Barrenación Cbp 2 Carga y voladura Ccvp 3 Carga de las rocas Ccp 4 Sostenimiento Csp 5 Otras operaciones Coop Total Coeficientes de gastos Denominación K1 Gastos en salario de carga y voladura K2 Gastos en relleno Δcb Gastos adicionales en barrenación Cbp+ΔCb Gastos de barrenación incrementados Δccargap Ahoro por metro de excavación ΔC, en por ciento Δc, en pesos Costo de laboreo de 1m de excavación alcanzado,peso/m Sostenimiento con Hormigón monolítico Ahorro por la disminución de los gastos de hormigón Δchorm,% Δchorm,pesos Sostenimiento con Hormigón Gunitado P1 Δchormgunitado,% Δchormgunitado,pesos/m Sostenimiento con bulones (anclas) ΔC Bulones,% ΔC Bulones,pesos M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Ojo de Agua-Serones 26 20 1,5 2 25 33 25 20 22,5 25 100 100 Valor,% Ojo de Agua-Serones 50-55 25 2,56 28,56 20,50 1,86 17,18 0,55 0,25 1,97 21,97 27,06 3,97 36,75 889,25 0,07 3,69 34,14 1,94 17,93 �Anexos Tesis Doctoral Tabla 5 Evaluación del impacto económico de la investigación por reducción de la sobreexcavación y el sobrecosto en el sostenimiento de las excavaciones subterráneas. Trasvase Este-OesteTramo:Ojo de Agua-Yagrumal Nº Datos iniciales Símbolo Valor UM 1 Cantidad total de barrenos N 67 unid 2 Cantidad de barrenos de contorno Nco 21 unid 3 Cantidad complementaria de barrenos de contorno Ncoc 5 unid 4 Relación cantidad complementaria /cantidad total Pb 0,07 -5 Costo de laboreo de 1m de excavación Clab 926 pesos 6 Sobreexcavación P 0,18 - Clab = Gbarr + Gc arg roc + Gc arg vol + Gvent + Gsost + Goop , pesos Costo de laboreo en pesos 100 = Cbarr + Cc arg roc + Ccarvol + Cvent + Csost + Cotop Costo de laboreo en % Cbarr = (Gbarr / Clab ) *100 ; Cbarr = (Gc arg aroc / Clab ) *100 Costo de laboreo por operaciones en % ΔCbarr = Cb * P, % Incremento del costo de barrenación ,% ΔCahorro = Cc arg roc P + K 2Cs P − Cbarr Pb − K1Cc ar vol Pb ,% Nº Procesos tecnológicos 1 2 3 4 5 Barrenación Carga y voladura Carga de las rocas Sostenimiento Otras operaciones Denominación Valor ,% Rocas resistentes Ojo de Agua-Yagrumal. 26 20 1,5 2 25 33 25 20 22,5 25 100 100 Valor,% Ojo de Agua-Yagrumal Coeficientes de gastos Cbp Ccvp Ccp Csp Coop Total Denominación K1 K2 Δcb Gastos en salario de carga y voladura Gastos en relleno Gastos adicionales en barrenación 50-55 25 2,56 0,55 0,25 1,49 Cbp+ΔCb Gastos de barrenación incrementados Δccargap Ahoro por metro de excavación ΔC, en por ciento Δc, en pesos Costo de laboreo de 1m de excavación alcanzado,peso/m Sostenimiento con Hormigón monolítico Ahorro por la disminución de los gastos de hormigón Δchorm,% Δchorm,pesos Sostenimiento con Hormigón Gunitado P1 Δchormgunitado,% Δchormgunitado,pesos/m Sostenimiento con bulones (anclas) ΔC Bulones,% ΔC Bulones,pesos 28,56 20,50 21,49 27,06 M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. 1,86 17,18 3,97 36,75 889,25 0,07 4,31 39,91 2,56 23,70 �Anexos M.Sc.Gilberto Sargentón Romero. Tesis Doctoral � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Tesis Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Criterios para el diseño de voladuras en el laboreo de excavaciones subterráneas Creator An entity primarily responsible for making the resource Gilberto Sargentón Romero Publisher An entity responsible for making the resource available Editorial Digital Universitaria de Moa Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 2008 Type The nature or genre of the resource Tesis doctoral https://repoedum.ismm.edu.cu/files/original/9ebdca8f4633abc93ab8b6763620169c.pdf fc1b0986a6b3a6da727dc564d3a21ea2 PDF Text Text Tesis doctoral Utilización de los escombros lateríticos de zona A, yacimiento Moa occidental, en el proceso de descarburización del acero ACI HK - 40 María Caridad Ramírez Pérez �REPÚBLICA DE CUBA MINISTERIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR INSTITUTO SUPERIOR MINERO METALÚRGICO DE MOA “Dr. ANTONIO NÚÑEZ JIMÉNEZ” FACULTAD DE METALURGIA Y ELECTROMECÁNICA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA UTILIZACIÓN DE LOS ESCOMBROS LATERÍTICOS DE ZONA A, YACIMIENTO MOA OCCIDENTAL EN EL PROCESO DE DESCARBURIZACIÓN DEL ACERO ACI HK-40 Tesis presentada en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas MARÍA CARIDAD RAMÍREZ PÉREZ MOA 2010 �REPÚBLICA DE CUBA MINISTERIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR INSTITUTO SUPERIOR MINERO METALÚRGICO DE MOA “Dr. ANTONIO NÚÑEZ JIMÉNEZ” FACULTAD DE METALURGIA Y ELECTROMECÁNICA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA UTILIZACIÓN DE LOS ESCOMBROS LATERÍTICOS DE ZONA A, YACIMIENTO MOA OCCIDENTAL EN EL PROCESO DE DESCARBURIZACIÓN DEL ACERO ACI HK-40 Tesis presentada en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas AUTOR: M Sc. María Caridad Ramírez Pérez TUTORES: Dr. C. José Alberto Pons Herrera Empresa Ferroníquel Minera. Moa Dra. C. María Magdalena Romero Ramírez Instituto Superior Minero Metalúrgico “Dr. Antonio Núñez Jiménez” Facultad de Minería y Geología Departamento de Física MOA 2010 �DEDICATORIA A mi mayor tesoro, mis hijos, por el amor que me regalan todos los días, por su ayuda y comprensión en todo este tiempo que he dejado de atenderlos. A mis padres, por la educación que me dieron y por su ayuda en cada paso de mi vida. A mi familia toda.…….. �AGRADECIMIENTOS Deseo expresar mi mayor agradecimiento, a la dirección del taller de fundición de la empresa Mecánica del Níquel “Gustavo Machín Hoed de Beche” por habernos facilitado la realización de los experimentos en la marcha del proceso productivo. A los técnicos e ingenieros que allí laboran, por su ayuda incondicional. Agradecer sinceramente al Dr. Konstantinos Mavrommatis, Coordinador del Proyecto de la Red “Aceros Inoxidables para América Latina” por su empeño en la formación científica de los cubanos. Sin ello, no hubiera sido posible mi estancia en el Centro de Investigaciones Metalúrgicas de Madrid, España (CENIM). En esta institución deseo agradecer la atención brindada por el Dr. Francisco José Alguacil Priego, por su colaboración y las facilidades para realizar los ensayos de caracterización. Al Dr. Félix A. López, por su apoyo en la realización de una parte importante del proyecto desarrollado en el CENIM y su disposición siempre a colaborar. A mi tutor y esposo Dr. José Alberto Pons Herrera, por compartir sus conocimientos en mi formación, por su aliento y ayuda espiritual en los momentos más difíciles. A mi tutora Dra. María Magdalena Romero Ramírez, por transmitirme sus conocimientos y por la voluntad de compartir su tiempo conmigo. A mis amigas Isabel y Arisbel, por su apoyo espiritual cuando me encontraba lejos de mi familia. Agradecimiento especial al Dr. Arturo Rojas Purón, por sus consejos científicos y colaboración en la interpretación de los resultados mineralógicos. Al Dr. Nicolás Muñoz, por su disposición incondicional a ayudar. A mis compañeros del Departamento de Química, por su apoyo y voluntad de cooperar con la culminación de esta tesis. A todos, muchas gracias. �SÍNTESIS La existencia en Moa de volúmenes considerables de escombros lateríticos y la necesidad de la industria cubana del acero, de aprovechar los recursos naturales disponibles para la sustitución de importaciones, han conllevado al desarrollo de esta investigación que tiene como objetivo demostrar la efectividad del uso de los escombros lateríticos de Zona A, yacimiento Moa Occidental, en el proceso de descarburización del acero ACI HK-40, fundamentado por sus características físico – químicas y térmicas. La combinación de técnicas de análisis químico (FRX y EAA), mineralógicos (DRX y MEB) y térmicos (TG, TGD, CDB y ATD), demostró el predominio de partículas mayores de 0,83 mm, con contenidos de óxido de hierro en forma de maghemita y goethita como fases principales. Se establecen las etapas que describen el mecanismo de la descomposición térmica del escombro, determinándose los modelos y parámetros cinéticos que la caracterizan. El estudio termodinámico indicó que el óxido de hierro (II), producto de la reducción del óxido de hierro (III) contenido en el escombro, es el compuesto que garantiza la oxidación del carbono y otras impurezas en el baño metálico. A partir de estos resultados y de las pruebas experimentales a escala industrial, realizadas en un horno de arco eléctrico del taller de fundición de la empresa Mecánica del Níquel, se establece el procedimiento para la utilización de las partículas mayores de dos milímetros de los escombros de Zona A, en la descarburización del acero termo-resistente ACI HK-40, que garantiza la calidad de la aleación. �ÍNDICE Pág INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………. 1 CAPÍTULO I. ESTADO DEL ARTE Y ESTUDIO TEÓRICO………………… 6 I.1.Introducción……………………………………………………………………. 6 I.2.Antecedentes y estado actual del tratamiento de los escombros lateríticos cubanos……………………………………………………………. 6 I.3. Perspectivas de utilización de los escombros lateríticos de Zona A…………………………………………………………………………. I.4. Estudio teórico de la investigación…………………………………………. 12 13 I.4.1. Fundamentos teóricos de la utilización de los escombros en la producción de aceros.……………………………………………………….. 14 I.4.1.1. Métodos de análisis cinético en las reacciones heterogéneas…………………………………………………………. 18 I.4.2. Termodinámica de las posibles reacciones en el baño metálico………………………………………………………………………. 22 I.4.2.1. Interacción de los óxidos presentes en el escombro, con el carbono contenido en el baño metálico…………………………. 25 I.4.2.2. Oxidación en el baño metálico con el óxido de hierro (II). 26 I.5. Determinación del consumo de escombro por las reacciones de oxidación en el baño metálico y de formación de escoria……………….. 32 Conclusiones del Capítulo I……………………………………………………… 35 CAPÍTULO II. MATERIALES Y MÉTODOS…………………………………... 37 II.1. Selección y preparación de las muestras………………………………… 37 II.1.1. Composición granulométrica……………………………………….. 37 II.2. Equipos y técnicas utilizados para la caracterización química y mineralógica………………………………………………………………….. 37 II.2.1. Análisis químicos. …………………………………………………… 38 II.2.2. Análisis mineralógico por Difracción de rayos X………………….. 38 II.2.3. Microscopía Electrónica de Barrido………………………………... 39 II.3. Equipos y técnicas utilizados para la caracterización térmica y la �investigación cinética……………………………………………………….......... 40 II.3.1. Análisis térmico………………………………………………………. 40 II.3.1.1. Análisis Termogravimétrico……………………………… 40 II.3.1.2. Calorimetría Diferencial de Barrido……………………… 41 II.3.1.3. Análisis Térmico Diferencial………………………………. 41 II.3.2. Investigación cinética de la descomposición térmica de los escombros……………………………………………………………………. 42 II.4. Desarrollo de los experimentos……………………………………………. 42 II.4.1. Diseño experimental y tratamiento estadístico de los resultados…………………………………………………………………….. 42 II.4.2. Metodología experimental para la evaluación de los escombros en el proceso de descarburización………………………………………… 44 Conclusiones del Capítulo II…………………………………………………….. 47 CAPÍTULO III. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS………... 48 III.1. Introducción………………………………………………………………….. 48 III.2. Análisis de la caracterización de los escombros de Zona A…………... 48 III.2.1. Caracterización granulométrica y química de los escombros… 48 III.2.2. Caracterización mineralógica……………………………………… 52 III.3. Estudio de la descomposición térmica de los escombros lateríticos de Zona A. Aspectos relacionados con su cinética.……………………….. 55 III.3.1. Descomposición térmica de los escombros……………………... 55 III.3.2. Investigación cinética de la descomposición térmica de los escombros…………………………………………………………………… 62 III.3.2.1. Determinación del modelo y los parámetros cinéticos de la primera etapa…………………………………………………. 63 III.3.2.2. Determinación de los modelos y parámetros cinéticos de la tercera etapa…………………………………………………. 66 III.4. Evaluación de las fracciones granulométricas del escombro de Zona A, en la descarburización del acero ACI HK-40………………………………. 70 III.4.1. Comportamiento de los elementos contenidos en el baño líquido durante el proceso de oxidación con el escombro……………... III.4.2. Oxidación de las impurezas azufre y fósforo contenidas en el 71 �baño líquido…………………………………………………………………. 74 III.4.3. Determinación de la masa de escombro necesaria para la oxidación del carbono……………………………………………………… 77 III.5. Procedimiento para la utilización de los escombros lateríticos de Zona A en la descarburización del acero ACI HK-40………………………… 79 III.6. Valoración económica……………………………………………………… 80 III.7. Valoración ecológica……………………………………………………….. 83 Conclusiones del Capítulo III……………………………………………………. 85 CONCLUSIONES GENERALES……………………...................................... 87 RECOMENDACIONES…………………………………………………………... 89 PRODUCCIÓN CIENTÍFICA DEL AUTOR SOBRE EL TEMA DE LA TESIS REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS �INTRODUCCIÓN La explotación por más de cinco décadas, de los yacimientos lateríticos de la zona nororiental de Cuba, ha provocado la acumulación de volúmenes considerables de residuos sólidos. Entre ellos, se encuentran los escombros lateríticos, concreciones de óxidos e hidróxidos de hierro no utilizados por las industrias metalúrgicas cubanas, pues no garantizan los contenidos de níquel y cobalto exigidos. Estos escombros constituyen una fuente de contaminación y destrucción ecológica en el municipio Moa (Terrero, C, 1998; Ramírez y Pons, 2001). El estado cubano realiza esfuerzos por incrementar la producción de níquel y cobalto; este empeño implica procesar mayores volúmenes de limonita, incrementándose por consiguiente los volúmenes de las escombreras, razón por la cual se impone la necesidad de proponer usos a estos residuos. El conocimiento de las características físico-químicas y mineralógicas de los escombros lateríticos de los yacimientos de Pinares de Mayarí y Martí en el Municipio Mayarí y los sectores Atlantic, Yamanigüey y Pronóstico, en Moa, aportado por equipos multidisciplinarios de investigadores de centros de investigaciones de la rama minero metalúrgica y las universidades cubanas (Zamora et al, 1976; Ostroumov et al,1985; Días y Mojena,1989; Peña y Rubio,1990; Ramírez, B, 1994; Hernández,1994; Pons et al,1995; Rojas,1995; Coello et al,1998; Ferreiro et al, 2006, entre otros) sugiere la posibilidad de utilizarlos, por su contenido de hierro, en la industria del acero y en la recuperación de sus componentes como el cobalto (Palacios, 2001). Sin embargo, no todos los escombros de la región de Mayarí y Moa se han estudiado con igual profundidad, lo que limita las propuestas de utilización. Un ejemplo lo constituyen los del yacimiento Moa Occidental, Zona A, pertenecientes a la empresa “Comandante Pedro Soto Alba Moa Nickel S.A”. El insuficiente conocimiento de sus características físico-químicas, así como de su comportamiento térmico, limita fundamentar científicamente su utilización en la industria siderúrgica, a pesar de su apreciable contenido de hierro, que oscila entre 45 y 53%. Cuba establece nuevos compromisos para la producción de aceros como parte de su integración con los países miembros del ALBA, a través de su participación en diferentes proyectos regionales, entre ellos: la construcción de una planta para la producción de Ferroníquel en Moa y Aceros del ALBA, ambas, asociaciones mixtas con Venezuela. El incremento de estas producciones implica la necesidad de 1 �aprovechar racionalmente los recursos naturales con los que cuenta el país, en aras de disminuir los costos de producción y mitigar las afectaciones que provocan algunos al medio ambiente. El taller de fundición de la empresa Mecánica del Níquel “Gustavo Machín Hoed de Beche”, perteneciente al grupo empresarial CUBANÍQUEL, produce aceros y otras aleaciones ferrosas para la industria del níquel. Este taller utiliza entre sus materias primas, materiales importados que encarecen las producciones y acarrean inconvenientes para el cumplimiento de las demandas de piezas fundidas. Ello conlleva a la búsqueda de alternativas a través de la utilización de materias primas regionales que permitan reducir sus costos y elevar la eficiencia productiva de la empresa. Los volúmenes acumulados de escombros lateríticos, el elevado contenido de hierro en ellos y el oxígeno asociado químicamente a sus componentes, son elementos a considerar por la industria siderúrgica cubana, por la posibilidad de usarlos como oxidantes del carbono en la elaboración de los aceros. Lo anterior indica la siguiente situación problémica: La existencia de grandes volúmenes de escombros lateríticos en el yacimiento Moa Occidental, Zona A, de la empresa “Comandante Pedro Sotto Alba Moa Nickel S.A” con posibilidades de ser utilizados como oxidantes en la producción de aceros, lo que conlleva a la formulación del problema científico en relación a: El insuficiente conocimiento de las características físico – químicas y térmicas de los escombros del yacimiento Moa Occidental, Zona A, limita su utilización en el proceso de descarburización del acero ACI HK-40, sin afectar la calidad. El objeto de estudio lo constituyen los escombros lateríticos del yacimiento Moa Occidental, Zona A, de la empresa “Comandante Pedro Soto Alba Moa Nickel S.A”. El campo de acción: La descarburización del acero ACI HK-40 con el uso de los escombros lateríticos. Sobre la base de lo analizado se plantea la siguiente hipótesis: La determinación de las características físico – químicas y térmicas de los escombros lateríticos de Zona A, fundamentan su utilización como oxidantes en el proceso de descarburización del acero ACI HK-40 y el establecimiento de un procedimiento para su utilización industrial. Se establece como objetivo general: Demostrar la efectividad del uso de los escombros lateríticos de Zona A, yacimiento Moa Occidental, en el proceso de 2 �descarburización del acero ACI HK-40, fundamentado por sus características físico – químicas y térmicas. El alcance del presente trabajo para contribuir al cumplimiento del objetivo general, se sintetiza en los objetivos específicos siguientes: 1. Fundamentar científicamente el empleo de los escombros lateríticos de Zona A, como descarburizantes en la producción del acero ACI HK-40 sin afectar la calidad de la aleación, a través de su caracterización, estudios termodinámicos y cinéticos de su descomposición térmica. 2. Establecer un procedimiento tecnológico para el uso de estos escombros en el proceso de descarburización del acero ACI HK-40. Para dar cumplimiento a los objetivos específicos se realizan las siguientes tareas: 1. Fundamentar los problemas científicos del tema, mediante la búsqueda y análisis de la bibliografía e información. 2. Elaborar las hipótesis científicas para demostrar experimentalmente la posibilidad del uso de dichos escombros, como oxidantes del acero inoxidable ACI HK-40. 3. Determinar las características granulométricas, químicas y mineralógicas de los escombros lateríticos de Zona A, yacimiento Moa Occidental e investigar las transformaciones que tienen lugar durante el proceso de descomposición térmica, para su utilización industrial en la etapa de descarburización. 4. Determinar los modelos, parámetros cinéticos y termodinámicos que caracterizan el comportamiento térmico de esta materia prima. 5. Desarrollar pruebas experimentales a escala industrial en el taller de fundición de la Empresa Mecánica del Níquel en Moa, para comprobar las hipótesis científicas y fijar las normas y formas de alimentación del escombro, con el propósito de establecer el procedimiento tecnológico para su uso en la producción del acero ACI HK-40. 6. Realizar los cálculos económicos básicos para demostrar la viabilidad técnico – económica preliminar, del uso de las partículas mayores de 2 mm del escombro de Zona A, en el proceso de descarburización y su posible extensión a otras empresas del país. 3 �Se plantean las novedades científicas siguientes: 1. La ampliación del conocimiento sobre los escombros lateríticos de Zona A, yacimiento Moa Occidental, expresadas en la determinación de las características físico – químicas y térmicas, así como los criterios que se brindan sobre las transformaciones de fases que experimentan estos materiales, para explicar su comportamiento durante su utilización en el proceso de descarburización de los aceros, en hornos de arco eléctrico. 2. Se determinan los modelos y parámetros cinéticos que caracterizan el proceso de descomposición térmica de los escombros lateríticos estudiados. 3. Se establece un procedimiento para la utilización de los escombros lateríticos de Zona A, en el proceso de descarburización del acero ACI HK-40, a partir de la caracterización físico-química y térmica y de los resultados de las pruebas industriales. La importancia práctica y ecológica está dada por: 1. La posibilidad de aprovechar las partículas mayores de 2 mm de los escombros lateríticos de Zona A, en el proceso de descarburización del acero ACI HK-40, sin afectar la calidad. 2. La contribución a la disminución del impacto ambiental en el ecosistema de la región de Moa, provocado por las acumulaciones de estos residuos al ser extraídos de los depósitos lateríticos. 4 �CAPÍTULO I. ESTADO DEL ARTE Y ESTUDIO TEÓRICO I.1. Introducción La literatura recoge importantes resultados en el campo de la caracterización y de la aplicación de métodos para el aprovechamiento de los escombros lateríticos cubanos. La búsqueda de alternativas que posibiliten la utilización de este horizonte laterítico considerado un residuo de la minería del níquel, en procesos tecnológicos sin afectar la calidad de los productos, debe significar un reto a los investigadores, para lo cual es necesario fundamentar los problemas científicos existentes, a partir de las contribuciones de la bibliografía existente. A continuación se establece el estado del arte en el tratamiento de los escombros lateríticos cubanos y las perspectivas para su utilización. Se fundamentan los problemas científicos y se elaboran las hipótesis de la investigación. I.2. Antecedentes y estado actual del tratamiento de los escombros lateríticos cubanos Las primeras investigaciones acerca de los escombros lateríticos de la región de Mayarí – Moa, se desarrollaron en el Centro de Investigaciones Metalúrgicas (CIME), destacándose los trabajos de Swardjo, 1969, dedicados principalmente a la obtención de concentrados de hierro para la producción de arrabio y acero, a partir de los yacimientos niquelíferos de Pinares de Mayarí y Martí. Estudios mineralógicos desarrollados por Ostroumov et al, 1985, encontraron que en los escombros lateríticos de Moa (sectores Atlantic y Yamanigüey), predominan las fases goethita, hematita, magnetita, maghemita e hidrargilita, en correspondencia con los elevados contenidos de hierro y aluminio, elementos mayoritarios en ese horizonte. En relación a la granulometría, demostraron el predominio de partículas mayores de 80 µm, coincidiendo con el trabajo de Almaguer, 1995, donde se expone que en el horizonte superior de los depósitos lateríticos, entre el 40 y el 60 % de las partículas corresponden a las mayores de 0,83 mm. Desde el punto de vista granulométrico, los escombros de Pinares de Mayarí y Martí en Nicaro, y los de Atlantic en Moa, fueron investigados por García et al, 1989. Los autores determinaron las fracciones en las que se concentran los mayores contenidos de hierro y cromo, sin embargo, no propusieron un método de beneficio para la obtención de concentrados metálicos. En 1994, Ramírez, B y Hernández, M, dirigieron sus investigaciones a la caracterización química y granulométrica y a la 5 �aplicación del método de separación magnética a los escombros del sector Atlantic, yacimiento Moa Occidental. De esta forma se abrió paso al desarrollo de nuevas investigaciones en el campo de la separación magnética, como método para la obtención de concentrados metálicos a partir de estos residuos. Así, Durán y Angulo en 1994, caracterizaron los escombros lateríticos del citado sector, a través de un análisis fraccional magnético. Para ello utilizaron las clases de tamaño: - 0,4+0,074 mm; -0,074+0,044 mm y las menores de 0,044 mm; las intensidades oscilaron entre: 0-1 ; 1-3 ; 3-5 ; 5-7 A y mayores de 7 A. Bajo estas condiciones, se encontró que en la fracción –0,44 + 0,074 mm, se concentran el cobalto y el manganeso, lo cual aporta un método para separar estos elementos metálicos del resto de los constituyentes del material. Otros métodos de beneficio se han empleado en el tratamiento de estos desechos mineros para obtener concentrados metálicos; Peña y Rubio en 1990, utilizaron un esquema de beneficio mecánico que combinaba operaciones de trituración y cribado, con el objetivo de obtener un producto con una granulometría menor de 5 mm de los escombros pertenecientes al sector Atlantic, que posteriormente fue alimentado a una criba pulsante hidráulica, donde se obtuvieron tres productos, dos de los cuales alcanzaron un contenido de hierro entre el 40 y el 50 %. En el tercero, el contenido de este elemento osciló entre 20 y 30 %. La fracción fina fue sometida a esquemas de beneficio que combinó la tostación magnetizante con la separación magnética a bajas intensidades y ésta, con flotación aniónica inversa. La separación magnética con la flotación no aportó resultados satisfactorios; además, los reactivos de flotación utilizados no favorecieron el beneficio de esta materia prima. La aplicación del beneficio con medios densos ha constituido otra alternativa para caracterizar y separar componentes en los escombros. Pons et al, 1995, emplearon este método en las fracciones granulométricas mayores de 0,83 mm de los escombros lateríticos del sector Atlantic, sin obtener los resultados deseados en cuanto a contenido de los elementos separados y las salidas de las clases de tamaño. El tratamiento químico es ampliamente utilizado para la preconcentración de componentes. Relacionado con esto, Menocal y Rivero, 1995, utilizaron la lixiviación ácida como el método para recuperar el 25,9 % de manganeso y el 30,6 % del cobalto presentes en la fracción –0,47+0,074 mm de los escombros lateríticos. El método no resultó económicamente factible por el elevado costo de los reactivos 6 �empleados. Se demostró, que en esta fracción se encuentran en mayor medida, los minerales de manganeso (asbolanas), resultado que coincide con los de Rojas y Carballo, 1993; Rojas, 1995 y Durán y Angulo, 1994. En 1993, Falcón y Hernández centraron la atención en la preparación y el beneficio de los minerales lateríticos de Moa, para el proceso de lixiviación ácida a presión. Demostraron que los contenidos de níquel, hierro, óxido de cromo y cobalto en el escombro, son: 0,43 %; 50,1 %; 2,95 % y 0,029 %, respectivamente y que el aumento del hierro en la clase mayor de 0,83 mm, se debe a la separación de los perdigones, constituidos por aglomerados naturales con elevados contenidos de hierro. Esto demuestra que es posible concentrar el hierro en determinadas fracciones, por medio de la separación granulométrica. En este sentido, García et al, 1989, obtuvieron con la separación granulométrica de los escombros lateríticos de Pinares de Mayarí, dos fracciones, que por su composición química las consideraron: una, como materia prima hidrometalúrgica y la otra, compuesta por las fracciones mayores de 0,83 mm y con contenido de hierro igual a 52 %, materia prima siderúrgica. En ese mismo año, Días y Mojena concluyeron que la separación granulométrica se puede considerar el primer paso de cualquier proceso de beneficio para los escombros de Pinares de Mayarí. Los autores sustentan esta afirmación en el contraste existente entre los contenidos de hierro y de níquel, en las partículas con diferentes diámetros. La literatura recoge importantes resultados acerca de los métodos utilizados para establecer las regularidades físico-químicas y geológicas de los escombros lateríticos cubanos, como un aporte importante al conocimiento y a la fundamentación de las propuestas de uso industrial, especialmente para la industria cubana del acero. A pesar de ello, no todos los yacimientos que se explotan en la región Mayarí-Moa, se han estudiado con la misma profundidad. Un ejemplo lo constituyen los escombros de Zona A, pertenecientes al yacimiento Moa Occidental. Las primeras investigaciones encaminadas a buscar alternativas de uso a estos escombros, estuvieron lideradas por Ramírez, M et al en el año 2000, en las que se caracterizaron las fracciones menores de 1,18 mm desde el punto de vista granulométrico y químico. Se estudió además, la distribución del níquel, hierro y dióxido de silicio, a través del método de separación magnética a intensidades de corriente entre 1 – 7 A. Los resultados del estudio de la densidad en las distintas fracciones granulométricas, no debe tomarse como concluyente por la complejidad 7 �mineralógica de estos minerales; es recomendable utilizar otros métodos para estudiar esta propiedad. Una caracterización físico – química más amplia de estos escombros, es realizada por Ramírez, M et al, 2001. Los resultados del estudio granulométrico, mineralógico y químico, corroboran los obtenidos por Ostroumov et al, 1985; Almaguer y Zamarzry, 1993; Falcón y Hernández, 1993; Durán y Angulo, 1994 y Pons et al, 1995; entre otros, a partir de los cuales es posible establecer las principales regularidades de los escombros de la región de Moa: 1. Este horizonte laterítico está constituido principalmente por oxihidróxidos de hierro y aluminio, en correspondencia con la presencia mayoritaria de estos elementos. 2. Las partículas mayores de 0,83 mm representan entre el 40 y el 60 % del total. En ellas el contenido de hierro oscila entre 45 y 53 %. Mientras que en la fracción -0,4+0,074 mm predominan los minerales de manganeso. Por la complejidad mineralógica de estos materiales, los métodos clásicos utilizados para su beneficiabilidad no brindan información real de su posible tratamiento mecánico y resulta imposible la separación de componentes, si se considera una sola propiedad de separación. En este sentido Coello et al,1998, utilizaron la teoría de separación de Tíjonov (Coello y Tíjonov, 1996) como una vía para el análisis teórico del beneficio de los minerales, la cual se sustenta en la distribución fraccional de los componentes y las fases minerales, en función de las propiedades físicas y físico – químicas y las características de separación. La investigación se limitó a los escombros del sector Atlantic y consistió en un análisis fraccional utilizando como propiedades físicas para la separación, el diámetro y la susceptibilidad magnética de las partículas. Caracterizaron el escombro para su preconcentración mecánica a través de la determinación de las funciones de distribución γ(ξ) y β(ξ), pues el enfoque fraccional por más de una propiedad de separación, pronostica la posibilidad de procesamiento mecánico para la obtención de un preconcentrado de hierro y cobalto. Los resultados, al utilizar las funciones de distribución por el tamaño y la susceptibilidad magnética, así lo demostraron. En el trabajo se exponen además, los modelos teóricos que establecen los principales índices tecnológicos de la separación. 8 �A partir de las posibilidades que brinda esta teoría, Ramírez, M, 2002, estudió la beneficiabilidad de los escombros lateríticos de Zona A, yacimiento Moa Occidental. En el estudio se centró la atención en las propiedades diámetro y susceptibilidad magnética de las partículas, demostrándose que no existen diferencias significativas en cuanto al contenido de los productos de la separación magnética. El concentrado magnético superó solo en un 5 % al no magnético, con lo cual se demostró que no existe predominio de fases fuertemente magnéticas en la gama de partículas estudiadas (desde 8 mm hasta las menores de 0,074 mm) La búsqueda de alternativas para la utilización de los escombros lateríticos, acumulados durante los años de trabajo de las industrias metalúrgicas del norte oriental, ha estado enmarcada entre los objetivos de los grupos de expertos de diferentes instituciones para la solución de problemas, tanto tecnológicos como medioambientales. La recuperación de valores metálicos presentes en estos residuos mineros, ha constituido una de estas líneas investigativas, destacándose los resultados de Palacios en el año 2001, que propuso una tecnología para recuperar el cobalto presente en la fracción menor de 0,83 mm de los escombros lateríticos de Zona A. Las extracciones obtenidas con la lixiviación ácida a presión, a temperaturas entre 200 y 220 ºC, están alrededor del 90 %. No se consideró el resto de los valores metálicos presentes, ni las partículas mayores de 0,83 mm, de modo que entre el 40 y el 60% del material, constituye un rechazo de dicha tecnología. La caracterización química y mineralógica de las lateritas cubanas, desarrollada a lo largo de estos años por diferentes grupos de investigadores, ha demostrado que existe una regularidad en los escombros lateríticos, relacionada con el elevado contenido de hierro en ese horizonte. Ello es consecuencia del fenómeno de migración de elementos químicos hacia las diferentes zonas de la corteza, durante el proceso de laterización (Muñoz, 2004). Al considerar este aspecto y la presencia de otros óxidos metálicos como los de aluminio y cromo, los centros de investigaciones pertenecientes a la industria sideromecánica y el Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa, desarrollaron múltiples trabajos investigativos encaminados a la obtención de concentrados de hierro y cromo con diferentes fines. Ortiz, en 1990 empleó los escombros lateríticos de Pinares de Mayarí en la obtención de concentrados de hierro y cromo a través de un proceso de tostación reductora, mientras que Guerra en 1991 realizó un trabajo similar con los de 9 �Atlantic en Moa, para la producción de ferrocromo, aprovechando precisamente, el alto contenido de hierro presente. Un estudio preliminar para la posible utilización de estos escombros lateríticos con fines siderúrgicos, realizaron Pons et al, 1995 a través de esquemas que combinaban operaciones como: lavado, cribado y beneficio gravitacional en mesas de concentración. Los resultados muestran que los mayores contenidos de hierro se encuentran en las partículas con diámetros entre 10 y 4 mm (52 – 53 %) y que las mayores salidas corresponden a las clases –4+2,3 mm (23,73%) y a la – 2,3+0,83 mm (22,34%). Las mejores recuperaciones de hierro y cromo se obtuvieron en la fracción granulométrica – 4 + 2,3 mm. I.3. Perspectivas de utilización de los escombros lateríticos de Zona A Pons y Hernández, 1997, demostraron la posibilidad del empleo de los escombros lateríticos del yacimiento Atlantic como material oxidante del carbono en la elaboración de aleaciones ferrosas. Los resultados obtenidos en el proceso de descarburización fueron mejores en el horno de arco eléctrico que en el de inducción, con un rango de oxidación del carbono entre 0,04 y 0,19 % para la clase de tamaño – 4 + 2 mm. En la investigación no se establece el procedimiento para la utilización de esta materia prima en calidad de oxidante, lo que limita la propuesta de uso para este fin. Los oxidantes gaseosos ofrecen ventajas con relación a los oxidantes sólidos, pues su utilización garantiza una mayor interacción con la masa de metal líquido, lográndose una rápida descarburización y eliminación de impurezas que disminuyen gradualmente las propiedades físicas y mecánicas de los aceros. No obstante, los oxidantes sólidos como es el caso de los minerales de hierro y las escamas de laminación, han sido empleados para este fin. En relación a los primeros, el contenido mínimo de óxido de hierro (III) debe ser 90 % y bajos contenidos de dióxido de silicio y fósforo. Además, es condición necesaria un tamaño de partículas adecuado para lograr una buena interacción con el baño metálico fundido, evitando la presencia de partículas finas que se pierden en forma de polvo y disminuyen la eficiencia de la descarburización. (Rodríguez, B, 1989). La utilización de materias primas regionales que contribuyan a la disminución de los costos de producción, sin afectar la calidad de los productos, es una de las directivas del estado cubano. En tal sentido, investigadores en el municipio de Moa 10 �(Ramírez, M et al, 2000; 2001; 2002; 2003; 2006) han realizado estudios con el propósito de utilizar los escombros lateríticos de Zona A, en la producción de aleaciones ferrosas en hornos de arco eléctrico. La utilización de estos desechos mineros contribuiría a reducir los costos de producción de los aceros en el taller de fundición de la empresa Mecánica del Níquel “Gustavo Machín Hoed de Beche”, por sustitución de materiales que se utilizan como oxidantes. A la vez que contribuiría a atenuar la contaminación ambiental en la región de Moa. Ramírez, M et al, 2002; 2006; demostraron que con las partículas mayores de 0,83 mm de los escombros de Zona A, se alcanzan mejores resultados en la descarburización del acero ACI HK-40. Los autores refieren que no es necesario incluir una etapa de lavado en el esquema de preparación mecánica, lo que elevaría los costos de las operaciones del beneficio de esta materia prima. No se estableció el mecanismo de oxidación con el uso de estos escombros, lo que evidencia la necesidad de profundizar en el estudio de los fenómenos físico - químicos (termodinámicos y cinéticos), que pueden tener lugar cuando estos escombros interactúan con el baño líquido. I.4. Estudio teórico de la investigación Los materiales usados para la producción de aceros en hornos de arco eléctrico, deben poseer características químicas acordes con la marca de acero que se desea obtener, para garantizar la calidad de la aleación (Rodríguez, B, 1989). En el caso del acero termo - resistente ACI HK-40, la composición química exigida por la norma ASTM A297-95, se muestra en la tabla I.1. Tabla I.1.Composición química exigida para el acero termo - resistente ACI HK-40. C 0,3-0,5 Si 0,50-1 Cu 0,18 Ti 0,0046 Contenido de los elementos (%) Mn P S Cr Ni ≤ 0,75 ≤ 0,045 ≤ 0.40 23-27 19-22 V 0,02 W 0,01 Pb 0,002 Sn 0,001 As 0,01 Al 0,0087 Co 0,09 B 0,001 Fe Balance I.4.1. Fundamentos teóricos de la utilización de los escombros en la producción de aceros Una adecuada selección de los métodos y técnicas de caracterización de los materiales a emplear en la producción de los aceros, garantizará la confiabilidad de los resultados. La combinación de técnicas como Espectrofotometría de Absorción 11 �Atómica (EAA), Fluorescencia de rayos X (FRX), Difracción de rayos X (DRX) y Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), constituye una herramienta eficaz para la caracterización de materiales (García et al, 1989; Ballester et al, 1999; Englert y Rubio, 2005; López et al, 2008). Con la utilización de dichas técnicas, es posible caracterizar las fracciones granulométricas de los escombros lateríticos de Zona A y seleccionar las convenientes para su evaluación como oxidantes del acero ACI HK- 40 en hornos de arco eléctrico. La composición química promedio de los escombros de Zona A, según informe de Exploración Geológica del yacimiento (Rodríguez, A et al, 1996) se muestra en la tabla I.2. Tabla I.2. Composición química promedio de los escombros lateríticos de Zona A, yacimiento Moa Occidental. Contenido de los elementos mayoritarios expresados como óxidos (%) Fe2O3 NiO CoO Cr2O3 Al2O3 SiO2 MnO MgO 71,54 0,70 0,13 3,36 15,23 2,22 0,73 0,21 Los resultados obtenidos por Ramírez, M, 2002, están en correspondencia con los resultados mostrados en la tabla. La autora encontró que existe predominio de las fases hematita, goethita, magnetita, gibbsita y en menor medida, cuarzo. Los oxihidróxidos de hierro y aluminio, se descomponen y transforman durante el calentamiento, así lo demostraron en sus trabajos Yariv y Mendelovici, 1981; García et al, 1989; Días y Mojena, 1989; Balek y Subrt, 1995; Lia et al, 2005; Fan et al, 2006. En el caso de los escombros de Zona A, este aspecto puede ser investigado, si se combinan técnicas de análisis térmico como las de Análisis Termogravimétrico (ATG), Térmico Diferencial (ATD) y Calorimetría Diferencial de Barrido (CDB), con lo cual es posible caracterizar térmicamente estos residuos y definir las etapas en que se verifica la descomposición. La combinación de esas técnicas con la de Microsondas, fue utilizada por Días y Mojena en 1989, en la caracterizaron mineralógica de los granos que componen los escombros de Pinares de Mayarí. Los resultados muestran el contraste en cuanto a contenido de los elementos y el diámetro de partículas. La fracción mayor de un milímetro está compuesta por granos compactos de compuestos de hierro y 12 �aluminio en proporciones variables y la menor de 0,08 mm, es rica en compuestos de níquel. Los autores refieren que la fase de hierro predominante es la goethita con diferentes grados de contaminación con aluminio, o una mezcla de hidróxidos de hierro y aluminio. Informaciones valiosas reporta la literatura, en relación a la caracterización y transformaciones de fases de muestras de limonitas, lateritas niquelíferas de baja ley, minerales de hierro de diferentes regiones del mundo y en la síntesis y caracterización de óxidos como la maghemita y la hematita, minerales presentes en los escombros cubanos (Prieto et al, 2001; Belin et al, 2002; Swamy et al, 2003; Zhihong y Shihua, 2004 ; Liu et al, 2004 ; Betancourt et al, 2004; Valix y Cheung, 2002, 2005). En varias de estas investigaciones se demostró, que la goethita se descompone térmicamente entre 200 y 350 ºC. Otros investigadores (García et al, 1989) se han referido a dicha transformación al investigar las transformaciones térmicas de escombros lateríticos cubanos, como los de Pinares de Mayarí y Mina Martí. Watari et al, 1983; Goss, 1987; Belin et al, 2002; Mikko et al, 2004 y Fan et al, 2006, establecieron para el hidróxido mencionado, el mecanismo de transformación en hematita (α- Fe2O3) y maghemita (γ- Fe2O3). Concluyeron que la goethita se transforma en α- Fe2O3, mientras que la maghemita inicia el proceso de transformación a hematita entre 375 y 500 ºC. Aproximadamente a los 850 ºC, la hematita alcanza cierto grado de ordenamiento estructural, proceso que culmina pasados los 1000 ºC. Un comportamiento similar se puede pronosticar en la descomposición térmica de los escombros de Zona A, por la presencia de óxidos de hierro. Respecto al hidróxido de aluminio, Lia et al, 2005, demostraron que a 1200 ºC se inicia la formación de α - Al2O3, que culmina cuando la temperatura supera los 1300 ºC. Resultados similares obtuvieron Yariv y Mendelovici en 1981, al estudiar las interacciones entre los minerales de hierro y de aluminio durante el calentamiento de muestras lateríticas venezolanas. Concluyeron que la gibbsita se transformó en bohemita a partir de los 300 ºC, en una fase amorfa a 600°C y por encima de 1000°C la fase reportada por DRX fue α - Al2O3, con sustitución isomórfica de hierro por algunos átomos de aluminio en la estructura de la alúmina. Demostraron además, que superada la temperatura de 1000 ºC, los compuestos de hierro se transformaron completamente en hematita, verificándose un proceso de sustitución isomórfica similar al ocurrido con el α - Al2O3. La sustitución Al-Fe en las 13 �estructuras de sus óxidos y la solubilidad de ambos con formación de espinela aproximadamente a 1390 ºC, ha sido investigada por Cornell y Schwertmann, 2003 y Feenstra, 2005. Los mecanismos que describen las transformaciones de los materiales y compuestos en general, se determinan mediante el estudio cinético de su descomposición térmica. El flujo continuo de artículos relacionado con la cinética de las reacciones heterogéneas, demuestra el interés de los investigadores de este campo. Entre otros se pueden citar a Criado et al, 1987; L´vov, 2001; Belin et al, 2002; Swamy et al, 2003; Zhihong y Shihua, 2004; Liu et al, 2004 ; Betancur et al, 2004; Roduit, et al, 2005; Zhan et al, 2005; en investigaciones cinéticas aplicadas a diferentes materiales y minerales, tanto en régimen isotérmico como no isotérmico. El estudio cinético de la descomposición térmica de los materiales, aporta información valiosa para la toma de decisiones en aras de lograr procesos más eficientes. La literatura consultada reporta muy escasa información sobre la cinética de la descomposición térmica de los escombros lateríticos de Moa, con excepción de Ramírez, M et al, 2003, quienes estudiaron preliminarmente la cinética de la descomposición térmica de muestras de escombros de Zona A, obtenidas con el cribado seco y húmedo pero enfatizaron solo en las transformaciones que tienen lugar hasta los 1000ºC. La energía de activación determinada por el método de Achar, (Achar et al, 1966) para la transformación observada entre 250 y 375 ºC, es de 117,08 kJ/mol, característico de un régimen cinético controlado por la temperatura. Los resultados de la investigación no aportan elementos suficientes al conocimiento de la descomposición térmica del escombro de Zona A. Ello dificulta la comprensión de las transformaciones y los productos que se obtienen a regímenes de temperaturas superiores, por ejemplo, en la producción de aceros. Esta limitación se manifiesta también en la investigación desarrollada por García et al, 1989, en la caracterización térmica de escombros lateríticos de Pinares de Mayarí y Martí. En ambos casos, la disminución de masa observada entre 170 y 400 ºC en las curvas de TG y de TGD (Termogravimetría Diferencial), y el efecto endotérmico con máximo a los 320 ºC en el registro de ATD, responde a la pérdida de agua de constitución de la goethita y/o lepidocrocita, que por su deshidratación pasan a hematina. La investigación hace una importante contribución al conocimiento de los escombros lateríticos pero con la referida limitación. Además, 14 �no se determinaron los parámetros cinéticos ni los modelos que describen las transformaciones ocurridas. Przepiera et al, 2001; 2003, refieren que el efecto endotérmico con máximo a 300 ºC, observado al estudiar la cinética de goethitas sintéticas, preparadas a partir de la precipitación oxidativa de soluciones acuosas de sulfato de hierro (II), está relacionado con la reacción de deshidroxilación de esa fase de hierro. La energía de activación determinada por la ecuación de Coats-Redfern (Coats y Redfern, 1964), muestra valores entre 26 y 29 kJ/mol, inferiores a los obtenidos por Ramírez, M et al, 2003 (117 kJ/mol) y por Walter et al, 2001 (entre 107,4 y 137,8 kJ/mol). Estos últimos, estudiaron la cinética de la reacción de deshidratación de goethita comercial, por medio de los registros de TG en condiciones no isotérmicas. Fan et al, 2006, estudiaron la cinética de la descomposición de una goethita obtenida por precipitación oxidativa en medio de cloruro de hierro (II), en este caso, al graficar el grado de transformación respecto a la temperatura, obtuvieron un valor de energía de activación igual a 112,8 kJ/mol y concluyeron que el modelo D3 describe la transformación en cuestión. Un valor de energía de activación muy próximo a éste, fue determinado por Pelino et al, 1989, sin embargo, determinaron que el proceso de descomposición de la goethita estudiada está limitado por el avance de la interfase de reacción (modelo R2) . I.4.1.1. Métodos de análisis cinético en las reacciones heterogéneas Con el transcurso de los años, han surgido numerosos métodos para el análisis de los datos obtenidos por ATG y ATD con el objetivo de evaluar parámetros cinéticos. Sobresalen investigadores como: Achar, Barret, Coats, Redfern, Criado, Dollimore, Reich, Kissinger, Jeréz, Ozawa, Romero, Sestak, entre otros, los que han desarrollado diversos métodos de investigación cinética La ecuación básica que define la velocidad de una reacción heterogénea se define como: dα = k . f (α ) dt (I.1) Donde: K, es la constante de la velocidad. α, grado de transformación (fracción de sólido que ha reaccionado en un tiempo dado). f( α ), función del modelo cinético que controla la velocidad de la reacción. El grado de transformación puede ser calculado como: 15 �α = W0 − W W − W o F (I.2) Donde: Wo, W y WF son los valores inicial, actual y final de la propiedad física medida que varía de forma lineal con la temperatura. En el caso de la TG, la propiedad medida es la variación de masa de la muestra. Como la constante de velocidad se expresa por: k = Ae − E RT (I.3) Donde: E, es la energía de activación. A, factor pre-exponencial de Arrhenius. R, constante universal de los gases. Si se combinan las ecuaciones (I.1) y (I.3), la velocidad de la reacción puede expresarse como: −E dα = Ae RT . f (α ) dt (I.4) El método de Jeréz (Jeréz et al, 1987) es un método poderoso para la determinación de los modelos cinéticos que con mayor probabilidad describen las transformaciones. El mismo se basa en la ecuación: ⎛ ⎛ dα ⎞ ⎞ ⎛1⎞ ∆⎜⎜ ln⎜ ∆⎜ ⎟ ⎟ ⎟⎟ − ∆(ln f (α )) E ⎝ ⎝ dt ⎠ ⎠ ⎝T ⎠ =− ⋅ R ∆(ln (1 − α )) ∆(ln (1 − α )) (I.5) En este método se utiliza el criterio del menor intercepto para el modelo cuya función f( α ), describa mejor la transformación. En un ajuste ideal de acuerdo con la ecuación (I.5), el intercepto será igual a cero. Una vez seleccionado el modelo, la combinación con otros métodos permitirá determinar los parámetros cinéticos (Quesada, 2004). Otro de los métodos usados con frecuencia es el de Osawa (Osawa,1965, 1970). La expresión (I.4) calentamiento, β = se transforma, considerando la velocidad de dT , en: dt dα A = A.e − E / RT f (α ) dT β (I.6) 16 �Si se integra la ecuación anterior desde una temperatura inicial To, a la que le corresponde un grado de transformación α0 , hasta una temperatura máxima, Tp, a la que corresponde un grado de transformación α p , se obtiene la expresión: αp ∫α 0 dα A Tp = ∫ e − E / RT dT f (α ) β To (I.7) A partir de las curvas de TG obtenidas a distintas velocidades de calentamiento ( β ), es posible obtener los valores del grado de transformación para diferentes temperaturas con la aproximación de Flynn-Wall-Ozawa, (Flynn et al, 1966), que permite determinar la energía de activación a partir del ajuste lineal de las curvas ln β respecto a 1/T, a distintos grados de transformación conforme a la ecuación: ln β = constante - E RT (I.8) Al considerar además la función g( α ) y graficar log g( α ) respecto a 1/T, (ecuación I.9), se determinan los parámetros cinéticos, E y A. El modelo cinético más probable se determina del mejor ajuste. ⎛ AE ⎞ ⎛ E ⎞ ⎟⎟ − 2,315 − 0,4567⎜ log g (α ) = log⎜⎜ ⎟ ⎝ RT ⎠ ⎝ βR ⎠ (I.9) Los métodos de Reich, 1985 y de Kissinger, 1957, han sido ampliamente utilizados para determinar los parámetros cinéticos en las reacciones heterogéneas. El método de Reich se basa en la expresión de trabajo: ⎡⎛ β ⎞ ⎛ T 2,302515 ⋅ R ⋅ log ⎢⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⋅ ⎜⎜ 1 ⎢⎣⎝ β1 ⎠ ⎝ T2 E= ⎛1⎞ ⎛1⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ − ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ T1 ⎠ ⎝ T2 ⎠ ⎞ ⎟⎟ ⎠ 2 ⎤ ⎥ ⎥⎦ (I.10) Donde: T: es la temperatura a la cual la transformación alcanza la máxima velocidad, determinada por el máximo de la curva de TGD. Es un método que resulta ventajoso, por la exactitud en la determinación de los valores de temperatura, en la curva de TGD (Romero y Llópiz, 2005). 17 �El método de Kissinger es uno de los reportados en la literatura (Galway y Brown, 1999; Romero y Llópiz, 2004, 2005) como de los más utilizados para la determinación de los parámetros cinéticos a partir de datos termogravimétricos. El método considera una ecuación de primer orden: f( α )= 1- α y del cálculo del extremo de la función se obtiene: E ⎛ AR ⎞ ⎛ β ⎞ ln⎜ 2 ⎟ = ln⎜ ⎟− ⎝ E ⎠ RTmáx ⎝ T máx ⎠ (I.11) La energía de activación puede ser calculada a partir de la pendiente ( m = E ) de la R recta obtenida al graficar ln⎛⎜ β ⎞⎟ respecto a 1 y de su intercepto, se obtendrá A, 2 T ⎝ T máx ⎠ con los datos de los registros obtenidos a diferentes β. Romero, en 1991, demostró experimentalmente que este método es apropiado cuando las velocidades de calentamiento no implican alteraciones en la transformación investigada. La selección adecuada de las técnicas de análisis térmico y de los métodos cinéticos, facilitará la determinación del mecanismo de descomposición de los escombros de zona A y la determinación de los parámetros y modelos cinéticos que describen las transformaciones que tienen lugar. A pesar de la escasa información referente a la descomposición térmica de los escombros lateríticos de Moa, las regularidades mineralógicas evidencian el predominio de fases de hierro, entre las que se encuentra la goethita, lo que sugiere que durante el calentamiento, ocurre la deshidroxilación de esta fase alrededor de los 300 ºC. O´Connor et al, en el año 2006, destacaron la importancia de esta transformación, como pre-tratamiento de la limonita antes de la etapa de reducción en el proceso de lixiviación amoniacal, lo que favorece la difusión del níquel en la matriz del óxido de hierro. La posibilidad de utilizar los escombros de Zona A, como oxidantes en la descarburización del acero ACI HK-40 en hornos de arco eléctrico, (Ramírez, M et al, 2002, 2006), demanda del conocimiento de las reacciones químicas que pueden ocurrir en el baño metálico con la adición del escombro, lo que puede ser pronosticado con el análisis termodinámico. 18 �I.4.2. Termodinámica de las posibles reacciones en el baño metálico Los óxidos metálicos estables en condiciones normales, al ser expuestos a elevadas temperaturas, pueden experimentar transformaciones tales como: disociación o reacción con otros elementos metálicos o no metálicos. La extensión con la que transcurren estos procesos, así como su espontaneidad, pueden ser examinadas mediante el análisis termodinámico de las reacciones químicas que intervienen. En los escombros lateríticos de Zona A, los óxidos de hierro son los compuestos mayoritarios. Le siguen por su cuantía, los de aluminio, de cromo (III) y otros como los de silicio, magnesio, manganeso, níquel y cobalto (tabla I.2). El mecanismo de oxidación establecido, cuando se emplea mineral de hierro en calidad de oxidante de los aceros, se ilustra en la figura I.1. En la primera etapa, los óxidos superiores de hierro contenidos en el mineral de hierro, se difunden hacia la interfase metal-escoria, donde se reducen hasta óxido de hierro (II) por la interacción con el hierro líquido, según la siguiente ecuación: Fe2O3 + [Fe] (l) = 3 (FeO) (l) (1.1) Donde: [….] y (….): Representan al elemento y su óxido contenidos en el baño metálico y en la escoria, respectivamente. Figura I.1. Mecanismo de oxidación con la utilización de los minerales de hierro. (Smirnov, 1984). La segunda etapa, está representada por la oxidación del carbono y otros elementos presentes en el baño metálico, como silicio y manganeso, con el óxido de hierro (II): 19 �[C] (s) + (FeO) (l) = [Fe] (l)+ CO (g) (1.2) [Si] (l) + 2(FeO) (l) = 2[Fe] (l) + (SiO2) (s) (1.3) [Mn] (l) + (FeO) (l) = [Fe] (l) + (MnO) (s) (1.4) Se consideran impurezas en el baño metálico, el azufre y el fósforo. La oxidación efectiva de estas impurezas, no depende solamente de la presencia de óxido de hierro (II), es preciso además temperaturas adecuadas y buena interacción con el óxido de calcio, para garantizar el paso desde el baño metálico hasta la escoria (Smirnov, 1984; Rodríguez, 1989). Por último, la formación de la burbuja de monóxido de carbono, su ascenso y eliminación en la superficie del metal y el paso de los óxidos de las impurezas a la escoria, constituyen la tercera etapa del mecanismo de oxidación con el empleo de minerales de hierro como oxidantes. A partir del análisis de las fuentes bibliográficas consultadas, es posible plantear que los óxidos de hierro presentes en el escombro, al ser expuestos a elevadas temperaturas, experimentan transformaciones en las que se obtiene como uno de los productos de la descomposición, el óxido de hierro (III). La temperatura de descomposición de este óxido es 1350 ºC (Vaniukov, 1981), lo que condiciona sus propiedades oxidantes a altas temperaturas. Esto indica, que si se utilizan los escombros lateríticos en la descarburización del acero ACI HK-40 producido en hornos de arco eléctrico, es posible asumir un mecanismo para esta materia prima, similar al representado en la figura I.1. La temperatura al final de la fusión en los hornos de arco eléctrico, es decir, antes de la descarburización, oscila entre 1500 y 1600 ºC, más usualmente entre 1560 y 1580 ºC. Este es el intervalo adecuado para que en el proceso de descarburización, la oxidación del carbono contenido en el baño metálico se desarrolle en gran extensión (Rodríguez, 1989). Si unido a esto, se considera que el perfil de temperatura para el acero ACI HK-40 oscila entre 1400 y 1600 ºC, se puede evaluar termodinámicamente la ocurrencia de las reacciones en el baño metálico, 20 �en el intervalo de temperaturas entre 1300 y 1700 ºC según el mecanismo descrito. Entre 1500 y 1600 ºC (1773 y 1873 K), prácticamente todos los óxidos presentes en el escombro, se encuentran en estado sólido, con excepción del óxido de hierro (III) que se encuentra por encima de su punto de fusión (anexo 1) y el óxido de hierro (II), producto de la reacción 1.1, se encuentra en estado líquido (anexos 1 y 2). A temperaturas superiores a 1500 ºC, la afinidad por el oxígeno varía de un elemento a otro (anexo 2). De modo que, se podría considerar la posibilidad de interacción de los óxidos de silicio, manganeso, hierro, cobalto y níquel, en el proceso de oxidación del carbono. I.4.2.1. Interacción de los óxidos presentes en el escombro, con el carbono contenido en el baño metálico En el análisis termodinámico se incluyeron las posibles reacciones entre los óxidos presentes en el escombro y el carbono contenido en el baño metálico. Las reacciones se representan en las siguientes ecuaciones: NiO (s) + (1.5) CoO (s) + [C] (s) = [Ni] (l) + CO (g) [C] (s) = [Co] (l) + CO(g) (1.6) MnO (s) SiO2 (s) (1.7) + + [C] (s) 2[C] (s) = = [Mn] (l) + [Si] (l) + CO(g) 2CO(g) (1.8) Cr2O3 (s) + 3[C] (s) = 2[Cr] (l) + 3CO (g) (1.9) Al2O3 (s) + 3[C] (s) = 2[Al] (l) + 3CO(g) (1.10) Para los cálculos termodinámicos se utilizó la ecuación de Gibbs Helmontz: ∆GTo = ∆H To − T∆S To (I.12) Como herramientas de cálculo se utilizaron los softwares: MAPLE, Versión 7,0 y Microsoft Excel, 2000. Al evaluar en el intervalo de temperaturas entre 1573 y 1973 K, se obtuvo la expresión general: T T ⎛ 0 ⎛ ∆c ⎞ ⎞ ∆c ⎞ ⎞ ⎛ ∆a ⎛ 0 + ∫⎜ + ∆b + 3 ⎟dT ⎟⎟ ∆GT0 = ⎜⎜ ∆H 298 + ∫ ⎜ ∆a + T ⋅ ∆b + 2 ⎟dT ⎟⎟ − T ⎜⎜ ∆S 298 T T ⎠ ⎠ T ⎠ ⎠ 298 ⎝ 298 ⎝ ⎝ ⎝ (I.13) 21 �Particularizando en cada una de las reacciones evaluadas y utilizando los datos termodinámicos del anexo 1, se obtienen los resultados resumidos en el anexo 3 e ilustrados en la figura I.2. Los valores de energía libre indican, que en el rango de temperaturas analizado, la oxidación del carbono con los óxidos de aluminio y de silicio no es posible termodinámicamente, mientras que la oxidación con los óxidos de cromo y de manganeso sería posible a partir de 1698 y 1948 K respectivamente. Las reacciones de oxidación con los óxidos de níquel y de cobalto, son espontáneas en todo el intervalo analizado. (a) (b) Figura I.2. (a) Variación de la energía libre con la temperatura para las reacciones de oxidación del carbono con los óxidos presentes en el escombro. (b) Variación de la energía libre con la temperatura para las reacciones de reducción de los óxidos presentes en el escombro con el CO. Sin embargo, como se observa en el anexo 1, las temperaturas de fusión de los óxidos de cobalto, níquel y silicio se encuentran entre 1996 y 2273 K y las de cromo y aluminio superan los 2273 K. De manera que hasta 1973 K, estos se encuentran en estado sólido, lo que unido a sus bajos contenidos en el escombro, limita la ocurrencia de las mismas en el baño metálico y pasarán a formar parte de la escoria. Al analizar la posibilidad de reacción de los óxidos presentes en la escoria, con el monóxido de carbono producto de las reacciones de oxidación en el baño metálico, los resultados indican (figura I.2.b) que es posible que los óxidos de níquel y de cobalto se reduzcan, incrementándose el contenido de estos elementos en el baño metálico. Se concluye que, en el intervalo de temperaturas considerado, no es posible la reacción de descarburización con los óxidos que componen el escombro. El 22 �contenido de níquel y de cobalto en el baño metálico puede incrementar, debido a la reducción de sus óxidos con el monóxido de carbono. I.4.2.2. Oxidación en el baño metálico con el óxido de hierro (II) La oxidación del carbono y de las impurezas, dependerá de las condiciones que se creen en el horno. Entre ellas, la temperatura es un factor determinante en el desarrollo de las reacciones químicas. La reacción de reducción del óxido de hierro (III) y las de oxidación del carbono y demás elementos en el baño metálico, con el óxido de hierro (II), se representan en las ecuaciones (1.11 – 1.14). Se evaluaron además, las reacciones de oxidación del cromo y el aluminio (ecuaciones 1.15 y 1.16). Fe2O3 +[Fe] (l) = 3 (FeO) (l) (1.11) (FeO) (l) + [C] (s) =[Fe] (l) + CO(g) (1.12) [Si] (l) + 2(FeO) (l) = 2[Fe] (l) + (SiO2) (s) (1.13) [Mn] (l) + (FeO) (l) = [Fe] (l) + (MnO) (s) (1.14) 2[Cr] (l) +3(FeO) (l) = 3[Fe] (l) + (Cr2O3) (s) (1.15) 2[Al] (l) +3(FeO) (l) = 3[Fe] (l) + (Al2O3) (s) (1.16) Los resultados del análisis termodinámico, análogo al realizado en el epígrafe anterior, se resumen en los anexos 3 y 4, y se ilustran en la figura I.3. Los mismos indican, que en el rango de temperaturas analizado, el óxido de hierro (III) aportado por el escombro, es reducido por el hierro en estado líquido, obteniéndose como producto, el óxido de hierro (II), que en contacto con el baño fundido, puede reaccionar espontáneamente con el carbono contenido en el mismo. Son espontáneas también las reacciones con el aluminio, silicio, manganeso y cromo disueltos en el baño, con la formación de sus respectivos óxidos que pasan a la escoria. Como se aprecia en la figura I.3, las reacciones más espontáneas son las del aluminio y la del silicio. Desde el punto de vista energético, estas dos reacciones aportan alrededor del 73 % del calor producido entre las analizadas, principalmente, la del aluminio representa el 51 %. Exotérmica también es la reacción de reducción del óxido de hierro (III) (anexo 4). El desarrollo de estas reacciones con desprendimiento de energía, contribuye a restablecer la temperatura luego de la adición del escombro, lo cual es favorable para la reacción de descarburización (1.12), que es endotérmica y se favorece con el incremento de la temperatura. 23 �Figura I.3. Influencia de la temperatura en la espontaneidad de las reacciones de descarburización con el óxido de hierro (II) En la producción de aceros inoxidables en hornos eléctricos, es importante centrar la atención en la posible oxidación del cromo durante la descarburización (Rodríguez, 1989). Esta reacción se favorece a temperaturas más bajas entre las estudiadas, de ahí que el incremento de la temperatura es determinante, para una eficiente descarburización con menores pérdidas de este metal en la escoria. A partir de la ecuación isoterma de reacción (Guerásimov 1971; Glasstone 1987), se puede determinar la constante de equilibrio que caracteriza a cada reacción: ∆G = - RT ln Ke (I.14) Donde: ∆G: Variación de energía libre, kJ/mol R: constante universal de los gases, 8,314 J/mol.K T: temperatura, K Ke: constante de equilibrio De la expresión I.14 se obtiene que: ln Ke = - ∆G / R T (I.15) Si se sustituye la expresión (I.12) en (I.15) se obtiene: 24 �LogKe = − ∆H r ∆S r + 2,303RT 2,303R (I.16) Al aplicar la expresión (I.16) a las reacciones (1.11 – 1.16), se determinó la influencia de la temperatura en la oxidación del carbono, cromo, silicio, manganeso y aluminio, y en la reacción de reducción del óxido de hierro (III). La dependencia del logaritmo de las constantes de equilibrio de las reacciones involucradas en el proceso de descarburización, con el inverso de la temperatura, se muestra en la figura I.4. Comparativamente se observa que el mayor valor de constante de equilibrio le corresponde a las reacciones de oxidación de aluminio y silicio, luego a las reacciones de cromo y manganeso y por último, a la reacción de oxidación del carbono. Figura I.4. Dependencia del logaritmo de la constante de equilibrio con el inverso de la temperatura para las reacciones de oxidación del carbono, silicio y manganeso, cromo y aluminio Lo anterior indica que, termodinámicamente estas reacciones ocurren de forma simultánea en el sistema reaccionante, pero que la oxidación del carbono se logrará con la consiguiente oxidación de otros elementos presentes en el baño metálico. Esta última, a diferencia de las demás, se favorece con el incremento de la temperatura. En el caso de la reducción del óxido de hierro (III), se observa un 25 �discreto incremento del desarrollo de la misma a temperaturas más bajas entre las estudiadas. Las ecuaciones que reflejan la dependencia entre la constante de equilibrio y la temperatura, mostrada en la figura I.4, se describen a continuación: LogKeC = − 6645,6 + 9,1066 T R2 = 0,997 (I.17) 32374 − 1,4324 R2 = 0,996 T (I.18) LogKe Si = 13850 + 0,0908 R2 = 0,997 T (I.19) LogKeCr = 11767 − 0,2439 R2 = 0,996 T (I.20) LogKe Al = 1519,4 + 0,118 R2 = 0,998 T 4412,6 = + 2,6075 R2 = 0,997 T LogKe Fe2O3 = LogKe Mn (I.21) (I.22) Como se planteó en el epígrafe anterior, los óxidos de cromo y de silicio contenidos en el escombro pasarán a formar parte de la escoria, incrementándose sus contenidos por la oxidación del cromo y del silicio presentes en el baño metálico. La posibilidad de ocurrencia de la reducción del óxido de hierro (III), que tiene lugar en la interfase metal escoria, sugiere que el óxido de hierro (II) se combinará con los óxidos de silicio y cromo para dar lugar a compuestos formadores de escoria básica: FeO.SiO2 y FeO.Cr2O3. Estos óxidos combinados tienen temperaturas de fusión que oscilan entre los 2263 y 2373 K, (Smirnov, 1984) y determinan junto a otros, propiedades físicas de la escoria como viscosidad y fluidez. Los resultados del análisis termodinámico se pueden resumir en los siguientes aspectos: 9 El óxido de hierro (II), producto de la reducción del óxido de hierro (III) con el hierro líquido del baño metálico, actúa como oxidante en la descarburización de los aceros, cuando se emplean los escombros lateríticos para este fin. Termodinámicamente son posibles las reacciones con el carbono, silicio, aluminio, manganeso y cromo disueltos en el baño líquido. La oxidación del carbono se favorece con el incremento de la temperatura, específicamente a partir de 1723 K (1500 ºC), mientras que las restantes se desarrollarán en mayor medida, a temperaturas inferiores a ésta. 26 �9 Las constantes de equilibrio para las reacciones estudiadas indican, que la oxidación del carbono se efectuará con la consiguiente oxidación de: aluminio, silicio, cromo y manganeso, en este mismo orden de ocurrencia. 9 Las reacciones de oxidación del aluminio y silicio constituyen aporte energético al sistema, lo que hace eficiente la reacción de descarburización con las menores pérdidas de cromo a la escoria. 9 Los óxidos de aluminio, cromo, silicio y manganeso, contenidos en el escombro, con temperaturas de fusión superiores a 1973 K, pasarán a formar parte de la escoria. Los óxidos de silicio y cromo se pueden combinar con el óxido de hierro (II) y dar lugar a compuestos formadores de escoria. 9 Los óxidos de níquel y de cobalto presentes en la escoria, reaccionarán con el monóxido de carbono producto de las reacciones de oxidación, incrementándose el contenido de estos elementos en el baño metálico. El desarrollo de estas reacciones y su extensión, dependerá de la cantidad de escombro que se añada al horno y de la temperatura. La oxidación de aluminio tiene lugar mayormente, durante el período de fusión, por lo que no se considera para el cálculo. Sin embargo, es necesario tener en cuenta, la formación de otros óxidos, como el FeO.SiO2 y el FeO.Cr2O3. I.5. Determinación del consumo de escombro por las reacciones de oxidación en el baño metálico y de formación de escoria Prácticamente, se ha establecido que para oxidar 0,01% de carbono, es necesario añadir 0,6 – 1 kg de mineral de hierro por tonelada de metal en el horno, (Smirnov, 1984). De la experiencia práctica con el uso de los escombros (Pons y Hernández, 1997; Ramírez, M et al, 2002, 2006), se ha comprobado que cuando se oxida 0,01 % del carbono contenido en el baño metálico, se han oxidado el silicio, el manganeso y el cromo en las siguientes magnitudes: silicio: entre 0,03 y 0,05 %; manganeso: entre 0,035 y 0,05 % y cromo: entre 0,03 y 0,073 %. Para comprobar si esta relación puede ser establecida cuando se utilizan como oxidantes, los escombros lateríticos de Zona A, se toma como ejemplo una composición química del baño metálico antes de la oxidación, como se muestra en la tabla I.3. Tabla I.3. Composición química y porciento de oxidación de los elementos utilizados para el cálculo. 27 �Elementos C Si Mn Cr Contenido (%) 0,65 1,16 1,26 25,67 Oxidación (Unidades de %) 0,01 0,048 0,05 0,073 El cálculo se realiza para 1 kg de escombro añadido, en una tonelada de metal líquido, a través de las expresiones I.23 y I.24. m GX = % X ox ⋅ m Xa 100 m XESC = % X ox ⋅ m Xa 100 (I.23) (I.24) Donde: m GX : Masa de X que se pierde en los gases, kg. m XESC : Masa de X que pasa a la escoria, kg. m Xa : Masa de X en el baño metálico antes de la oxidación, kg % X ox : Pérdida de X durante la oxidación, %. La masa de óxido de hierro (II) que reacciona con cada elemento (carbono, silicio, manganeso y cromo), se determinó por la expresión I.25. X m FeO = m XP ⋅ nM FeO nM X (I.25) Donde: m XP : Masa de X que se pierde con los gases o en la escoria, kg. X mFeO : Masa de óxido de hierro (II) que reacciona, kg. n: Cantidad de sustancia, mol. Mx y MFeO : Masas molares de X y de FeO, respectivamente, g/mol. Conocida la masa total de óxido de hierro (II) que reacciona en el proceso de oxidación del carbono, silicio, manganeso y cromo, y en la formación de FeO.SiO2 y FeO.Cr2O3, se determina estequiométricamente la masa de óxido de hierro (III), por la siguiente expresión: mFe2O3 = mFeO ⋅ M Fe2O3 nM FeO (I.26) Donde: mFeO : Masa total de óxido de hierro (II) que se consume en las reacciones, kg. 28 �Conocida la masa de óxido de hierro (III) y su contenido en el escombro, se determina la masa de escombro correspondiente, según la ecuación: mescom = mFe2O3 Fe2 O3 escom ⋅ 100 (I.27) Donde: Fe2 O3 escom : Contenido de óxido de hierro (III) en el escombro, %. Para garantizar que las reacciones se desarrollen eficientemente durante el proceso de oxidación, se utiliza un exceso del oxidante que debe ser controlado rigurosamente para evitar pérdidas excesivas de los componentes de la aleación con la escoria. Una de las exigencias para el empleo de minerales de hierro como oxidantes, es que el contenido de óxido de hierro (III) no debe ser inferior a 90 %. En los escombros de Zona A esta condición no se cumple, pues el contenido del óxido no supera el 72 %. Sobre esta base y a partir de la experiencia en el uso de oxidantes sólidos, se asumió que con un 20 % de exceso, es posible alcanzar la relación % de carbono oxidado por masa de material empleado, similar a la obtenida con los minerales de hierro. Con la expresión I.28 se determinó, que en el proceso de oxidación de los elementos en las magnitudes antes señaladas y en la formación de FeO.SiO2 y FeO.Cr2O3, se consume 0,994 kg de escombro. T mescom = mescom + (mescom ⋅ α ) (I.28) Donde: α : Coeficiente de exceso, 0,2. Lo anterior indica que para oxidar 0,01 unidades de % del carbono contenido en el baño metálico, es necesario añadir 1 kg de escombro en el horno durante el proceso de oxidación, hipótesis que será comprobada experimentalmente. 29 �Conclusiones del Capítulo I 1. A partir de las fuentes bibliográficas consultadas, se presentan las insuficiencias detectadas que constituyen líneas de trabajo de esta investigación: • Aunque es posible establecer las regularidades granulométricas y mineralógicas de los escombros lateríticos de Moa, no se ha profundizado en las características mineralógicas y físico – químicas, por fracciones de tamaño, de los escombros de Zona A, con la finalidad de elegir los requisitos de calidad como oxidante en la producción de aceros. • Existen antecedentes en el uso de los minerales de hierro y de los escombros lateríticos como material oxidante, que indican la posibilidad de utilizar los escombros de Zona A, como descarburizantes en la producción de aceros en hornos de arco eléctrico. Sin embargo, los precedentes de su utilización, dificultan establecer el mecanismo de oxidación y el procedimiento para su utilización industrial. • No se han determinado sus características térmicas, para explicar las transformaciones de fases durante el calentamiento hasta temperaturas superiores a 1000 ºC. • Se desconoce la cinética de la descomposición térmica de estos residuos, para predecir su comportamiento durante la descarburización en la producción de los aceros en hornos de arco eléctrico. 2. Como resultado del estudio termodinámico, se pronostica el siguiente comportamiento del escombro, en contacto con el baño metálico: • El óxido de hierro (II) producto de la reducción del óxido de hierro (III) contenido en los escombros, con el hierro líquido del baño metálico, actúa como oxidante en la producción de los aceros. La oxidación del carbono se verificará con la consiguiente oxidación de: aluminio, silicio, cromo y manganeso, en este mismo orden de ocurrencia. • Las reacciones de oxidación del aluminio y silicio constituyen aporte energético al sistema. Ello contribuye a garantizar el desarrollo eficiente de la reacción de descarburización, con las menores pérdidas de cromo a la escoria. • Los óxidos de aluminio, cromo, silicio y manganeso, contenidos en el escombro, no intervienen en el proceso de oxidación y pasarán a formar parte de la escoria. Los óxidos de níquel y de cobalto presentes en la escoria, pueden reaccionar con el monóxido de carbono e incrementar el contenido de estos elementos en el baño metálico. 30 �3. Los resultados del estudio teórico, relacionado con el consumo de escombro por las reacciones de oxidación en el baño metálico, pronostican alcanzar la relación porciento de carbono oxidado por masa de material empleado, similar a la obtenida con los minerales de hierro y obtener un acero con una composición química que garantiza su calidad. CAPÍTULO II. MATERIALES Y MÉTODOS II.1. Selección y preparación de las muestras Se conformó una muestra compósito de 5000 kg, representativa de los escombros lateríticos del yacimiento Moa Occidental, Zona A, perteneciente a la empresa Pedro Soto Alba Moa Nickel S.A, según Proyecto de Exploración Geológica del yacimiento Zona A, (Rodríguez, A et al, 1996). La muestra fue trasladada al laboratorio de Beneficio de Minerales del Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa, donde fue homogeneizada y cuarteada a través del método del cono y el anillo. El esquema de preparación empleado se muestra en la figura II.1. II.1.1. Composición granulométrica Para la selección de las fracciones granulométricas, se tuvieron en cuenta los resultados obtenidos en investigaciones anteriores, en el uso de las fracciones gruesas de los escombros lateríticos en los procesos siderúrgicos (Pons y Hernández, 1997; Ramírez, M et al, 2002; 2006). Como resultado se escogieron las fracciones: +10 mm, -10+8 mm, -8+6 mm, -6+4 mm, -4+2 mm, -2+0,83 mm y 0,83 mm para su caracterización físico – química y térmica. II.2. Equipos y técnicas utilizados para la caracterización química y mineralógica Para la determinación de la composición química y mineralógica, se tomaron muestras representativas de las siete fracciones granulométricas y la muestra sin tamizar. Las muestras se pulverizaron y se procesaron en los laboratorios de análisis químico, Difracción de rayos X y Microscopía Electrónica de Barrido, del Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas de Madrid (CENIM), laboratorios certificados por AENOR/Según UNE-EN ISO 9001. A continuación se detallan las características de los equipos empleados, las técnicas utilizadas y las condiciones de trabajo en cada caso. 31 �Masa inicial 5000 kg Reserva Reserva Reserva Reserva Análisis granulométrico FRX AA DRX MEB Análisis Térmico Pruebas Experimentales Figura II.1. Esquema de homogeneización y cuarteo. Pruebas Experimentales Reserva Pruebas Experimentales �II. 2.1. Análisis químicos La composición química se determinó con el uso de un equipo de absorción atómica de llama, Spectr AA-220FS, VARIAN, además se determinó el contenido de los elementos en forma de óxidos, utilizando un espectrómetro de emisión de fluorescencia de rayos X por dispersión de longitudes de onda (FRX-dλ), PHILIPS modelo PW1404 con ánodo de Rh, tensión y corriente del generador de 100 kv y 80 mA, respectivamente, utilizándose para la determinación espectrofotométrica, el método de las cápsulas compactadas con lecho de ácido bórico. II. 2.2. Análisis mineralógico por Difracción de rayos X Se realizó con el objetivo de identificar las fases minerales presentes en las muestras de las fracciones granulométricas en estado natural. Se tomaron porciones adecuadas de las muestras pulverizadas y se realizaron los análisis en un difractómetro Siemens, modelo D5000 (figura II.2), con monocromador para haz difractado de LiF (100) y equipado con ánodo de Cu. Se utiliza este tipo de monocromador para mejorar la resolución y la relación pico/fondo. Los difractogramas se registraron con una constante de tiempo de 5 s y a una velocidad de exploración del papel de 0,030 º/s. Para la identificación de las fases se utilizaron los ficheros Powder Difraction File, Hanawalt Search Manual for Experimental Patterns Inorganic Phases. ISO 9001. Años: 1941-2001 y los datos de JCPDS. Se realizaron análisis de control en el laboratorio de mineralogía del Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa. En este caso se utilizó un difractómetro alemán del tipo HZG-4. Para el tratamiento de los datos y la cuantificación de las fases, se emplearon los softwares ANALYSE y AUTOQUAN, de la SEIFERT X–Ray Technology (Versión 2,26) de procedencia alemana. Esta técnica se utilizó además, para identificar los productos de las transformaciones en la investigación de la descomposición térmica. Para ello, las muestras fueron calentadas hasta 600 y 1350 ºC, valores de temperatura en los que se observaron las principales transformaciones en los registros de ATD y TG. 38 �Figura (II.2) Equipo de Difracción de rayos X utilizado en el análisis mineralógico II.2.3. Microscopía Electrónica de Barrido Un Microscopio Electrónico de Barrido marca JEOL–JXA-840, con Difractómetro de rayos X acoplado, se utilizó para obtener imágenes de los granos durante el barrido de las muestras, para realizar el análisis semicuantitativo de las mismas y como técnica complementaria a las de análisis químico y DRX. Para los análisis, las probetas fueron embutidas en frío con resina epoxi (figura II.3). Se utilizaron papeles abrasivos y pasta de diamante para el pulido de las probetas, con lo cual se obtiene una superficie plana libre de relieves. Antes de ser examinadas, las probetas fueron recubiertas con una película fina de grafito para lograr la conductividad de las mismas. Este es un requisito indispensable para evitar que se acumule carga negativa en su superficie, como consecuencia del barrido electrónico y se desvíe el haz electrónico, lo que hace imposible la observación (Ballester, 1999). 39 �Figura II.3. Epovac, equipo de vacío utilizado para embutir las probetas para los análisis de Microscopía II.3. Equipos y técnicas utilizados para la caracterización térmica y la investigación cinética A continuación se relacionan los equipos y las técnicas utilizadas para la caracterización térmica y la investigación cinética de los escombros de Zona A. Se exponen además, las condiciones de trabajo en cada caso. II. 3.1. Análisis térmico La caracterización térmica de las muestras de escombros lateríticos de Zona A, se realizó con la combinación de ATG, ATD y CDB, con el objetivo de definir las etapas de la descomposición térmica e identificar los productos en cada transformación. Los análisis se realizaron en el laboratorio de Calorimetría del CENIM, España. La figura II.4 muestra una fotografía de los equipos utilizados. II.3.1.1. Análisis termogravimétrico El análisis termogravimétrico permitió determinar los intervalos de temperatura en que ocurren las variaciones de masa producidas por el calentamiento de las muestras. Para ello se empleó un analizador TGA – 50, de la firma japonesa ZHIMATZU, con computadora acoplada a la termobalanza que facilita el procesamiento de los datos y la reproducción de los resultados obtenidos. Las muestras se analizaron desde la temperatura ambiente hasta 1450 ºC en atmósfera de argón, con una velocidad de flujo de 20 mL/min. La masa de las muestras osciló entre 26,59 y 31,59 mg, introducidas en un crisol de alúmina con velocidad de calentamiento de 20 ºC/min. 40 �Figura II.4. Equipos utilizados en los análisis térmicos. Derecha: Equipo de ATG; Centro: Equipo de ATD; Izquierda: Equipo de CDB II.3.1.2. Calorimetría Diferencial de Barrido Los análisis de CDB fueron realizados en un analizador DSC – 50, ZHIMATZU, de procedencia japonesa. Las muestras se calentaron hasta 650 ºC a una velocidad de calentamiento de 20ºC/min en atmósfera de argón con flujo de 20 mL/min. La masa de muestra osciló entre 26,33 y 35,68 mg, pesadas en crisoles de alúmina. Los resultados de los ensayos aportaron información precisa acerca de la transformación del material hasta 650 ºC. II.3.1.3. Análisis Térmico Diferencial Con esta técnica se determinaron los intervalos de temperatura en que se producen los efectos (endotérmicos y exotérmicos) durante el calentamiento de las muestras hasta 1450 ºC. Para ello se utilizó un equipo DTA – 50, también de la firma japonesa ZHIMATZU. Los ensayos se corrieron en atmósfera de argón, con una velocidad de flujo fue 20 mL/min. Las muestras con un peso entre 22,56 y 34,09 mg, fueron introducidas en crisoles de alúmina y calentadas a 20 ºC/min. Como técnica complementaria se utilizó difracción de rayos X. El difractómetro utilizado, es el indicado en el epígrafe II.2.2. II.3.2. Investigación cinética de la descomposición térmica de los escombros Una vez identificadas las etapas en que se verifica la descomposición térmica del escombro, e identificados los productos de cada transformación, se realizó la 41 �investigación cinética del proceso, a través de las curvas de ATG/TGD y ATD, obtenidas a velocidades de calentamiento entre 5 y 30 ºC/ min. El equipo utilizado para obtener los registros de TG es el indicado en II.3.1.1. La masa de las muestras utilizadas, introducidas en crisoles de alúmina, osciló entre 27 y 36 mg y la temperatura de trabajo estuvo enmarcada entre 30ºC y 1450 ºC. Se utilizó atmósfera de Argón con un flujo del gas de 20 mL/min. La curva de ATD se obtuvo en un equipo Setaram (Setsys Evolution Model 1500). Se utilizaron crisoles de alúmina de 100 µL. La velocidad de calentamiento fue de 10 ºC/min y como gas protector se utilizó argón con flujo de 20 mL/min. Los modelos y parámetros cinéticos (energía de activación y factor preexponencial) para la determinaron por los primera y métodos tercera de Jeréz etapas de (1987) y la descomposición, Osawa (1965, se 1970). Adicionalmente se utilizó para el cálculo, la norma ASTM E698-99, 2001 y los métodos de Reich (1985) y Kissinger (1957), (epígrafe I.4.1.1). La utilización combinada de estos métodos aportó confiabilidad y permitió validar los resultados obtenidos. II.4. Desarrollo de los experimentos A continuación se muestra el diseño experimental empleado, las herramientas utilizadas para el tratamiento estadístico de los resultados así como la metodología desarrollada para la evaluación de los escombros como oxidantes. II.4.1. Diseño experimental y tratamiento estadístico de los resultados A partir de los resultados de estudios preliminares realizados (Pons, 1997; Ramírez, M et al, 2002, 2006) y de la caracterización físico-química y térmica de los escombros objeto de investigación, se seleccionaron para la evaluación, las fracciones granulométricas: +10 mm; -10+8 mm; -8+4 mm y -4+0,83 mm, (por su composición química, especialmente de óxido de hierro (III) y el contenido de estas fracciones en la masa total de escombros). De las investigaciones preliminares, se seleccionaron también las masas de escombro a utilizar, con el propósito de comprobar si se cumple la relación: % de carbono oxidado por masa de escombro añadido, fundamentada en el epígrafe I.5. En el diseño experimental se empleó el diseño factorial, (Mitrofánov et al, 1974; Ullmann´s, 2002) para analizar la influencia de los factores externos: granulometría y masa de escombro, y las interacciones entre ellas en la variable de salida: grado de oxidación ( ξ oxid ) del carbono. Se incluyeron también, como 42 �variables de salida, el grado de oxidación de silicio, de manganeso, cromo, fósforo y azufre. El número de ensayos se determinó por la expresión: N = øk ; N = 42 Donde: N: Número de ensayos. Ø = Niveles de experimentación. K = Cantidad de factores. Si se considera la cantidad de factores externos, el número de experimentos a realizar es 16 con tres réplicas para cada ensayo, de modo que el total de experimentos a desarrollar es 48. Los niveles de experimentación para cada variable se muestran en la tabla II.1. Tabla II.1. Niveles de experimentación empleados en la investigación Niveles de Factores Masa de escombro Granulometría estudio (mm) (kg) (X1 ) (X2) 1 -4+0,83 8 2 -8+4 10 3 -10+8 15 4 +10 20 Para demostrar la veracidad de los resultados experimentales, analizar el comportamiento de las variables y la interacción entre ellas, se realizó un estudio estadístico - matemático utilizando como herramientas los softwares STATGRAPHICS plus 5.1 y Microsoft Excel, 2000. Se obtuvieron los modelos que indican la influencia de las variables granulometría y masa, en el grado de oxidación del carbono y de los demás elementos. Las pruebas para la significación de los coeficientes de la ecuación de regresión y la significación del modelo, se realizaron a través de los criterios de Cochrane, Student y Fisher. II.4.2. Metodología experimental para la evaluación de los escombros en el proceso de descarburización Las pruebas experimentales se desarrollaron con el objetivo de evaluar, diferentes fracciones granulométricas de los escombros lateríticos de Zona A, como oxidantes del carbono y otros elementos, en el proceso de descarburización en hornos de arco 43 �eléctrico. Se escogió para la evaluación, el acero termo - resistente ACI HK-40, de composición química como se muestra en la tabla I.1, según ASTM A297-95. Con este acero se funden piezas importantes en el taller de fundición de la empresa Mecánica del Níquel “Gustavo Machín Hoed de Beche” en Moa, entre las que se encuentran: los brazos, dientes y ejes de base de los hornos de reducción de la empresa “Comandante Ernesto Che Guevara” en Moa. Los experimentos se realizaron a escala industrial, en un horno de arco eléctrico de revestimiento básico, de 1,8 t instalado en el taller de fundición de la empresa Mecánica del Níquel en Moa. Las dimensiones de los electrodos son 200 *1600 mm. La temperatura máxima del horno es 1800 ºC, su diámetro 1100mm y la potencia de 1MW. El horno puede ser operado automática o manualmente. La evaluación de las fracciones granulométricas se realizó en 48 coladas con alteración en el contenido de carbono después del período de fusión. Los materiales utilizados como carga para la elaboración de las mismas, se muestran en el anexo 5. Los análisis a las probetas tomadas para el control de la composición química, se realizaron en un espectrómetro de masa de fabricación alemana, SPECTROLAB-400 con electrodo de carbón bajo arco sumergido en atmósfera de argón, ubicado en el laboratorio del mismo taller. Durante el desarrollo de las pruebas, se cumplió con la condición necesaria: que el baño metálico se encuentre completamente líquido, a temperaturas entre 1560 y 1580 ºC. A continuación, se examina la composición química de la probeta tomada en el primer muestreo, con lo cual se determina el inicio de la etapa de oxidación, que tiene como objetivos, disminuir el contenido de carbono, manganeso, silicio y las impurezas fósforo y azufre. Si el contenido de carbono es superior al exigido para el acero, la aleación se considera alterada o fuera de especificación; entonces es necesaria la adición del oxidante. Se tuvo en cuenta que al adicionar el escombro se produce una disminución de la temperatura hasta 1530 ºC aproximadamente, la que se restablece con el desarrollo de las reacciones químicas y al sumergir los electrodos en el baño. Una vez que la temperatura alcanza valores entre 1560 y 1600 ºC, considerados óptimos para la descarburización, se repite el análisis de control para comprobar la composición química del acero y con ello, la efectividad del proceso de descarburización, lo cual depende además, de la masa o norma de consumo de escombro. 44 �El grado de oxidación obtenido en el baño metálico, con la adición de las fracciones granulométricas de escombro, se determinó por la expresión II.1. ξ oxid x = moxid x ⋅100 mi x (II.1) Donde: mi x : Masa del elemento X antes de la adición del escombro, kg; moxid x : Masa del elemento X después de la adición del escombro, kg. A partir de la comprobación de la hipótesis planteada en I.5, referente a la relación % de carbono oxidado/masa de escombro añadido, se estableció la norma de consumo, a través de la expresión (II.2). mesc = c Me − c ex ⋅Q 0,01 (II.2) Donde: m esc : es la masa de escombro necesaria, kg. c Me : Contenido de carbono en el baño metálico antes de la oxidación, %. c ex : Contenido de carbono exigido para el acero. (Se tomó para cálculo 0,4 %). Q: Masa de metal líquido en el horno, t. 0,01: Unidades de % de carbono oxidado por kilogramo de escombro añadido para cada tonelada de metal líquido. 45 �Conclusiones del capítulo II 1. Las técnicas analíticas de tecnología avanzada y los métodos empleados, garantizan la confiabilidad de los resultados de la caracterización físico – química y térmica del material y a su vez, facilitan la selección adecuada de las fracciones granulométricas, con las características necesarias para ser evaluadas en el proceso de descarburización del acero ACI HK-40. 2. La metodología experimental explicada, garantiza confiabilidad en los resultados de la evaluación de las partículas mayores de 0,83 mm como oxidantes en la producción del acero ACI HK-40 y la comprobación de las hipótesis planteadas. CAPÍTULO III. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS III.1. Introducción En este capítulo se discuten los resultados de la caracterización granulométrica, química y mineralógica de los escombros de Zona A, así como la cinética de su descomposición térmica con calentamiento no isotérmico. Se analizan los resultados de las pruebas experimentales realizadas en el horno de arco eléctrico y se establece el procedimiento para el uso de los escombros lateríticos, como oxidantes del carbono en la producción de los aceros. Por último, se realiza una valoración económica y ecológica de la utilización de estos desechos mineros, en la descarburización del acero ACI HK-40. III.2. Análisis de la caracterización de los escombros de Zona A A continuación se analizan y discuten los resultados de la caracterización granulométrica, así como la composición química y mineralógica de las fracciones de tamaño. III.2.1. Caracterización granulométrica y química de los escombros La composición granulométrica de los escombros de Zona A, representada en la figura III.1, evidencia un predominio de las partículas mayores de 0,83 mm. Estas partículas agrupan el 57,76 % del peso de la muestra, entre las que se distinguen las de tamaños entre 0,83 y 4 mm que alcanzan el 41% de la masa total. Al analizar la composición por fracciones de tamaño, se distinguen tres grupos granulométricos: de una parte, una granulometría fina, menor de 0,83 mm que representa el 42,24 % en peso de la muestra; un segundo grupo granulométrico intermedio constituido por las fracciones mayores de 0,83 y menores de 6 mm, las 46 �que representan el 48,38 % y un tercer grupo de granulometría más gruesa, mayores de 6 mm, que representa el 9,4 % en peso de la muestra y en las cuales, las fracciones individuales no superan el 4,85 %. Las partículas mayores de 2 mm, denominadas perdigones, han sido investigadas con el propósito de utilizarlas en diferentes procesos siderúrgicos y constituyen objeto de actuales investigaciones. Se caracterizan por altos contenidos de hierro (entre 51 y 54 %), níquel, cobalto y cromo, como se refleja en la figura III.2 y agrupan el 35,86 % de los granos que componen el material, elementos a considerar en las propuestas de usos de esta materia prima. 50 42,24 Salidas (%) 40 30 21,90 20 19,10 10 7,38 4,85 1,3 0 -0,83 -2+0,83 -4+2 -6+4 -8+6 -10+8 3,23 +10 Diámetro de partículas (mm) Figura III.1. Característica granulométrica del escombro de Zona A 47 �100 Fe Contenido (%) 10 Al Cr Si 1 Mn Ni Co Mg 0,1 <0,83 +0,83-2 +2-4 +4-6 +6-8 +8-10 >10 Diámetro de partículas (mm) Figura III.2. Contenido de los elementos en las fracciones granulométricas. Eje de los contenidos en escala logarítmica Químicamente, el escombro de Zona A está compuesto fundamentalmente por óxido de hierro y aunque su contenido no varía bruscamente con el tamaño de las partículas, en las mayores de dos milímetros este se incrementa entre 73,16 y 77,18 %, como se puede constatar en la tabla III.1. Tabla III.1. Composición química de los elementos mayoritarios en las fracciones granulométricas de los escombros de Zona A. Fracciones granulom. Contenido expresado como óxido (%) Fe2O3 NiO CoO Cr2O3 Al2O3 SiO2 MnO MgO +10 73,16 0,70 0,16 2,80 11,66 4,02 0,924 0,15 -10 + 8 77,13 0,68 0,13 3,21 10,53 1,75 0,676 0,25 -8 + 6 77,18 0,68 0,13 3,21 10,15 1,80 0,683 0,17 -6 + 4 75,87 0,70 0,13 3,36 10,72 1,65 0,707 0,17 -4 + 2 74,14 0,68 0,16 3,36 13,54 1,60 0,785 0,18 -2 + 0,83 69,60 0,70 0,15 3,50 17,11 1,80 0,768 0,23 - 0,83 68,51 0,70 0,15 3,65 18,80 2,31 0,707 0,33 (mm) El aluminio es el segundo de los elementos mayoritarios en el escombro, con un contenido que se incrementa en la medida que disminuye el diámetro de las partículas y llega a alcanzar el 10 % (19% como óxido) en las menores de 48 �0,83 mm (figura III.2). Los valores más bajos de este elemento, en el orden de 5 %, se reportaron en las partículas mayores de 4 mm. La presencia mayoritaria de hierro y aluminio en los escombros de Zona A, constituye una regularidad de los escombros lateríticos cubanos, que justifica que estos residuos se consideren óxidos de hierro con diferentes grados de contaminación con el aluminio. Se observó que la distribución del níquel en las clases de tamaño, es irregular, con un ligero incremento hacia las partículas más finas. Este comportamiento en la distribución del níquel, se atribuye a que los oxihidróxidos de hierro presentes, específicamente la goethita, son portadores de níquel, como lo reporta en sus trabajos Rojas, 1995 y 2001. En lo referente al magnesio, el contenido se incrementa hacia las partículas más finas, las menores de 0,83 mm, y forma parte de los minerales arcillosos junto al aluminio y al silicio. Aunque el contenido de cromo varía muy poco en el espectro de partículas estudiadas, el mayor contenido se encuentra en la fracción menor de 0,83 mm. Si bien los mayores por cientos del silicio, magnesio y aluminio se encuentran en las partículas de menores diámetros, se puede constatar que en las mayores de 0,83 mm, predominantes en el escombro estudiado, los contenidos de estos elementos son significativos, lo que constituye un elemento a considerar en el uso de este residuo, especialmente en la industria del acero, pues ellos contribuyen a mejorar las propiedades de viscosidad y fluidez de las escorias. El silicio y el aluminio elevan la fluidez y el magnesio la viscosidad. La distribución del cobalto sigue a la del manganeso. Los mayores contenidos se encuentran en las fracciones + 10 mm y - 4 + 2 mm. El comportamiento análogo de estos elementos, confirma su asociación en los óxidos e hidróxidos impuros de manganeso. El contenido de oxígeno enlazado químicamente a los elementos metálicos y no metálicos en las fracciones granulométricas estudiadas, se muestra en la tabla III.2, sus valores oscilan entre 33,20 y 34,62 %. Estos contenidos y la presencia mayoritaria de hierro, revisten importancia para la utilización de estos desechos como oxidantes del carbono en la producción de aceros, como se analizará en próximos epígrafes. Tabla III.2.Contenido de oxígeno en las fracciones granulométricas estudiadas 49 �Fracciones granulométricas (mm) +10 -10+8 -8+6 -6+4 -4+2 -2+0,83 -0,83 Muestra sin tamizar Contenido de oxígeno (%) 33,92 33,20 33,20 33,34 33,73 34,35 34,62 33,97 En resumen, se demostró que los escombros lateríticos de Zona A, compuestos fundamentalmente por partículas mayores de 0,83 mm, están caracterizados por la presencia de hierro, cuyo contenido se incrementa hacia las partículas mayores de 2 mm. Los contenidos de níquel y de cobalto varían irregularmente entre las fracciones estudiadas, mientras que los de aluminio, magnesio, silicio y cromo se encuentran en las menores de 0,83 mm. III.2.2. Caracterización mineralógica Se demostró que las fases principales en los escombros estudiados son los óxidos de hierro, representados fundamentalmente por maghemita (γ-Fe2O3) y goethita (α-FeO.OH), como lo evidencia la figura III.3 y los anexos 6 - 12. El predominio de esas fases está en correspondencia con la presencia mayoritaria del hierro y su amplia distribución en el perfil granulométrico estudiado, discutido en el epígrafe III.2.1. 800 M +10 mm Intensidad (u.a) 600 400 Gb M 200 Gb M GC Gb M G Gb Gb G M M Gb M M 0 20 40 60 80 100 Escala 2 Theta Figura III.3. Difractograma de la fracción +10 mm. M: maghemita; G: goethita; Gb: gibbsita; C: cuarzo 50 �El pico de mayor intensidad para la maghemita, aparece a un ángulo de 35,7º en todas las fracciones granulométricas como se aprecia en los difractogramas. La intensidad de esta reflexión y los resultados de los análisis cuantitativos mostrados en la tabla III.3, demuestran que la maghemita constituye la fase principal, con contenidos entre 10,80 y 77,60 %, concentrándose hacia las fracciones mayores de 2 mm. Las reflexiones de la goethita, son de menor intensidad al compararlas con las de la maghemita. El contenido de esta fase reportado por el análisis cuantitativo, oscila entre 12,54 y 31,60 %, concentrándose hacia las menores de 2 mm. Se reportaron otras fases de hierro como: la hematita, que no supera el 9 % y la magnetita, que se concentra en la fracción -2 + 0,83 mm, con un contenido de 37 %. La fase cuarzo (SiO2), se reportó en la fracción mayor de 10 mm con un contenido de 3,49 %, en correspondencia con los análisis químicos en dicha fracción (4,02 % del óxido). Tabla III.3. Composición mineralógica cuantitativa del escombro estudiado. determinada con AUTOQUAN Fracciones Granulométric as (mm) +10 -10+8 -8+6 -6+4 -4+2 -2+0,83 -0,83 Contenido de las fases mineralógicas (%) Goethit a 17,80 12,54 13,90 12,54 20,60 27,90 31,60 Maghemit a 69,40 77,60 74,50 71,50 67,40 10,80 43,13 Gibbsit a 9,30 8,42 9,60 9,51 10,10 16,57 16,37 Cuarz o 3,49 - Magnetit a 37,00 - La presencia de gibbsita es significativa en todas las muestras (8,42 y Hemati ta 1,40 2,06 1,48 1,87 7,71 8,86 16,57 %), y está relacionada con el contenido de aluminio de hasta 19 % de óxido que llegan a alcanzar algunas de las muestras. Se observa una regularidad similar a lo reportado en los análisis químicos: mayores contenidos de óxido de aluminio en las partículas menores de 2 mm. Los reportes de MEB corroboran los resultados obtenidos en los análisis químicos y en la Difracción de rayos X. El microanálisis realizado en el punto señalado de un grano de la fracción +10 mm (figura III.4a), indica concentración atómica de silicio 51 �igual a 42,33 %, (figura III.5 y anexo13). Se comprobó además, que los granos están constituidos mayormente por fases de hierro y de aluminio, con un contraste entre ellas que les confiere diferentes tonalidades en su color al observarlos en el microscopio, como lo denota la figura III.6. (a) (b) Figura III.4. Micrografías de dos granos de la fracción +10 mm 4000 Si Cuentas 3000 2000 1000 Al O C Mg K 0 0 Ca Fe 5 10 Energía (KeV) Figura III.5. Microanálisis de la figura III.4a De forma general, las micrografías de las fracciones granulométricas (anexos 14 - 20), denotan una morfología granular en las que los granos están constituidos mayormente por fases de hierro y de aluminio en las que están presentes además el cromo, el manganeso y el magnesio. 52 �2500 8000 Fe Al 2000 6000 Cuentas Cuentas 1500 4000 O 1000 C Al Fe 2000 Fe O 500 C 0 0 Fe Cr 5 0 10 0 5 10 Energía (KeV) Energía (KeV) (a) (b) Figura III.6. Microanálisis de la figura III.4b: (a) Zona oscura y (b) Zona clara. La información aportada por estas técnicas, confirma la complejidad mineralógica del escombro de Zona A. Se demostró que el 57,76% de las partículas son mayores de 0,83 mm y poseen contenidos de óxido de hierro entre 69 y 77 %, representados fundamentalmente por maghemita y goethita como fases principales. Además de estas fases, en el escombro están presentes la gibbsita, hematita, magnetita y el cuarzo. III.3. Estudio de la descomposición térmica de los escombros lateríticos de Zona A. Aspectos relacionados con su cinética En este epígrafe se analizan los resultados de la descomposición térmica de las muestras de escombros de Zona A, así como la investigación cinética del proceso, a partir de las curvas termogravimétricas obtenidas a diferentes velocidades de calentamiento. La información que aquí se brinda, aporta elementos de importancia para la utilización de los escombros lateríticos como oxidantes del carbono en la producción de aceros. III.3.1. Descomposición térmica de los escombros La figura III.7 (a-h) muestra las curvas térmicas de las fracciones granulométricas y de una muestra sin tamizar que se ha denominado “completa“. 53 �(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) Figura III.7.Curvas de TG/CDB para las muestras de escombros de Zona A. (a) fración +10mm, (b) fracción -10+8mm, (c) fracción -8+6mm, (d) fracción 6+4mm, (e) fracción-4+2mm, (f) fracción -2+0,83mm, (g) fracción – 0,83mm, (h) muestra completa �Los registros termogravimétricos reflejan las variaciones de masa que experimentan las muestras durante el calentamiento. Como se observa, hasta los 200 ºC tiene lugar una disminución de masa de forma continua, la que no supera el 2 % y está asociada a la vaporización del agua absorbida por el material y a la deshidratación parcial de los oxi-hidróxidos de hierro presentes en el escombro. Entre 250 y 375 ºC la disminución de masa oscila en un rango de 3,40 y 6,11 % (tabla III.4) y es característica de la deshidroxilación de la goethita, que se transforma en hematita a la temperatura aproximada de 300 ºC conforme a la ecuación: 2 α- FeOOH α Fe2O3 + H2O → (3.1) Este proceso ocurre con la formación de las fases intermedias protohematita e hidrohematita, verificándose importantes cambios en la porosidad y morfología de las partículas (Balek y Subrt, 1995). El reporte de DRX de una de las muestras calentadas hasta 600ºC (figura III.8) denota la ausencia de reflexiones correspondientes a la goethita, lo que demuestra que ha ocurrido la transformación en cuestión. Esta se considera la primera etapa de la descomposición del escombro estudiado. M 350 300 Intensidad (ua) 250 200 M 150 M M 100 M H 50 H H H H H M M 0 20 40 60 80 100 Escala 2 theta Figura III.8 Difractograma de una muestra calentada hasta 600º C (M: Maghemita; H: Hematita) El intervalo de temperaturas en el que se verificó la descomposición de la goethita y los datos termogravimétricos recogidos en la tabla III.4, coinciden con las investigaciones de minerales de hierro y de escombros lateríticos cubanos, como 56 �los de Pinares de Mayarí y Mina Martí. (Barrado et al, 2002; García et al, 1990; Liu et al, 2004; Swamy et al, 2003; Prieto et al, 2001; O´Connor et al, 2006). Tabla III.4 Datos termogravimétricos de las principales transformaciones térmicas del escombro Fracciones (mm) Temperatura máxima de los efectos (ºC) Variaciones de masa (%) 250-375 ºC 1200-1400 ºC Total 300 -10 + 8 297 -8 + 6 297 1322 1340 4,08 2,09 8,85 +10 297 -4 + 2 300 -2 + 0,83 307 0,83 302 Muestra completa 302 1338 1355 1350 1339 1355 1345 3,40 2,43 3,45 2,31 3,90 2,56 4,48 2,45 5,81 2,30 6,11 2,48 4,71 1,99 8,06 8,54 8,69 9,40 1,50 11,08 11,62 -6+ 4 Se puede constatar un incremento en la variación de masa en la medida que decrece el diámetro de las partículas. Cuando la masa disminuye 4 % en las partículas mayores de 4 mm, en las menores de 2 mm, la magnitud asciende a 6,11 %. La magnitud de la variación de masa está relacionada con el contenido de OH estructural, corroborándose los resultados de los análisis mineralógicos, acerca del incremento del contenido de goethita en las partículas más finas. En cuanto a la temperatura máxima de la descomposición, no se observan diferencias significativas entre una y otra fracción, lo que confirma que las fracciones granulométricas muestran una misma temperatura de descomposición de la goethita. Los resultados de CDB, indican en el intervalo de temperaturas estudiado, un efecto endotérmico con máximo a los 300 ºC. El área del efecto corresponde al calor involucrado en el proceso de deshidroxilación de la goethita que varía proporcionalmente con los cambios de masa analizados en esta etapa. En el caso de las partículas menores de 4 mm, el calor oscila entre 0,076 y 0,13 kJ/g, como lo muestra la figura III.9, mientras que en las fracciones -10+8 y -8+6 mm, fluctúa entre 0,065 y 0,073 kJ/g. 57 �0,14 Calor (kJ/g) 0,12 0,10 0,08 0,06 0 2 4 6 8 10 Diámetro de partículas (mm) Figura III.9. Calor involucrado en la descomposición de la goethita presente en las fracciones estudiadas del escombro de Zona A El registro de ATD, representativo de los efectos que se producen durante el calentamiento de las fracciones granulométricas analizadas (figura III.10), muestra un efecto endotérmico con máximo a los 100 ºC, que se corresponde con la disminución de masa analizada hasta los 200 ºC. Asimismo, corrobora la transformación ocurrida entre 250 y 375 ºC con la aparición de dos efectos endotérmicos consecutivos cuyo pico principal aparece a los 300 ºC. La aparición de este doble efecto en la deshidroxilación de la goethita coincide con los resultados de Ghodsi et al, 1976 y Schwertmann, 1984. En el intervalo de 375 – 500 ºC, la maghemita (γ - Fe2O3) inicia su proceso de transformación a hematita (α- Fe2O3), (Belin y otros, 2002), demostrado en el difractograma de una de las muestras obtenidas con calentamiento hasta 600º C (figura III.8), en la que se observa la desaparición de algunas reflexiones de maghemita, mientras se acentúan las de hematita. La transformación se representa por la ecuación 3.2. γ - Fe2O3 → α - Fe2O3 (3.2) 58 �876.2ºC 15 Exo 2 10 -2 ∆Τ 0 -5 -4 -10 -6 -15 1345 ºC Endo -20 Variación de masa (mg) 0 5 -8 300 º C -25 -10 200 400 600 800 1000 1200 1400 Temperatura (ºC) Figura III.10 Curvas representativas de ATD/TG obtenidas para el escombro de Zona A En este mismo intervalo, la gibbsita se transforma en bohemita, según la ecuación 3.3. Al (OH)3 → AlOOH + H2O (3.3) La transformación anterior se observa en los termogramas por una discreta disminución de masa hasta los 500 ºC, que no supera el 1%. A partir de los 600 ºC la bohemita se transforma en una serie de compuestos amorfos: - Al2O3 k- Al2O3 , ø y δ - Al2O3, hasta que superados los 1000 ºC, se han transformado completamente en α - Al2O3. Un efecto exotérmico, con máximo a 876,2 ºC, se observa en la curva de ATD. Este efecto no está acompañado de variación de masa, como es característico de los procesos de cristalización de los óxidos presentes en el material. En el intervalo entre 720 y 850 ºC, se produce la aglomeración de las partículas y el inicio de la sinterización, formándose en el caso de los compuestos de hierro, partículas de αFe2O3 de gran tamaño y de geometría irregular. Resultados similares fueron obtenidos por Oliveira et al, 2001 y Ponce et al, 1986, en la caracterización de muestras de laterita ocrosa, procedentes del yacimiento Punta Gorda y de muestras de colas del proceso CARON, en Moa. Esta se considera la segunda etapa en la descomposición térmica del escombro de Zona A. 59 �Finalmente, entre 1200 y 1400 ºC se observa en los registros de TG, una última disminución de masa con valor medio de 2,42 %, que coincide con un efecto endotérmico a 1345 ºC medido sobre la curva de ATD. En este intervalo de temperaturas se confirmó, por el análisis de DRX en todas las muestras obtenidas por calentamiento hasta 1350 ºC, la presencia de α - Fe2O3 con alto grado de cristalinidad (figura III.11). Aunque en los difractogramas de las muestras calentadas no se evidencian reflexiones correspondientes a α - Al2O3, por el contenido de gibbsita en el escombro (8 -16 %) y considerando que las transformaciones térmicas que experimentan los compuestos de aluminio, culminan con la formación de alúmina por encima de los 1000 ºC, se infiere la presencia de dicha fase en el intervalo analizado. 120 H H H Intensidad (ua) 100 H H 80 H 60 40 H H H H HH H H 20 0 20 40 60 80 100 Escala 2 theta Figura III.11. Difractograma de una muestra de escombro calentada hasta 1350 º C. ( H: Hematita) La disminución de masa y el efecto endotérmico observados en las curvas de TG/ATD, están asociados a la descomposición térmica de la hematita con formación de magnetita y desprendimiento de oxígeno (ecuación 3.4). En el análisis termodinámico realizado, las magnitudes termodinámicas indican la posibilidad de ocurrencia de dicha reacción y revelan el carácter endotérmico de la misma en el intervalo de temperatura entre 1200 y 1600 ºC (tabla III.5). 6 Fe2 O3 (s ) → 4 Fe3O4 (s ) + O2 ( g ) (3.4) 60 �Tabla III.5. Magnitudes termodinámicas calculadas para la ecuación 3.4 Valores de variación de entalpía (kJ/mol) ∆H1200ºC ∆H1300ºC ∆H1400ºC ∆H1500ºC ∆H1600ºC 415,07 404,76 393,02 379,85 365,23 Valores de variación de energía libre (kJ/mol) ∆G1200ºC ∆G1300ºC ∆G1400ºC ∆G1500ºC ∆G1600ºC -60,36 -93,074 -125,0 -156,2 -186,59 Resultados similares obtuvieron Cruz et al, 2003, en la caracterización de un mineral de manganeso. Dos efectos endotérmicos se observaron en el registro de ATD, uno de ellos, a 1145ºC, asociado a la transformación de Mn2O3 a Mn3O4 con liberación de oxígeno. Mientras que Madarász et al, 2006, demostraron que los efectos endotérmicos en las curvas de ATD, correspondieron a la evolución del oxígeno molecular durante la investigación de la descomposición térmica de óxidos de hierro en atmósfera inerte, combinando ATD y TG con Espectrometría de masa. En el análisis cuantitativo por DRX, realizado a las muestras calentadas hasta 1350 ºC, se observa un contenido de magnetita de 2,22 %, (figura III.12). Este resultado confirma que se está desarrollando la reacción representada en la ecuación 3.4. Se puede plantear entonces, que entre 1200 y 1400 ºC, el α - Fe2O3 producto de la transformación de los óxidos de hierro presentes en el escombro, se descompone con la consiguiente formación de magnetita y desprendimiento de oxígeno. Esta transformación se considera la tercera y última etapa de la descomposición térmica del escombro estudiado. Hematite 97.78 % Magnetite 2.22 % Figura III.12. Análisis cuantitativo de una muestra de escombro calentada hasta 1350º C 61 �La descomposición térmica del escombro de zona A, en las condiciones antes señaladas, se resume en las siguientes etapas: 1. Deshidroxilación de la goethita y su transformación en hematita, aproximadamente a 300 ºC. 2. Aglomeración de las partículas y cristalización de los óxidos presentes, alrededor de 876 ºC. 3. Descomposición de la hematita entre 1200 y 1400 ºC. Una vez propuestas las transformaciones principales en la descomposición térmica del escombro, se tienen los criterios necesarios para investigar la cinética del proceso. III.3.2. Investigación cinética de la descomposición térmica de los escombros La investigación cinética con calentamiento no isotérmico, se desarrolló para la primera y la tercera etapas de la descomposición térmica del escombro. Para la determinación de los modelos y parámetros cinéticos se emplearon los métodos de Jeréz, Ozawa, Kissinger y Reich. La utilización de estos métodos está fundamentada en la confiabilidad que aportan los resultados del tratamiento de datos termogravimétricos. III.3.2.1. Determinación del modelo y los parámetros cinéticos de la primera etapa Los registros de termogravimetría, obtenidos en el intervalo de 30 - 1450 ºC, a velocidades de calentamiento entre 5 y 30 ºC/min, se muestran en la figura III.13. 62 �Variación de masa (mg) 0 -2 30ºC/min -4 -6 -8 5ºC/min -10 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Temperatura (ºC) Figura III.13. Curvas de TG obtenidas a velocidades de calentamiento entre 5 y 30 ºC/min • Aplicación del método de Jeréz Para seleccionar los modelos más probables en el proceso de deshidroxilación de la goethita, se utilizó el método de Jeréz (ecuación I.5). Al graficar el miembro izquierdo de la ecuación respecto al miembro derecho de la misma, se obtiene una línea recta de pendiente –E/R independiente de f(α). Se evaluaron 27 funciones f(α), resumidas por Romero y Llópiz, 2004, lo que permitió seleccionar el grupo de modelos R como los que mejor describen la transformación. A partir de estos resultados, se aplicó el método de Osawa. • Aplicación del método de Osawa En la tabla III.6 se resumen los datos correspondientes a las temperaturas y variaciones de masa asociadas a la reacción de deshidroxilación de la goethita, a diferentes velocidades de calentamiento, observándose un desplazamiento de la temperatura a la cual ocurre la máxima transformación, con el incremento de la velocidad de calentamiento. Tabla III.6 Resultados de termogravimetría para la descomposición de la 63 �goethita. Velocidad de calentamiento (β) (ºC/ min) 5 10 15 20 25 30 (Tmáx: Temperatura a la cual Disminución de masa (%) Tmáx (ºC) 272,6 289,3 297,5 303,1 314,0 317,0 ocurre la máxima 5,55 5,36 5,50 5,55 5,47 5,42 transformación) La representación gráfica del ln β en función de 1/T (ecuación I.8) para grados de transformación en el intervalo de 0,9 < α < 0,1 se muestra en la figura III.14. Las rectas paralelas indican que para los grados de transformación analizados, los valores de la energía de activación serán próximos entre sí, aspecto que se confirmó con el cálculo de este parámetro, a partir de las pendientes de las rectas que aparecen en la figura III.14, evidenciándose que la energía de activación permanece prácticamente constante, con un valor medio de (114,40 ± 7,62) kJ/mol, (anexo 21). Entre los modelos estudiados, se determinó como más probable el que responde a la función f(α) = n(1-α)(1-1/n). El mejor ajuste es obtenido para n = 2, que representa un modelo bidimensional donde el paso limitante del proceso, es la velocidad de la reacción química en la interfase. Se determinó además, el factor pre-exponencial, A, cuyo valor es 1,1x1010 s-1. 1,6 1,5 α = 0.7 α = 0.5 α = 0.1 α = 0.3 α = 0.9 1,4 1,3 Log β 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 1,55 1,60 1,65 1,70 1,75 1,80 1,85 1,90 1,95 2,00 -3 1/T x 10 (K) 64 �Figura III.14 Diagrama de Ozawa para la determinación de la energía de activación a diferentes grados de transformación Para demostrar la veracidad de los resultados obtenidos, los parámetros cinéticos se calcularon por la Norma ASTM E698 y por los métodos de Reich (ecuación I.10) y Kissinger (ecuación I.11). Los anexos 22 y 23 ilustran los resultados de la aplicación de estos métodos, mientras que en la tabla III.7 se resumen los valores de energía de activación y factor preexponencial determinados. La energía de activación determinada por métodos diferentes muestra valores muy próximos entre sí y cercanos al intervalo determinado por el método de Osawa: (114,40 ± 7,62) kJ/mol, lo que valida los resultados obtenidos Tabla III.7 Parámetros termodinámicos determinados para la deshidroxilación de la goethita Métodos Norma ASTM E698 Método de Reich Método de Kissinger Energía de Activación (kJ/mol) 123,66 112,58 ± 5,09 101,15 Factor preexponencial (s-1) 9,91x105 Estos valores y el modelo cinético que describe la deshidroxilación de la goethita, son similares a otros reportados en la literatura. III.3.2.2. Determinación de los modelos y parámetros cinéticos de la tercera etapa Los datos termogravimétricos (TGD) obtenidos al variar la velocidad de calentamiento entre 5 y 20 ºC/min, para la tercera etapa de descomposición del escombro, se resumen en la tabla III.8. Similar a lo analizado en la primera etapa, la temperatura a la cual ocurre la máxima transformación aumenta cuando se incrementa la velocidad de calentamiento. Tabla III.8 Resultados de termogravimetría para la tercera etapa de descomposición del escombro. Velocidad de calentamiento β (ºC/min) 5 10 15 20 Tmáx (ºC) 1288 1317 1325 1345 Tmáx (K) 1561 1590 1598 1618 65 �La variación del grado de transformación con la temperatura, en el intervalo 1200 – 1400 ºC. (1473,16 – 1673,16 K), se muestra en la figura III.15. 1,2 1 0,8 5 ºC/min 10 ºC/min 15 ºC/min α 20 ºC/min 0,6 0,4 0,2 0 1450 1500 1550 1600 1650 1700 Temperatura (K) Figura III.15. Curvas cinéticas para la tercera etapa de la descomposición del escombro La forma de las curvas indica que en el intervalo de temperatura analizado, están ocurriendo reacciones simultáneas, o que la reacción se desarrolla a diferentes velocidades. El análisis térmico convencional dificulta la detección de las reacciones que tienen lugar simultáneamente en un mismo intervalo de temperatura, por lo tanto, es imposible individualizarlas a partir de las variaciones de masa o de los efectos registrados en TG y ATD (Romero et al, 2001). Al graficar dα/dT respecto a la temperatura (figura III.16), se evidencian dos máximos en la velocidad de la transformación, a temperaturas bien definidas. En el análisis de la figura se observan las siguientes etapas: 1. Activación del proceso hasta 1634,16 K en la que el grado de transformación es muy pequeño. 2. Desarrollo de la primera reacción química entre 1634,16 K y 1647,16 K, con un máximo de velocidad de transformación, a la temperatura de 1639,16 K. 3. Desarrollo de la segunda reacción química entre 1651,16 y 1667,16 K, con un máximo de velocidad de transformación, a la temperatura de 1664,16 K. 66 �0,05 dα / dT 0,04 0,03 0,02 0,01 0 1600 1620 1640 1660 1680 Temperatura (K) Figura III.16. Curva representativa de la velocidad de la transformación con la temperatura para la tercera etapa de la descomposición del escombro En el epígrafe III.3 se demostró que la disminución de masa en el intervalo de temperaturas que se analiza, está asociado a la salida de oxígeno producto de la descomposición térmica de la hematita (ecuación 3.4). Sin embargo, el análisis de la velocidad de la transformación con la temperatura, representada en la figura III.16, sugiere que la reacción se desarrolla en más de un paso. Se recomienda en investigaciones futuras, para profundizar en las transformaciones que tienen lugar en los escombros lateríticos a temperaturas superiores a 1200 ºC, combinar la técnica de Espectrometría de masa con otras para análisis de fases como: DRX in situ y espectrofotometría Mössbauer, considerando la experiencia de Burnham, 2000 y de Valix y Cheung, 2002, 2005, en el uso de dichas técnicas. Para la selección de los modelos más probables, en los intervalos de temperaturas: 1473,16 – 1647,16 K y 1651,16 – 1673,16 K, para todas las velocidades de calentamiento, se aplicó el método de Jeréz, según el procedimiento descrito en la primera etapa. Se determinó que los grupos de modelos D y R son los que mejor describen el proceso analizado, a partir de lo cual, se aplicó el método de Osawa para determinar los modelos y parámetros cinéticos para cada intervalo de temperatura. Los resultados se exponen a continuación. • Aplicación del método de Osawa Al graficar log[g (α )] respecto a 1/T (ecuación I.9), para las diferentes velocidades de calentamiento, la energía de activación se calculó de la pendiente, mientras que 67 �el factor preexponencial se calculó del intercepto. El modelo cinético más probable se determinó del mejor ajuste: en el intervalo 1473,16 – 1647,16 K, para la velocidad de calentamiento de 5 ºC/min, el proceso está descrito por el modelo D2, modelo de difusión tridimensional, en el que la etapa limitante es la velocidad de la difusión del producto gaseoso de la descomposición del reaccionante, a través de la capa del nuevo producto sólido en la interfase. El modelo está expresado por las funciones: • f(α) = (1- α)2/3 (1-(1- α)1/3)-1 • g(α) = 3/2(1-(1- α)1/3)2 La energía de activación y el factor pre-exponencial determinados, muestran valores de 160,70 kJ/mol y 2,74x104 s-1 respectivamente. En ese mismo intervalo, para las velocidades de 10, 15 y 20 ºC/min, el modelo cinético que se adecua al comportamiento experimental, es el R2, modelo de reacción bidimensional, donde el paso limitante es la velocidad de la reacción química en la interfase. El modelo está expresado por las funciones: • f(α) = (1- α)1/2 • g(α) = 2(1-(1- α)1/2) Los valores medios de energía de activación y factor pre-exponencial son: (498,89 ± 2,69) kJ/mol y 3,21x1014 s-1 respectivamente. En el intervalo 1651,16 – 1673,16 K, se determinó que el modelo que mejor describe la transformación para las velocidades entre 5 y 20 ºC/min, es el D2. La energía de activación calculada tiene un valor medio de (463,75 ± 23,43) kJ/mol, mientras que el factor pre-exponencial es 5,89x1011s-1. Adicionalmente, los parámetros cinéticos para esta etapa se determinaron por los métodos de Reich y de Kissinger. En los anexos 24 y 25 se muestran los valores de energía de activación calculados por ambos métodos: (477,48 ± 25,86) kJ/mol y 412,35 kJ/mol y como se observa, se encuentran dentro del intervalo de valores permisibles. La energía de activación determinada por métodos diferentes muestra valores muy próximos entre sí, demostrándose que para la descomposición del escombro, a temperaturas por encima de 1200 ºC, la energía de activación está en el rango de 412,35 y 498,89 kJ/mol. 68 �En resumen, como resultado del estudio cinético se establece que las transformaciones que se producen durante la descomposición térmica del escombro de Zona A, a temperaturas por encima de 1200 ºC, están limitadas por el avance de la reacción química en la interfase o por la difusión del oxígeno producto de la descomposición de la hematita, a través de la capa del producto sólido en formación (magnetita), condicionado por la velocidad de calentamiento y la temperatura. La aplicación del método de Jeréz conduce a una adecuada selección de los modelos cinéticos, que combinado con los métodos de Osawa, Reich y Kissinger, permiten determinar con gran exactitud los parámetros cinéticos. Estos métodos han sido aplicados por primera vez a la descomposición del escombro laterítico de Zona A y sus resultados explican el comportamiento térmico de estos materiales y el mecanismo de oxidación, cuando son utilizados en la producción del acero ACI HK-40. Se confirma la hipótesis acera de la presencia de hematita producto de la descomposición térmica del escombro, la que se descompone a temperaturas superiores a 1200 ºC. Esta constituye la primera etapa en el mecanismo de oxidación con el empleo de estos materiales. III.4. Evaluación de las fracciones granulométricas del escombro de Zona A, en la descarburización del acero ACI HK-40 Las pruebas experimentales para evaluar las partículas mayores de 0,83 mm de los escombros, en la descarburización del acero ACI HK-40, se realizaron según la metodología descrita en el epígrafe II.4.2. La composición química de las probetas, antes y después de la adición de las fracciones granulométricas evaluadas, se refleja en los anexos 26 – 29. Se comprobó que cuando se añaden 8, 10, 15 y 20 kg de escombro, el carbono se oxida en una relación de 0,01 unidades de % por cada kilogramo de escombro añadido, similar a la relación obtenida cuando se utilizan minerales de hierro para este fin, como se fundamentó en el epígrafe I.5. Los niveles de oxidación alcanzados, representan una disminución del contenido de carbono en el baño metálico entre 0,08 y 0,20% (tabla III.9). 69 �Tabla III.9. Relación % de oxidación de carbono – masa de escombro añadido Fracciones granulométricas (mm) Masa de escombro añadido (kg) +10 8 10 15 20 -10 + 8 8 10 15 20 -8+4 8 10 15 20 -4 + 0,83 8 10 15 20 Oxidación de carbono (unidades de %) Oxidación de C por masa de escombro añadido 0,08 0,09 0,14 0,18 0,0100 0,0090 0,0093 0,0090 0,10 0,13 0,16 0,20 0,0125 0,0130 0,0110 0,0100 0,10 0,12 0,15 0,19 0,0125 0,0120 0,0100 0,0095 0,08 0,10 0,11 0,14 0,0100 0,0100 0,0070 0,0070 III.4.1. Comportamiento de los elementos contenidos en el baño líquido durante el proceso de oxidación con el escombro La influencia de las variables estudiadas en el grado de oxidación ( ξ oxid ) del carbono, silicio, manganeso y cromo, se ilustra en las figuras III.17 y III.18 elaboradas con los datos del anexo 30. Como se esperaba, el grado de oxidación del carbono se incrementa con el aumento de la masa de escombro añadido al baño líquido (figura III.17), comportamiento común en todas las fracciones evaluadas. Se comprobó además, que con la adición del escombro al horno se oxidan el silicio, el manganeso y el cromo contenidos en el baño líquido, como lo indicó el análisis termodinámico. Referente a la variable granulometría (figura III.18), se comprobó que la disminución del tamaño de partículas, provoca un incremento en el grado de oxidación del carbono hasta un 25,34 %, magnitud que disminuye cuando el tamaño de las partículas oscila entre 4 y 0,83 mm (11-17 %) 70 �Grado de oxidación (%) Grado de Oxidación (%) 50 Granulometría +10 mm 40 C 30 Cr Si Mn 20 10 0 8 10 12 14 16 18 Masa de escombro (kg) 60 Granulometría -8+4 mm 40 C Cr Si Mn 30 20 10 0 8 10 12 14 16 18 Masa de escombro (kg) 50 40 Granulometría -10+8 mm 30 C Cr 10 12 Si Mn 20 10 0 8 14 16 18 20 Masa de escombro (kg) 70 50 60 20 Grado de oxidación (%) Grado de oxidación (%) 60 20 60 50 40 Granulometría -4+0,83 mm 30 20 C Cr 12 14 Si Mn 10 0 8 10 16 18 Masa de escombro (kg) 20 Figura III.17. Influencia de la masa de escombro añadido en el grado de oxidación del carbono, cromo, silicio y manganeso. Este comportamiento tiene su explicación en la existencia de partículas finas contenidas en la fracción -2+0,83 mm, que son arrastradas con los gases sin alcanzar una adecuada interacción con los elementos del baño metálico. Esta fracción se incluyó entre las evaluadas, por representar el 21,9 % de las partículas que componen el escombro de Zona A. Los niveles de oxidación alcanzados con la fracción -8+4 mm, son superiores a los obtenidos con las clases +10 y -10+8 mm, en correspondencia con el contenido de óxido de hierro (III) en esa fracción, que oscila entre 75,87 y 77,13 %, lo cual es superior al contenido en las dos últimas, (tabla III.1). 71 �C Cr Si Mn 20 10 0 +10 Masa de 15 kg 40 C 30 Cr Si Mn 20 10 0 +10 -8+4 -4+0,83 -10+8 Granulometría (mm) Masa de 10 kg 40 C 30 Cr Si Mn 20 10 60 -10+8 -8+4 -4+0,83 Granulometría (mm) 60 50 de oxidación (%) Masa de 8 kg 30 50 Grado 40 60 Grado de oxidación (%) Grado de oxidación (%) Grado de oxidación (%) 50 0 +10 50 -8+4 -4+0,83 -10+8 Granulometría (mm) Masa de 20 kg 40 C Cr Si Mn 30 20 10 0 +10 -8+4 -4+0,83 -10+8 Granulometría (mm) Figura III.18. Influencia de la granulometría en el grado de oxidación del carbono, cromo, silicio y manganeso con la adición de 8, 10, 15 y 20 kg de escombro. En el epígrafe I.4.2.2 se demostró que las reacciones de oxidación del silicio y del manganeso son posibles termodinámicamente y que se desarrollan en mayor extensión antes que se haya completado la oxidación del carbono. Los ξ oxid para estos elementos, entre 51 y 64 % para el silicio y entre 48 y 63 % para el manganeso, demuestran lo correcto del pronóstico realizado en el análisis termodinámico. La oxidación de estos elementos muestra una tendencia análoga a la oxidación del carbono respecto a la granulometría y a la masa de escombro añadido. En lo concerniente al cromo, los resultados confirman que este elemento contenido en el metal líquido, se oxida con la adición del escombro al horno. Vale destacar que el grado de oxidación no supera en ningún caso el 5 %, lo que demuestra que el empleo del escombro como oxidante, no provoca pérdidas excesivas de este elemento si se garantizan las condiciones adecuadas en el proceso. 72 �III.4.2. Oxidación de las impurezas azufre y fósforo contenidas en el baño líquido Las figuras III.19 y III.20 ilustran la influencia de las variables analizadas en el grado de oxidación del azufre y del fósforo lo que confirma la posibilidad de disminuir el contenido de estas impurezas, cuando se utilizan los escombros en el proceso de descarburización. 15 Grado de oxidación (%) Grado de oxidación (%) 12 Granulometría +10 S 9 P 6 3 8 10 12 14 16 18 Masa de escombro (kg) 20 12 9 Granulometría -10+8 mm 6 3 8 10 12 S P 14 16 18 Masa de escombro (kg) 20 Grado de oxidación (%) 16 12 8 Granulometría -8+4 mm S 4 8 10 12 14 P 16 18 Masa de escombro (kg) 20 Figura III.19. Influencia de la masa de escombro añadido en el grado de oxidación del azufre y el fósforo. En ambos casos, el grado de oxidación es mayor cuando se incrementa la masa de escombro en el horno. La influencia de la granulometría en el grado de oxidación de estas impurezas, es similar al análisis realizado para los elementos anteriores. La disminución del contenido de fósforo y azufre en el metal líquido varía entre 0,003 – 0,004 y 0,002 - 0,004 unidades de % respectivamente, con lo cual se garantizan los contenidos exigidos para el acero (anexos 26-29). 73 �9 Masa de 8kg S 6 3 +10 P -4+0,83 -10+8 -8+4 Granulometría (mm) Grado de oxidación (%) Grado de oxidación (%) 12 12 9 Masa de 15 kg S 6 +10 P -10+8 -4+0,83 -8+4 Granulometría (mm) Grado de oxidación (%) Grado de oxidación (%) 15 12 Masa de 10 kg 9 6 S +10 P -4+0,83 -10+8 -8+4 Granulometría (mm) 15 12 Masa de 20 kg 9 S +10 P -4+0,83 -10+8 -8+4 Granulometría (mm) Figuras III.20 Influencia de la granulometría en el grado de oxidación del azufre y el fósforo con la adición de 8, 10, 15 y 20 kg de escombro. Los modelos estadístico – matemáticos que reflejan la dependencia del grado de oxidación de los elementos en el baño metálico, con las variables estudiadas, están representados en las ecuaciones III.11 – III.16 y como se observa, la variable de mayor significación en todos los casos, es la masa de escombro utilizada. Los valores calculados de Cochrane, Student y Fisher, utilizados en el análisis de la significación de los coeficientes de la ecuación de regresión y la significación del modelo, se muestran en el anexo 31. Por el coeficiente de correlación que presentan los modelos, se consideran estadísticamente significativos. ξ oxidC = 18,62 − 0,9125 X 1 + 3,4342 X 2 + 0,0942 X 1 X 2 .( r = 0,987 ) (III.11) ξ oxidSi = 58,07 − 0,8675 X 1 + 3,3875 X 2 + 0,5625 X 1 X 2 .(r = 0,991) (III.12) ξ oxidMn = 54,41 − 1,5100 X 1 + 2,4983 X 2 − 0,4667 X 1 X 2 .(r = 0,988) (III.13) ξ oxidS = 8,27 − 0,8475 X 1 + 2,4442 X 2 − 0,2475 X 1 X 2 .(r = 0,996) (III.14) 74 �ξ oxidP = 11,96 − 0,8117 X 1 + 1,4317 X 2 − 0,0900 X 1 X 2 .( r = 0,990 ) (III.15) ξ oxidCr = 2,75 − 0,2950 X 1 + 0,89 X 2 − 0,2117 X 1 X 2 .(r = 0,989) (III.16) El coeficiente de determinación en cada caso indica que: entre el 97,42 % y el 99,20 % de las variaciones del grado de oxidación del carbono, silicio, manganeso, azufre, fósforo y cromo, son explicadas por las variaciones de la granulometría y la masa. El análisis de los resultados experimentales reflejados en los anexos 26 – 29, confirman que con la adición del escombro se incrementan los contenidos de níquel y de cobalto en el baño metálico, entre 0,001 y 0,005 unidades de % y 0,007 y 0,01 unidades de % respectivamente. Los resultados del análisis termodinámico realizado en el intervalo de temperatura entre 1573 y 1973 K (figura I.2.b y tabla III.10), indican posibilidad de ocurrencia de las reacciones de reducción de los óxidos de níquel y de cobalto aportados por el escombro, con el monóxido de carbono en su ascenso a través de la masa de escoria (ecuaciones 3.5 y 3.6), lo que explica el comportamiento de estos elementos durante el proceso de oxidación con la utilización de los escombros de Zona A. No obstante, el discreto incremento del contenido de cobalto no afecta sustancialmente la calidad del acero. Tabla III.10. Variación de energía libre para las reacciones de reducción de los óxidos de níquel y de cobalto Reacciones 3.5 NiO(s) + CO(g) = Ni(l) + CO2(g) 3.6 CoO(s) + CO(g) = Co(l) + CO2(g) ∆G 1573 K ∆G 1673 K ∆G 1773 K ∆G 1873 K ∆G 1973 K (kJ/mol) (kJ/mol) (kJ/mol) (kJ/mol) (kJ/mol) -30,379 -23,342 -15,215 -5,975 4,400 -28,552 -27,383 -26,252 -25,161 -24,114 III.4.3. Determinación de la masa de escombro necesaria para la oxidación del carbono En el epígrafe III.4.1 se demostró que con la utilización del escombro como oxidante, se oxidan el silicio y el manganeso del baño metálico, al tiempo que el 75 �contenido de carbono disminuye en una relación similar a la alcanzada con la utilización de minerales de hierro en la descarburización. Se demostró además, que con las partículas mayores de 4 mm se alcanzan mejores resultados en la oxidación del carbono y demás elementos. Sin embargo, los resultados muestran que no en todos los casos, se logró disminuir el contenido de carbono hasta el rango de valores exigido para el acero ACI HK-40. Lo anterior indicó la necesidad de establecer la norma de consumo de este oxidante, a partir del contenido de carbono en el baño metálico después del período de fusión. A manera de ejemplo se muestran los resultados de los experimentos realizados con 12 coladas, en las que se utilizaron como carga, materiales con la composición química reflejada en el anexo 5. La metodología experimental, es similar a la desarrollada en los experimentos analizados en el epígrafe III.4.1. Se emplearon las fracciones +8 y -8+2 mm, escogidas a partir los resultados de las pruebas anteriores y con el objetivo de evaluar las mayores de 2 mm. Se realizaron los análisis de composición química de todas las muestras de acero obtenidos. En la tabla III.11 se refleja la composición química de una de ellas antes y después de la descarburización. Los resultados durante el primer control evidenciaron alteración en el contenido de carbono (0,56 %), a partir de lo cual se determinó, a través de la expresión II.2, la masa de escombro necesaria a añadir (24 kg). Después de la adición de la masa calculada, se realizó un segundo control cuya composición química se muestra en la misma tabla y como se puede observar mediante la comparación con la composición química exigida para el acero ACI HK40, esta se encuentra dentro de los intervalos establecidos por la norma ASTM A297-95. Esta regularidad se manifiesta para todas las muestras analizadas después del proceso de fusión, durante la evaluación de la fracciones granulométricas (anexos 32A y 32B), lo que valida la efectividad del uso de las partículas mayores de 2 mm del escombro de Zona A, como descarburizantes en el proceso de obtención del acero ACI HK-40. Tabla III.11. Composición química de una de las coladas antes y después de la adición de la fracción -8+2 mm 76 �Contenido de los elementos (%) Antes Después C Si Mn Cr S P Ni Co Mo Al 0,56 0,96 1,14 24,93 0,033 0,029 20,71 0,18 0,15 0,0070 Cu Ti V W Pb Sn As B Fe 0,06 0,0061 0,02 0,02 0,001 0,001 0,004 0,001 51,19 C Si Mn Cr S P Ni Co Mo Al 0,42 0,54 0,58 24,23 0,029 0,025 20,71 0,181 0,10 0,0073 Cu Ti V W Pb Sn As B Fe 0,05 0,0063 0,01 0,01 0,001 0,002 0,003 0,001 53,11 Composición química exigida por la norma ASTM A297-95 (%) C Si Mn Cr S P Ni Co B 0,3-0,5 0,50-1 ≤ 0,75 23-27 ≤ 0.40 ≤ 0,045 19-22 0,09 0,001 Al Cu Ti V W Pb Sn As Fe 0,0087 0,18 0,0046 0,02 0,01 0,002 0,001 0,01 Balance De la utilización del escombro como descarburizante del acero HK-40 se resumen los aspectos más significativos: • Se demostró, que con la utilización del escombro de Zona A, es posible oxidar el silicio, el manganeso así como a algunas impurezas del baño metálico, al tiempo que disminuye el contenido de carbono en una relación de 0,01 unidades de % por cada kilogramo de escombro añadido. A partir de esta relación, se estableció una expresión que permite determinar, de manera práctica, la masa de escombro necesaria para oxidar el carbono hasta el nivel deseado. • Se demostró la factibilidad de utilizar las partículas mayores de 2 mm de este escombro, en la etapa de descarburización del acero ACI HK-40 producido en hornos de arco eléctrico, sin afectar la calidad de la aleación. • Los contenidos de níquel y de cobalto se incrementan en el baño metálico en 0,001 y 0,005 unidades de % y 0,007 y 0,01 unidades de % respectivamente, producto de la reducción de sus óxidos presentes en la escoria, con el monóxido de carbono formado en el proceso de oxidación. Lo anterior no afecta sustancialmente la composición química del acero. 77 �III.5. Procedimiento para la utilización de los escombros lateríticos de Zona A en la descarburización del acero ACI HK-40 Las fracciones granulométricas de los escombros lateríticos de Zona A, pertenecientes al yacimiento Moa Occidental, han sido evaluadas satisfactoriamente en el proceso de descarburización del acero ACI HK-40 en un horno de arco eléctrico. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en la oxidación del carbono, silicio, manganeso y las impurezas fósforo y azufre, queda establecido el procedimiento para utilizar esta materia prima a través de los siguientes pasos: 1. Toma de la muestra de las escombreras de Zona A y obtención de la fracción granulométrica mayor de dos milímetros a través del cribado por vía seca. 2. Determinación de las propiedades físico – químicas del material obtenido, para su utilización en la descarburización del acero. 3. Control de la composición química de la aleación después de concluido el proceso de fusión. Si el contenido de carbono determinado durante el análisis de control, es superior al exigido por la norma ASTM A297-95, la aleación se considera fuera de especificación y es necesario añadir el oxidante. 4. Control de la temperatura antes de la adición del escombro: la temperatura no debe ser inferior a 1550 ºC para garantizar el desarrollo de la reacción de oxidación del carbono. 5. Adición del escombro al horno garantizando una adecuada interacción con la masa de metal líquido. La masa de escombro necesaria para oxidar el carbono hasta el nivel deseado, se determina a través de la expresión II.2. 6. Cuando se añade el escombro se produce una disminución de la temperatura hasta 1530 ºC que debe ser superada hasta alcanzar la óptima para la descarburización, entre 1560 y 1600 ºC. Esto se consigue con el desarrollo de las reacciones químicas y al sumergir los electrodos en el baño líquido. 7. Una vez que se alcance la temperatura óptima de descarburización, repetir el análisis de control para comprobar la efectividad del proceso. III.6. Valoración económica La posibilidad de utilización de los escombros lateríticos de Zona A del yacimiento Moa Occidental, constituye un impacto desde el punto de vista tecnológico y económico, pues está enmarcada en la utilización de uno de los residuales sólidos de la minería de los yacimientos lateríticos, en la industria del acero. 78 �El principal aporte económico de esta investigación está relacionado con la posibilidad que tiene la industria cubana del acero, de contar con una materia prima nacional, que por sus características y abundancia, garantiza su utilización en el proceso de descarburización de los aceros con un bajo costo. Particularizando en la empresa Mecánica del Níquel “Gustavo Machín Hoed de Beche” (EMNi) en Moa, esta dispondrá de un material existente en áreas cercanas a la misma, que puede ser utilizado como oxidante en el taller de fundición de dicha empresa, con una significativa disminución de los costos de producción. Para la elaboración del acero ACI HK-40, se utilizan entre otros materiales: sinter de níquel, chatarra de acero y ferrocromo, como se muestra en la tabla III.12. El primero es empleado durante el proceso de descarburización como oxidante, en cantidades que varían entre 100 y 200 kg/colada en dependencia del contenido de carbono en el baño metálico. Esto no es una práctica de los talleres de fundición pero es empleado en la empresa Mecánica del Níquel por no contar con minerales de hierro ni tecnología para la utilización de oxígeno. Como resultado del proceso, el cromo se oxida hasta niveles que, en ocasiones, está por debajo de las exigencias de este acero, ajustándose el contenido del metal con la adición de ferrocromo (entre 50 y 100 kg/colada), material importado desde la India, China y España, con un precio que supera los 5000 dólares la tonelada. El empleo de estos materiales provoca incrementos significativos en los costos de producción. Tabla III.12. Costo de los principales materiales empleados en la fusión y descarburización de 1 t del acero ACI HK-40 Materiales UM Cantidad Precio Unitario (USD) Importe (USD) Sinter de níquel Chatarra de acero Ferrocromo kg kg kg 333,85 320,00 615,38 12,47 0,42 5,70 4164,00 134,98 3508,64 TOTAL kg 1269, 23 18,59 7807,62 Utilizar escombros lateríticos en el proceso de descarburización, significa adicionar al horno para una tonelada de acero, entre 13 y 36 kg de este material, en dependencia del grado de descarburización. La producción actual de este taller alcanza 800 t/año y de ellas, el 50 % corresponde al acero ACI HK-40; sin embargo, la oxidación es una etapa necesaria en la producción de los aceros, lo que 79 �implica la necesidad de utilizar descarburizantes, independientemente del tipo de aleación. Las estadísticas de los últimos tres años de esta empresa, reflejan que aproximadamente el 50 % de las coladas, presenta alteración en el contenido de carbono y por tanto es necesario utilizar materiales oxidantes. Los materiales usados en la actualidad representan un costo adicional, expresado en: El • Chatarra de acero (200 kg.): 84 USD • Sinter de níquel (200 kg.): 2494 USD • Ferrocromo (100 kg.): 570 USD consumo promedio de estos materiales utilizados durante el proceso descarburización, asciende a 3148 USD/t. Si el importe total del uso de estos insumos es de 7 807,62 USD/t de metal líquido, al emplear escombros lateríticos como oxidante, se obtiene un ahorro de 4 659,62 USD/colada. Considerando las coladas fuera de especificación en el año, aproximadamente 400 t, el beneficio económico asciende a 1 863 848 USD/año, de acuerdo a la producción actual del taller, además de la posibilidad de acelerar la entrega de piezas fundidas a las empresas del níquel del territorio. De generalizarse este resultado a los talleres de fundición que se encuentran funcionando actualmente en diferentes ministerios, como son: MINAGRI, SIME, MINBAS, MINAZ, MINFAR, entre otros, el país podrá disponer de los volúmenes necesarios de esta materia prima para utilizarlos en los procesos siderúrgicos. El costo capital de la inversión para extraer y procesar estos residuos mineros, asciende a 1 463 702 CUC + CUP, considerando el estudio preliminar realizado que incluye los principales costos directos e indirectos, resumidos en la tabla III.13 y anexo 33. Esta solución requiere bajos costos de operación, pues solo se necesita transportar el material desde las escombreras de la empresa Comandante “Pedro Soto Alba Moa Níkel S.A”, hasta la empresa Mecánica del Níquel, ambas en el mismo municipio y un posterior proceso de clasificación mecánica (cribado) para la separación de la clase de tamaño +2 mm. 80 �Tabla III.13. Resumen de los principales indicadores del costo total de la inversión para el procesamiento de los escombros RESUMEN Indicadores de costo Construcción y Montaje Equipamiento y Materiales Otros Gastos TOTAL (CUC+CUP) $425.805,09 $503.139,11 $430.460,85 $340.644,07 $116.007,80 $85.161,02 $503.139,11 $314.453,05 Contingencia $104.297,77 $34.849,19 $69.448,58 $491.501,06 $972.201,76 Costo Capital Total $1.463.702,82 CUP CUC III.7. Valoración ecológica Los lixiviados de contaminantes emanados de las escombreras y presas de residuos, se han convertido en una de las mayores causas de contaminación de las aguas superficiales y subterráneas. Por otro lado, la acción del viento provoca el esparcimiento de las partículas más finas de estos desechos que contaminan al ecosistema de Moa y pueblos cercanos. Los volúmenes de escombros acumulados en la región de Moa superan los 100 millones de toneladas, en los años de explotación de los depósitos lateríticos por las empresas metalúrgicas del territorio. De modo que la utilización de estos residuos sólidos en la industria del acero, constituye una solución parcial al problema ambiental del territorio. La información aportada en esta investigación, en relación al conocimiento de las características físico – químicas y térmicas de los escombros de Zona A, facilitará la toma de decisiones para las propuestas de usos de estos desechos, como una vía de mitigar las afectaciones medioambientales en el municipio de Moa y contribuir a la economía del país. Usar las partículas mayores de dos milímetros de los escombros lateríticos de Zona A, como material oxidante en la elaboración del acero ACI HK-40, representa utilizar más del 35% de los escombros almacenados en las escombreras. Aunque en esta investigación se tomó como ejemplo el taller de fundición de la empresa Mecánica del Níquel, los compromisos en que Cuba se encuentra inmersa para incrementar las producciones de acero, principalmente en su integración con los países del ALBA y la existencia de otros talleres de fundición pertenecientes a 81 �diferentes organismos con necesidades de materias primas, vislumbran la posibilidad de procesar grandes volúmenes de estos desechos en la industria siderúrgica. Conclusiones del Capítulo III 1. Los escombros lateríticos de zona A están caracterizados por partículas mayores de 0,83 mm que representan el 57,76 % de la masa total Mineralógicamente están constituidos por fases de hierro, gibbsita, y en menor medida cuarzo, en correspondencia con la presencia mayoritaria de hierro y aluminio. 2. La descomposición térmica del material se verifica en tres etapas principales: • Deshidroxilación de la goethita y su transformación en hematita, aproximadamente a 300 ºC. • Aglomeración de las partículas y cristalización de los óxidos presentes, alrededor de 876 ºC. • Descomposición de la hematita a temperaturas superiores a 1200 ºC. 3. La cinética de la descomposición térmica reportó entre los principales resultados, que la transformación de la goethita está descrita por un modelo de reacción química, R2 y la energía de activación determinada por métodos diferentes, oscila entre 101,15 y 123,66 kJ/mol. A temperaturas por encima de 1200 ºC, los mecanismos que describen la transformación, R2 y D2, revelan que el proceso está limitado por el avance de la reacción química en la interfase, o por la difusión del producto gaseoso de la descomposición a través de la capa del producto sólido en formación, condicionado por la temperatura y la velocidad de calentamiento. La energía de activación, para los intervalos analizados, está en el orden de 160,6 kJ/mol y entre 412, 35 y 498,89 kJ/mol. 4. Los resultados de las pruebas experimentales, corroboran lo pronosticado termodinámicamente acerca de la ocurrencia de las reacciones de oxidación del carbono y demás impurezas con el óxido de hierro (II), en el proceso de descarburización durante la producción del acero ACI HK-40. Se demostró la posibilidad de usar las partículas mayores de dos milímetros como oxidantes, sin afectar la calidad de la aleación. 5. Se estableció, a partir de la fundamentación termodinámica, de la caracterización físico – química y térmica y de los resultados de la pruebas experimentales, el procedimiento para la utilización de los escombros lateríticos de Zona A, en la descarburización del acero inoxidable ACI HK-40. 6. Con el uso de los escombros lateríticos en la elaboración de los aceros, es posible disminuir el consumo de materiales costosos que son utilizados con frecuencia en el proceso de descarburización, lo que representa un beneficio 82 �económico para el taller de fundición de la empresa Mecánica del Níquel, de 1 863 848 USD/año, de acuerdo a la producción actual del taller. 7. Se demostró, que con la utilización de las partículas mayores de dos milímetros de los escombros de Zona A, en la descarburización del acero ACI HK-40, se aprovechará más del 35 % de estos residuos almacenados en las escombreras, lo que contribuiría a mitigar el problema ambiental en la región de Moa. CONCLUSIONES GENERALES 1. El predominio de partículas mayores de 0,83 mm con contenidos de óxidos de hierro entre 69 y 77 %, fundamentalmente en forma de maghemita y goethita como fases mineralógicas principales, y otras como: hematita y magnetita, constituye la principal regularidad de los escombros de Zona A, que fundamenta su utilización en la descarburización del acero ACI HK-40. 2. El proceso de descomposición térmica del escombro, se desarrolla según el mecanismo: deshidroxilación de la goethita y su transformación en hematita, luego la aglomeración de las partículas y cristalización de los óxidos presentes, y posteriormente la descomposición de la hematita a partir de 1200 ºC, demostrándose que el óxido de hierro (II) formado en la interfase metal-escoria, es el agente oxidante que garantiza la descarburización del acero ACI HK-40. 3. Como resultado de la investigación cinética se concluye que: • El proceso de deshidroxilación de la goethita está limitado por el avance de la reacción química en la interfase. El modelo cinético transformación se ajusta a la función f(α) = n(1-α) que describe la (1-1/n) , modelo de reacción bidimensional. La energía de activación y el factor preexponencial calculados para esta etapa, muestran valores entre 101,15 y 123,66 kJ/mol, y 1,1x1010 s-1 respectivamente. • Los modelos cinéticos R2 y D2, describen la transformación a temperaturas superiores a 1200 ºC, limitadas por el avance de la reacción química en la interfase o por la difusión del oxígeno producto de la descomposición de la hematita, a través de la capa del producto sólido en formación, condicionado por el incremento de la temperatura y la velocidad de calentamiento. La energía de activación determinada para los intervalos de temperaturas analizados, está en el orden de 160,6 kJ/mol y entre 412, 35 y 498,89 kJ/mol. 83 �4. El procedimiento establecido a partir de la fundamentación termodinámica, de la caracterización físico – química y térmica, y de los resultados de las pruebas experimentales, para la utilización industrial de las partículas mayores de dos milímetros de los escombros de Zona A en el proceso de descarburización, garantiza la calidad del acero ACI HK-40. 5. Se demostró la viabilidad económica y ecológica del uso de los escombros lateríticos de Zona A en el proceso de descarburización, lo que representa un beneficio económico para la empresa Mecánica del Níquel, de 1 863 848 USD/año y la posibilidad de aprovechar más del 35 % de los escombros acumulados, lo que contribuye a mitigar el problema ambiental del municipio Moa. RECOMENDACIONES 1. Evaluar la posibilidad de utilizar los escombros de Zona A como carga para producir acero, a partir del conocimiento de sus propiedades físico-químicas y térmicas. 2. Aplicar el procedimiento establecido en esta investigación, a la evaluación de otros escombros de la región de Moa como oxidantes en la producción de aceros. 3. Profundizar en el estudio de las transformaciones que tienen lugar en los escombros lateríticos a temperaturas superiores a 1200 ºC, a través de la combinación de las técnicas de Espectrometría de masa, Difracción de rayos X in situ y Espectrofotometría Mössbauer. 4. Aplicar los resultados de esta investigación a otros tipos de aceros y otros talleres de fundición del país. 5. Determinar las propiedades de las escorias obtenidas con el uso de los escombros lateríticos en la etapa de oxidación, para su posible utilización. 84 �PRODUCCIÓN CIENTÍFICA DEL AUTOR SOBRE EL TEMA DE LA TESIS 1. López, F., M, Ramírez., J. Pons., A. López ., F. Alguacil: Kinetic study of the thermal decomposition of low-grade nickeliferous laterite ores. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. Vol 94 (2), 517-522. 2008. 2. Ramírez, M., J. Pons: Características físico – químicas y vías de utilización de los escombros lateríticos del sector A de la mina de la Pedro Soto Alba Moa Nickel S.A. Memorias del II Taller Internacional de Protección del Medio Ambiente y los Georrecursos “PROTAMBI”. Moa. Cuba. 2001. 3. Ramírez, M: Beneficiabilidad de los escombros lateríticos del sector A de la mina de la Pedro Sotto Alba Moa Nickel S.A. Tesis presentada en opción al título de Master. ISMM. Moa. 51 p. 2002. 4. Ramírez, M., J. Pons., F. Alguacil: Estudio de la descomposición térmica de los escombros lateríticos de Moa. Revista Cubana de Química. Vol. XVII (2), 104110. 2005. 5. Ramírez, M., J. Pons: Los escombros lateríticos de Zona A en la empresa CPSAMoa Nickel S.A. Memorias del II Taller Científico de Metalurgia. C. Habana. 2006. Cuba. ISBN: 959.261.247.1. 6. Ramírez, M., J. Pons: Características químicas y térmicas de las partículas mayores de 2 mm de los escombros lateríticos de Zona A en la empresa PSAMoa Nickel S.A. Memorias del VI Congreso Internacional de Química e Ingeniería Química. C. Habana. Cuba. 2006. ISBN: 959-262-27-X. 7. Ramírez, M., et al: Estudio cinético de la descomposición térmica de los escombros lateríticos. Memorias del IX Congreso Iberoamericano de Metalurgia y Materiales. C. Habana. Cuba. 2006. ISBN: 959-289-27-X. 8. Ramírez, M., et al: Los Residuos Minero-Metalúrgicos en el Medio Ambiente. Cap 7 “Caracterización Físico-Química de los Estériles Mineros: Yacimiento Moa, Holguín, Cuba”. Publicaciones del Instituto Geológico y Minero de España. Madrid. 2007. 9. Ramírez, M: Procedimiento para la utilización de las concreciones ferruginosas lateríticas en la descarburización del acero ACI HK-40. Registro de patente: 48/2010. �REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Achar, B.N., et al: Kinetic of solids. Proc. Int. Clay Conference, Jerusalen, 1966. 2. Alcock. C., O. Kubaschewski: Termoquímica Metalúrgica. Quinta Edición. Moscú, 1982. 3. Almaguer, A., V. 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Datos termodinámicos ( Alcock, C, 1982; Perry, R,1967) Cp = a + b.T + c/T2 Compuestos y Elementos ∆H298(kJ/mol) S298 (kJ/mol.K) NiO -240,35 0,038038 CoO -238,678 0,052877 MnO -384,56 0,059774 a(kJ/mol.K) -0,0187682 0,0482372 0,0464398 b(kJ/mol.K) 0,00015717 8,5272E-06 8,1092E-06 c(kJ/mol.K) 1,626E-07 1,672E-08 -3,6784E-08 Fe2O3 Al2O3 CO Cr2O3 FeO SiO2 Fe3O4 CO2 Ni Si Mn Al Co C Cr Fe O2 0,0981882 0,1065064 0,0283822 0,1192554 0,0517484 0,0726902 0,1720906 0,044099 0,038456 0,0239096 0,023826 0,0206492 0,0213598 0,01117314 0,0244112 0,0370766 0,0345686 7,7748E-05 1,7765E-05 4,0964E-06 9,196E-06 6,7716E-06 1,2958E-06 7,8668E-05 9,0288E-06 0 2,4662E-06 1,4128E-05 1,2373E-05 1,4296E-05 1,0939E-05 9,8648E-06 6,1613E-06 1,0784E-06 -1,4839E-07 -2,8508E-07 -4,598E-09 -1,5633E-07 -1,5884E-08 -4,1382E-08 -4094,31 -852,72 0 -4,1382E-08 -1,6511E-08 0 -8,778E-09 488,642 -3,6784E-08 0 -784,586 -820,534 -1675,762 -110,4983 -1128,69614 -264,176 -909,568 -1115,642 -393,129 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,087362 0,05100018 0,1978812 0,08120068 0,0589798 0,0414656 0,151316 0,2134726 0,0298452 0,01881 0,031559 0,0282986 0,0300124 0,0056848 0,023617 0,0272954 0,2049872 Temp Fusión (ºC) 1955,0 1800,0 1650,0 1565,0 2032 -205,1 2279,0 1420,0 1723,0 1538,0 1452,0 1410,0 1260,0 660,0 1480,0 >3500 1615,0 1535,0 �ANEXO 2. Potencial termodinámico estándar de formación de los óxidos. (Vaniukov, 1981) �ANEXO 3 Variación de la energía libre calculadas para las reacciones evaluadas ∆G ∆G ∆G1573K ∆G1673K (kJ/mol) (kJ/mol) (kJ/mol) (kJ/mol) (kJ/mol) -110,4883 -126,7906 -134,8959 -141,7793 -147,4188 CoO (s)+[C] (s)=[Co] (l) +CO (g) -135,661 -150,8318 -165,932 -170,9651 -185,9344 MnO (s)+[C] (s) =[Mn] (l) +CO (g) 43,7119 32,3203 13,8722 -4,3605 -15,607 SiO2 (s)+2[C] (s)=[Si] (l) + 2CO(g) 146,3461 114,2276 82,3243 50,6308 19,1421 Cr2O3(s)+3[C](s)=2[Cr] (l) +3CO(g) 42,9719 8,7784 -50,3662 -109,8427 -174,9143 Al2O3 (s)+3[C] (s)=2[Al](l)+3CO (g) 453,73668 399,559 345,6043 291,867 238,3423 Fe2O3 +[Fe] (l) = 3 (FeO) (l) -45,0852 -46,2733 -46,9451 -47,0936 -46,7129 (FeO) (l) + [C] (s) =[Fe] (l) + CO(g) [Si] (l) + 2(FeO) (l) = 2[Fe] (l) + (SiO2) (s) [Mn] (l) + (FeO) (l) = [Fe] (l) + (MnO) (s) 2[Cr] (l) +3(FeO) (l) = 3[Fe](l) + (Cr2O3)(s) 2[Al] (l) +3(FeO) (l) = 3[Fe](l) + (Al2O3)(s) -97,4837 -112,9959 -128,4467 -143,8356 -159,1620 -341,3135 -340,2195 -339,2179 -338,3020 -337,4661 -160,1956 -160,3162 -160,4181 -160,4984 -160,5549 -265,4792 -262,2095 -258,9741 -255,7641 -252,5717 -701,9841 -691,1262 -678,2936 -669,5060 -658,7320 Transformaciones físico-químicas NiO(s)+[C](s) =[Ni] (l) +CO (g) 1773K 1873K ∆G 1973K �ANEXO 4. Variación de entalpía para la reacción de reducción del óxido de hierro (III) y las reacciones de oxidación con el óxido de hierro (II) ∆H1573 K ∆H1673 K (kJ/mol) Transformaciones físico-químicas Fe2O3 +[Fe] (l )= 3 (FeO) (l ) (FeO) (l )+[C] (s) =[Fe] (l )+ CO(g) [Si] (l) + 2(FeO) (l )= 2[Fe] (l )+ (SiO2) [Mn] (l) + (FeO) (l )= [Fe] (l )+ (MnO) 2[Cr] (l) +3(FeO)(l )= (Cr2O3)(s)+3[Fe] (l ) 2[Al] (l) +3(FeO) (l )= (Al2O3)(s) +3[Fe] (l ) ∆H 1773 K ∆H 1873 K ∆H 1973 K (kJ/mol) (kJ/mol) (kJ/mol) (kJ/mol) -22,3721 30,69549 -39,6547 -49,2500 -59,4812 146,6940 359,2856 118,1653 317,2335 872,7840 145,7195 357,7300 118,4471 316,5985 872,4496 144,6726 356,1982 118,7951 316,0871 871,9463 143,5530 354,6904 119,2095 315,6994 871,4911 142,3603 353,2065 119,6901 315,4353 871,1161 �ANEXO 5. Composición química de la carga utilizada para la elaboración del acero ACI HK-40 Composición química de los elementos de carga (%) Componentes de carga Chatarra de acinox Sinter de niquel FeCr0.06 FeMn1.5 FeSi75 Retornos C 0,5 0,06 0,25 1,5 0,1 0,4 Si Mn Ni S P Al Ti Cu 1,5 1,5 25 0,03 0,03 0 0 0 0 0 97 0,08 0,08 0 0 0 1,5 0 0 0,03 0,05 0 0 0 1 85 0 0 0 2 0 0 75 0,4 0 0,01 0,02 0 0 0 0,5 0,75 20 0,04 0,04 0,0087 0,0046 0,18 Ca 0 0 0 0 0 0 V W Co Pb Sn As B 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,02 0,01 0,09 0,002 0,001 0,01 0,001 Mg 0 0 0 0 0 0 O Fe 0 68,94 2,78 0 0 28,17 0 10,5 0 24,47 0 52,943 �ANEXO 6. Difractograma de la muestra E2 (fracción-10+8 mm) PDF-No InRange 25-1402 32 75- 449 16 73- 603 19 70-2038 150 29- 713 38 Matched 16 9 8 33 7 FOM SOM Name Min. Fórmula 0.876 5.220 Maghemita-Q, syn Fe2 O3 0.930 6.187 Magnetita Fe3O4 1.154 8.767 Hematita, syn Fe2O3 1.783 8.261 Gibbsita Al ( O H )3 4.248 21.421 Goethita Fe+3 O(O H) �ANEXO 7. Difractograma de la muestra E3 (-8+6 mm) PDF-No InRange 75- 449 16 Fe3 O4 25-1402 32 80-2186 116 74-1775 152 29 - 272 32 Matched 9 13 16 14 5 FOM 0.859 SOM 4.628 1.113 1.412 1.805 5.123 5.332 14.156 22.663 22.354 Name Min. Magnetita Fórmula Maghemita-Q, syn Fe2 O3 Fe21.34 O32 Al(O H)3 Fe2O3.H2O Gibbsita Goethita �ANEXO 8. Difractograma de la muestra E4 (fracción-6+4 mm) PDF-No InRange 75- 449 16 25-1402 32 73- 603 19 74-1775 152 29- 713 38 Matched 8 19 7 36 11 FOM 0.918 0.958 1.210 1.940 2.125 SOM 7.583 4.144 11.002 7.546 11.170 Name Min. Fórmula Magnetita Fe3 O4 Maghemita-Q, syn Fe2 O3 Hematita, syn Fe2 O3 Gibbsita Al (O H)3 Goethita Fe+3 O(O H) �ANEXO 9. Difractograma de la muestra E5 ( fracción-4+2 mm) PDF-No 25-1402 73- 603 29- 713 74-1775 InRange 32 19 38 152 Matched 9 4 4 14 FOM SOM Name Min. Fórmula 0.848 7.209 Maghemita-Q, syn Fe2 O3 1.030 14.447 Hematita, syn Fe2 O3 2.291 28.893 Goethita Fe +3 O(O H ) 2.767 17.650 Gibbsita Al (O H )3 �ANEXO 10. Difractograma de la muestra E6 (fracción -2+0,83 mm) PDF-No 75- 449 25-1402 73- 603 74-1775 29- 713 InRange 16 32 19 152 38 Matched 5 7 4 11 3 FOM SOM 0.896 7.838 1.021 9.464 1.284 13.008 2.620 22.820 4.996 40.056 Name Min. Fórmula Magnetita Fe3 O4 Maghemita-Q, syn Fe2 O3 Hematita, syn Fe2 O3 Gibbsita Al (O H)3 Goethita Fe +3 O(O H ) �ANEXO 11. Difractograma de la muestra E7 ( fracción -0,83 mm) PDF-No InRange 25-1402 32 73- 603 19 29- 713 38 74-1775 152 Matched 10 4 3 19 FOM SOM Name Min. Fórmula 1.329 5.987 Maghemita-Q, syn Fe2 O3 1.418 14.051 Hematita, syn Fe2 O3 +3 O(O H ) 2.137 43.265 Goethita Fe 2.434 10.858 Gibbsita Al (OH)3 �ANEXO 12. Difractograma de la muestra E8 (muestra completa) PDF-No 25-1402 73- 603 O3 29- 713 ) 74-1775 InRange 32 19 Matched 9 4 FOM SOM Name Min. Fórmula 0.848 7.209 Maghemita-Q, syn Fe2 O3 1.030 14.447 Hematita, syn Fe2 38 4 2.291 28.893 Goethita 152 14 2.767 17.650 Gibbsita Fe +3 O(O H Al (O H )3 �ANEXO 13. Composición química de un grano de la fracción +10 mm �ANEXO 14. Micrografía de un grano de la fracción -10+8 mm ANEXO 14A. Microanálisis de un grano de la fracción -10+8 mm: (a) Zona clara; (b) Zona oscura 5000 Al 400 4000 3000 Cuentas Cuentas Fe 200 CO Fe Al O 1000 Fe Si 2000 C Cr Fe 0 0 5 Energía (KeV) (a) 10 0 0 5 10 Energía (KeV) (b) �ANEXO 15. Micrografía de un grano de la fracción -8+6 mm ANEXO 15A. Microanálisis de un grano de la fracción -8+6 mm: (a) Zona clara; (b) Zona oscura 3000 Fe 10000 Al 8000 6000 Cuentas Cuentas 2000 O C 1000 4000 Fe Al Si Fe Ca C 0 0 O 2000 Cr 5 10 Energía (keV) (a) Fe Fe Si 0 0 5 10 Energía (kev) (b) �ANEXO 16. Micrografía de la fracción -6+4 mm ANEXO 16 A. Microanálisis del grano señalado en la figura 16 2000 Cuentas Fe C 1000 O Fe Al Si Cr Fe 0 0 5 Energía (keV) 10 �ANEXO 17. Micrografía de la fracción -4+2 mm ANEXO 17A. Microanálisis del grano señalado en la figura 17 3000 C Fe Cuentas 2000 Al O 1000 Cr Mg Fe Si Fe Mn 0 0 5 Energía (keV) 10 �ANEXO 18. Micrografía dos granos de la fracción -2+ 0,83 mm ANEXO 18 A. Microanálisis de un grano de la fracción -2+ 0,83 mm: zona oscura (a) ; zona clara (b) 4000 4000 Fe 3000 Fe 2000 C O Cuentas Cuentas 3000 Al 1000 Fe O C 1000 Si Cr 5 Energía (keV) (a) Fe Al Si Fe Fe Cr Ca 0 0 2000 10 0 0 5 10 Energía (keV) (b) �ANEXO 19. Micrografía de un grano de la fracción – 0,83 mm ANEXO 19 A. Microanálisis en el interior del grano de la fracción – 0,83 mm 3000 Al Fe Cuentas 2000 C O 1000 Si Fe Fe Cr Ti Mn 0 0 5 Energía (keV) 10 �ANEXO 20. Micrografía de un grano de la muestra completa ANEXO 20 A. Microanálisis de un grano de la muestra completa: zona clara (a) ; zona oscura (b) Fe 3000 2000 C 1000 Cuentas Cuentas 3000 O Al Fe Al 2000 C Mn 1000 Si Fe Cr Si Ni Mn 0 0 Fe O 5 Energía (keV) (a) 10 Fe Ni Cr 0 0 5 10 Energía (keV) (b) �ANEXO 21. Energías de activación obtenidas a partir del diagrama de Ozawa Grado de E R transformación (α) (kJ mol-1) 0,1 105,44 0,90776 0,3 124,97 0,99293 0,5 112,50 0,99374 0,7 110,29 0,99669 0,9 118,82 0,99493 (R: Coeficiente de regresión; DS: Desviación estándar) DS 0,1335 0,0377 0,0355 0,0026 0,02 ANEXO 22. Energías de activación calculadas por el método de Reich para la primera etapa de la descomposición β1 5 5 5 10 10 10 15 β2 15 20 30 15 20 30 20 T1 545,3 545,3 545,3 562,3 562,3 562,3 570,5 T2 570,5 576,1 590,0 570,5 576,1 590,0 576,1 Media Error típico Desviación estándar Varianza de muestra 1/T1 1/T2 E(kJ/mol) (T1/T2)2 0,913607 0,0018338 0,001752848 103,4308638 0,895932 0,0018338 0,001735810 108,1829036 0,854214 0,0018338 0,001694915 97,73934725 0,971459 0,0017784 0,001752848 122,3979004 0,952665 0,0017784 0,001735810 125,7484096 0,908305 0,0017784 0,001694915 99,76673441 0,980653 0,0017528 0,001735810 130,7749182 Análisis estadístico 112,57729 Mínimo 97,73935 5,0904188 Máximo 130,77492 13,4679822 Nivel de confianza (95,0%) 12,455815 181,386546 β2/ β1 3,00000 4,00000 6,00000 1,50000 2,00000 3,00000 1,33333 �ANEXO 23. Dependencia de ln β/T2máx con 1/T cuando se aplica el método de Kissinger en la primera etapa de la descomposición 0,0017 -9 0,00175 0,0018 Ln(β/T2máx) -9,5 -10 -10,5 y = -12166x + 11,308 2 R = 0,9972 -11 -11,5 1/Tmáx 0,00185 �ANEXO 24. Energías de activación calculadas por el método de Reich para la tercera etapa de la descomposición β1 5 10 15 5 5 β2 25 25 25 10 20 T1 1561 1590 1598 1561 1561 T2 1624 1624 1624 1590 1618 Media Error típico Desviación estándar Varianza de muestra 1/T1 1/T2 E (kJ/mol) (T1/T2)2 0,92392 6,4061499E-04 6,1576355E-04 508,65847 0,95857 6,2893082E-04 6,1576355E-04 551,55736 0,96824 6,2578223E-04 6,1576355E-04 397,66031 0,96385 6,4061499E-04 6,2893082E-04 454,49637 0,93078 6,4061499E-04 6,1804697E-04 474,94396 Análisis estadístico 477,482672 Mínimo 397,66031 25,8648197 Máximo 551,65425 57,8354951 Nivel de confianza (95,0%) 71,8124008 3344,94449 β2/ β1 5,00000 2,50000 1,66667 2,00000 4,00000 �ANEXO 25. Dependencia de ln β/T2máx con 1/T cuando se aplica el método de Kissinger en la tercera etapa de la descomposición Ln(β/T2máx) 0,00061 -11 0,00062 0,00063 -11,5 -12 -12,5 -13 y = -49595x + 18,824 2 R = 0,999 -13,5 1/Tmáx 0,00064 0,00065 �Coladas Masa No. Kg 1 2 8 3 Promedio 1 2 10 3 Promedio 1 2 15 3 Promedio 1 2 20 3 Promedio ANEXO 26. C Antes Desp 0,65 0,57 0,78 0,68 0,60 0,53 0,68 0,59 0,50 0,41 0,56 0,46 0,49 0,40 0,52 0,42 0,67 0,54 0,80 0,65 0,77 0,62 0,75 0,60 0,73 0,55 0,69 0,52 0,72 0,54 0,71 0,54 Composición química antes y después de la adición de la fracción +10 mm. (%) Si Mn Cr Ni Co S P Antes Desp Antes Desp Antes Desp Antes Desp Antes Desp Antes Desp Antes Desp 0,82 0,38 1,16 0,62 22,34 21,98 20,79 20,8 0,18 0,18 0,035 0,034 0,030 0,028 0,89 0,44 1,12 0,59 24,1 23,68 19,97 19,975 0,16 0,167 0,036 0,035 0,030 0,028 0,92 0,46 1,08 0,52 23,32 22,89 20,47 20,475 0,15 0,155 0,042 0,040 0,033 0,031 0,88 0,43 1,12 0,58 23,25 22,85 20,41 20,42 0,163 0,167 0,038 0,036 0,031 0,029 0,78 0,32 1,26 0,67 21,37 20,91 20,76 20,765 0,19 0,192 0,027 0,025 0,035 0,033 0,91 0,38 1,31 0,64 24,42 23,85 21,68 21,69 0,17 0,175 0,026 0,024 0,038 0,035 0,89 0,39 1,28 0,66 23,12 22,56 21,35 21,36 0,16 0,163 0,030 0,028 0,026 0,024 0,86 0,36 1,28 0,66 22,97 22,44 21,263 21,272 0,173 0,177 0,028 0,026 0,033 0,031 0,90 0,36 1,32 0,64 24,42 23,67 21,48 21,495 0,18 0,182 0,030 0,0275 0,026 0,024 0,89 0,37 1,28 0,58 25,11 24,34 19,67 19,68 0,16 0,160 0,033 0,030 0,035 0,032 0,87 0,35 1,22 0,56 24,53 23,81 20,56 20,57 0,15 0,152 0,040 0,037 0,040 0,037 0,89 0,36 1,27 0,59 24,69 23,94 20,57 20,58 0,163 0,165 0,034 0,032 0,034 0,031 0,89 0,33 1,43 0,66 23,68 22,77 20,87 20,87 0,19 0,193 0,033 0,03 0,028 0,025 0,85 0,32 1,22 0,54 25,32 24,42 19,74 19,76 0,18 0,182 0,044 0,04 0,033 0,03 0,93 0,35 1,18 0,5 24,76 23,88 20,23 20,24 0,17 0,171 0,035 0,032 0,032 0,029 0,89 0,33 1,28 0,57 24,59 23,69 20,28 20,29 0,180 0,182 0,037 0,034 0,031 0,028 Fe Antes Desp 54,18 55,6 53,07 54,56 53,04 54,58 53,43 54,91 55,08 56,69 50,89 52,75 52,66 54,41 52,88 54,62 50,92 53,13 52,02 54,16 51,82 54,08 51,59 53,79 52,15 54,66 51,92 54,31 51,94 54,35 52,0 54,44 �Coladas Masa No. Kg 1 8 2 3 Promedio 1 10 2 3 Promedio 1 15 2 3 Promedio 1 20 2 3 Promedio ANEXO 27. C Antes Desp 0,62 0,54 0,76 0,66 0,81 0,70 0,73 0,63 0,62 0,50 0,55 0,44 0,78 0,63 0,65 0,52 0,82 0,65 0,75 0,59 0,70 0,55 0,76 0,60 0,84 0,63 0,77 0,58 0,75 0,56 0,79 0,59 Composición antes y después de la adición de la fracción -10+8 mm. (%) Si Mn Cr Ni Co S Antes Desp Antes Desp Antes Desp Antes Desp Antes Desp Antes Desp 0,83 0,38 1,02 0,52 25,39 24,95 18,79 18,78 0,17 0,17 0,030 0,029 0,77 0,36 1,13 0,58 24,22 23,79 19,69 19,695 0,15 0,15 0,044 0,042 0,73 0,34 1,22 0,62 25,29 24,84 20,83 20,84 0,16 0,161 0,042 0,040 0,78 0,36 1,12 0,57 24,97 24,53 19,770 19,772 0,160 0,160 0,039 0,037 0,81 0,34 1,02 0,40 25,45 24,89 18,78 18,79 0,17 0,17 0,030 0,028 0,79 0,33 1,12 0,44 23,38 22,84 19,87 19,88 0,15 0,153 0,028 0,026 0,88 0,37 1,08 0,42 24,34 23,79 23,90 23,905 0,16 0,161 0,038 0,035 0,83 0,35 1,07 0,42 24,39 23,84 20,85 20,86 0,160 0,161 0,03 0,03 0,87 0,33 1,23 0,48 25,35 24,53 19,72 19,72 0,16 0,161 0,031 0,028 0,84 0,32 1,08 0,42 25,44 24,65 20,43 20,44 0,17 0,17 0,036 0,033 0,79 0,30 0,98 0,38 24,61 23,81 20,56 20,563 0,15 0,153 0,043 0,039 0,83 0,32 1,10 0,43 25,13 24,33 20,237 20,241 0,16 0,161 0,04 0,03 0,94 0,34 1,15 0,44 25,45 24,27 20,21 20,22 0,16 0,164 0,028 0,025 0,77 0,28 1,28 0,51 28,79 27,57 18,06 18,063 0,16 0,16 0,035 0,031 0,89 0,32 1,26 0,48 23,61 22,49 17,89 17,89 0,20 0,20 0,031 0,028 0,87 0,31 1,23 0,48 25,95 24,78 18,72 18,724 0,17 0,175 0,03 0,03 P Antes 0,030 0,033 0,035 0,03 0,032 0,029 0,033 0,03 0,051 0,032 0,033 0,04 0,036 0,044 0,042 0,04 Desp 0,026 0,028 0,03 0,03 0,028 0,026 0,029 0,03 0,045 0,028 0,029 0,03 0,031 0,038 0,036 0,04 Fe Antes Desp 53,12 54,61 53,20 54,69 50,88 52,52 52,40 53,94 53,10 54,84 54,08 55,86 48,78 50,60 51,99 53,77 51,76 54,08 51,22 53,44 52,13 54,41 51,70 53,98 51,19 53,86 50,09 52,82 55,33 58,09 52,20 54,92 �Coladas Masa No. Kg 1 8 2 3 Promedio 1 10 2 3 Promedio 1 15 2 3 Promedio 1 20 2 3 Promedio ANEXO 28. C Antes Desp 0,80 0,68 0,57 0,48 0,65 0,55 0,67 0,57 0,61 0,49 0,54 0,43 0,65 0,52 0,60 0,48 0,62 0,49 0,75 0,59 0,70 0,55 0,69 0,54 0,67 0,50 0,78 0,58 0,76 0,57 0,74 0,55 Composición química antes y después de la adición Si Mn Cr Ni Antes Desp Antes Desp Antes Desp Antes Desp 1,08 0,5 1,35 0,68 24,76 24,3 20,71 20,713 0,89 0,41 0,93 0,47 25,71 25,24 17,56 17,57 0,8 0,37 1,05 0,53 24,28 23,81 18,56 18,564 0,92 0,43 1,11 0,56 24,92 24,45 18,94 18,95 0,78 0,31 1,25 0,48 23,81 23,12 21,65 21,654 0,73 0,29 1,08 0,42 24,11 23,46 18,47 18,47 0,72 0,29 1,18 0,46 25,15 24,40 20,12 20,12 0,74 0,30 1,17 0,45 24,36 23,66 20,080 20,081 0,82 0,31 1,12 0,42 25,25 24,24 18,28 18,28 1,02 0,38 1,22 0,46 24,59 23,61 21,39 21,394 1,16 0,45 1,25 0,47 25,66 24,58 20,71 20,71 1,00 0,38 1,20 0,45 25,17 24,14 20,127 20,128 0,94 0,33 1,18 0,43 24,73 23,50 20,17 20,17 0,86 0,31 1,28 0,47 28,76 27,40 20,06 20,08 1,71 0,61 1,22 0,45 26,4 25,1 22,2 22,223 1,17 0,42 1,23 0,45 26,63 25,33 20,820 20,824 de la fracción Co Antes Desp 0,16 0,161 0,15 0,15 0,15 0,15 0,153 0,154 0,22 0,222 0,18 0,18 0,15 0,150 0,183 0,184 0,17 0,171 0,20 0,201 0,18 0,181 0,183 0,184 0,18 0,182 0,16 0,161 0,21 0,211 0,180 0,190 -8+4 mm. (%) S P Antes Desp Antes Desp 0,034 0,032 0,047 0,042 0,024 0,023 0,026 0,023 0,024 0,023 0,036 0,032 0,03 0,03 0,04 0,03 0,026 0,024 0,031 0,027 0,028 0,026 0,036 0,032 0,025 0,023 0,032 0,028 0,03 0,02 0,03 0,03 0,031 0,028 0,028 0,024 0,026 0,023 0,028 0,024 0,032 0,029 0,030 0,026 0,030 0,027 0,029 0,025 0,029 0,0257 0,032 0,027 0,026 0,023 0,040 0,034 0,044 0,039 0,027 0,023 0,033 0,029 0,033 0,028 Antes 50,86 54,2 54,49 53,18 51,25 54,6 52,58 52,81 53,68 50,78 50,29 51,58 52,07 48,04 46,9 49,00 Fe Desp 52,11 55,35 55,75 54,40 53,15 56,37 53,50 54,34 55,61 52,62 52,12 53,45 54,98 50,79 49,91 51,893 �Coladas Masa No. Kg 1 2 8 3 Promedio 1 2 10 3 Promedio 1 2 15 3 Promedio 1 2 20 3 Promedio ANEXO 29. C Antes Desp 0,80 0,71 0,63 0,56 0,6 0,53 0,68 0,60 0,56 0,47 0,62 0,52 0,62 0,52 0,60 0,50 0,61 0,51 0,73 0,61 0,68 0,57 0,67 0,56 0,77 0,63 0,68 0,56 0,86 0,71 0,77 0,63 Composición antes y después de la adición de la fracción -4+0,83 Si Mn Cr Ni Co Antes Desp Antes Desp Antes Desp Antes Desp Antes Desp 1,17 0,67 1,45 1,01 24,76 24,42 20,63 20,63 0,26 0,26 0,78 0,44 1,25 0,86 23,75 23,41 21,61 21,611 0,22 0,222 0,81 0,46 0,93 0,65 25,73 25,35 17,67 17,672 0,15 0,151 0,92 0,52 1,21 0,84 24,75 24,39 19,970 19,971 0,210 0,211 0,77 0,43 1,08 0,67 24,07 23,57 18,51 18,51 0,18 0,181 0,8 0,45 1,02 0,6 25,25 24,72 18,56 18,563 0,17 0,17 0,82 0,46 1,12 0,7 25,25 24,73 18,66 18,662 0,170 0,171 0,80 0,45 1,07 0,66 24,86 24,34 18,577 18,578 0,173 0,174 0,79 0,41 1,05 0,52 25,30 24,52 19,73 19,73 0,15 0,152 0,69 0,36 1,02 0,51 23,45 22,71 17,51 17,512 0,16 0,16 0,77 0,40 1,10 0,55 24,70 23,92 18,19 18,192 0,20 0,20 0,75 0,39 1,06 0,53 24,48 23,72 18,477 18,478 0,17 0,171 0,84 0,42 1,18 0,55 25,77 24,86 19,15 19,15 0,15 0,15 0,80 0,40 1,10 0,51 26,76 25,79 20,06 20,061 0,16 0,162 1,08 0,53 1,22 0,57 24,34 23,45 21,3 21,301 0,2 0,2 0,91 0,45 1,17 0,54 25,62 24,70 20,170 20,171 0,170 0,172 mm. (%) S Antes Desp 0,031 0,03 0,025 0,024 0,024 0,023 0,03 0,03 0,028 0,026 0,03 0,028 0,030 0,028 0,03 0,03 0,029 0,027 0,030 0,028 0,030 0,028 0,03 0,03 0,031 0,028 0,028 0,026 0,04 0,037 0,033 0,030 P Antes 0,047 0,031 0,026 0,03 0,035 0,028 0,028 0,03 0,034 0,044 0,045 0,04 0,035 0,040 0,037 0,037 Desp 0,045 0,03 0,025 0,03 0,032 0,026 0,026 0,03 0,031 0,040 0,041 0,04 0,031 0,036 0,033 0,033 Fe Antes Desp 50,85 52,24 51,72 52,96 54,21 54,98 52,26 53,39 54,81 55,97 53,43 54,76 53,35 54,91 53,86 55,21 52,49 54,51 56,17 58,22 54,29 56,35 54,32 56,36 52,26 55,02 50,47 53,38 50,45 53,37 51,06 53,92 �ANEXO 30. Grados de oxidación obtenidos en la evaluación de las fracciones granulométricas del escombro de Zona A Fracciones granulométricas (mm) Grado de oxidación de los elementos, % Masa de escombro (kg) 8 10 15 20 C Si Mn Cr S P 12,26 18,74 19,21 24,77 51,41 57,80 59,40 62,55 48,58 48,80 53,43 55,74 1,73 2,30 3,02 3,65 3,50 6,20 7,36 8,31 6,46 7,10 7,92 11,78 -10 + 8 8 10 15 20 13,05 19,53 21,16 25,00 53,63 58,07 62,00 63,84 48,96 60,87 61,10 61,27 1,76 2,26 3,20 4,54 4,21 7,23 9,09 10,61 9,73 11,66 12,13 13,94 -8+4 8 10 15 20 15,39 20,01 21,24 25,34 53,80 60,08 62,05 64,39 49,55 61,24 62,40 63,32 1,87 2,86 4,06 4,88 4,74 7,61 10,20 11,43 11,10 12,17 13,97 15,50 -4 + 0,83 8 10 15 20 11,34 16,11 16,34 17,76 43,18 43,94 47,99 50,31 30,55 38,88 50,16 53,43 1,43 2,08 3,13 3,60 3,80 6,83 6,84 8,11 3,78 7,62 8,93 10,75 +10 �ANEXO 31. Valores de Cochrane, Student y Fisher utilizados en la prueba de significación de los coeficientes y del modelo Anexo 31 A. Valores de Cochrane. Pruebas 1 2 3 4 G cal C G cal Si G cal Mn G cal Cr G cal S G cal P 0,18939 0,43027 0,08312 0,18793 0,23697 0,35383 0,64883 0,34166 0,52419 0,11551 0,22483 0,36499 0,11399 0,08308 0,31685 0,63275 0,09133 0,22730 0,04777 0,14498 0,07582 0,06379 0,44685 0,05385 5 0,16421 0,15236 0,51632 0,17632 0,04572 0,33576 6 0,22458 0,36459 0,07865 0,13429 0,23458 0,21456 7 0,35874 0,48902 0,23467 0,47235 0,31259 0,09867 8 0,05943 0,05673 0,13265 0,11991 0,38974 0,21457 9 0,11678 0,39564 0,42168 0,32581 0,13125 0,18633 10 0,52346 0,26474 0,37521 0,22564 0,28856 0,32579 11 0,08751 0,13263 0,12685 0,05231 0,42165 0,14588 12 0,29675 0,05672 0,50326 0,14438 0,21452 0,34657 13 0,19789 0,29451 0,43253 0,11985 0,12657 0,10254 14 0,43126 0,17254 0,18742 0,23418 0,09874 0,30154 15 0,04598 0,15673 0,49133 0,04566 0,50012 0,36781 16 0,28765 0,45872 0,29451 0,48352 0,38233 0,09234 Anexo 31 B. Valores de Student, para el control estadístico para la significación de los coeficientes de la ecuación de regresión. tcal(bj) Si tcal(bj) Mn tcal(bj) Cr tcal(bj) S tcal(bj) P t cal(bj) C b0 165,808 374,062 320,8940 137,0250 59,1217 77,4790 b1 -8,1236 -5,5883 -8,9058 -14,6990 -6,0606 -5,2567 b2 30, 5736 21,8217 14,7349 44,3463 17,4785 9,2720 b12 0, 8363 3,6235 -2,7523 -10,5470 -1,7699 -0,5829 Anexo 31 C. Valores de Fisher para la significación del modelo de regresión. Fcal C Fcal Si Fcal Mn Fcal Cr Fcal S Fcal P 2,5E-28 1,0E-27 4,4E-28 6,4E-28 6,1E-29 3,3E-29 �ANEXO 32 A. Composición química antes y después de la adición de la fracción -8+2 mm. (%) Coladas Masa C Si Mn Cr S P Ni Co No. Kg Antes Desp Antes Desp Antes Desp Antes Desp Antes Desp Antes Desp Antes Desp Antes Desp 1 27 0,58 0,41 0,89 0,38 1,33 0,65 24,76 23,74 0,034 0,028 0,036 0,032 20,71 20,713 0,11 0,111 % Oxidado 0,17 0,51 0,68 1,02 0,006 0,004 2 34,5 0,63 0,38 1,09 0,34 1,35 0,49 25,73 24,48 0,028 0,022 0,026 0,023 17,56 17,57 0,10 0,10 % Oxidado 0,25 0,75 0,86 1,25 0,006 0,003 3 37,5 0,65 0,45 1,20 0,5 1,41 0,63 25,67 24,46 0,032 0,025 0,036 0,032 18,56 18,564 0,13 0,13 % Oxidado 0,20 0,7 0,78 1,21 0,07 0,004 4 19,5 0,53 0,39 0,78 0,42 1,09 0,61 24,69 24,09 0,034 0,028 0,027 0,023 18,28 18,28 0,12 0,121 % Oxidado 0,14 0,36 0,48 0,60 0,006 0,004 5 42 0,68 0,43 1,17 0,51 1,38 0,57 25,25 24,06 0,026 0,018 0,028 0,024 21,39 21,394 0,15 0,151 % Oxidado 0,25 0,66 0,81 1,19 0,008 0,004 Promedio de otras impurezas (%) Mo Al Cu Ti V W Pb Sn As Antes 0,06 0,0068 0,04 0,0067 0,02 0,01 0,002 0,001 0,005 Después 0,005 0,0072 0,04 0,0066 0,02 0,01 0,002 0,001 0,004 Fe Antes Desp 51,55 53,932 53,49 56,491 52,31 55,154 54,45 55,936 49,93 52,838 B 0,0010 0,0010 �Coladas Masa No. Kg 1 37,5 % Oxidado 2 30 % Oxidado 3 54 % Oxidado 4 43,5 % Oxidado 5 25,5 % Oxidado 6 22,5 % Oxidado Antes Después ANEXO 32 C Antes Desp 0,65 0,37 0,28 0,6 0,39 0,21 0,76 0,41 0,35 0,69 0,4 0,29 0,57 0,38 0,19 0,55 0,37 0,18 Mo 0,19 0,21 B. Composición química Si Mn Antes Desp Antes Desp 1,34 0,50 1,29 0,42 0,84 0,87 1,00 0,39 1,26 0,53 0,61 0,73 1,68 0,73 1,39 0,34 0,95 1,05 1,38 0,51 1,33 0,42 0,87 0,91 0,92 0,37 1,18 0,52 0,55 0,66 1,06 0,52 1,17 0,57 0,54 0,60 Al 0,0074 0,0071 Cu 0,05 0,05 antes y después de la adición de la fracción +8 mm. (%) Cr S P Ni Co Antes Desp Antes Desp Antes Desp Antes Desp Antes Desp 25,83 24,45 0,037 0,035 0,03 0,027 20,79 20,80 0,13 0,13 1,38 0,002 0,003 25,59 24,54 0,036 0,030 0,029 0,029 19,97 19,975 0,15 0,154 1,05 0,006 0 26,40 25,00 0,043 0,031 0,033 0,03 20,47 20,475 0,10 0,105 1,40 0,012 0,003 25,98 24,82 0,03 0,027 0,031 0,027 21,48 21,495 0,12 0,122 1,16 0,003 0,004 24,27 23,32 0,033 0,03 0,034 0,03 19,67 19,68 0,16 0,16 0,95 0,003 0,004 25,04 24,18 0,041 0,037 0,039 0,034 20,56 20,57 0,15 0,152 0,86 0,004 0,005 Promedio de otras impurezas (%) Ti V W Pb Sn As 0,0069 0,02 0,01 0,002 0,001 0,003 0,0068 0,02 0,01 0,002 0,001 0,003 Fe Antes Desp 49,60 53,06 51,16 53,42 49,23 52,90 49,36 52,07 53,06 55,31 51,19 53,37 B 0,0010 0,0010 �ANEXO 33. Costo capital de la inversión para el procesamiento de los escombros lateríticos Costos directos Materiales CUC CUP Equipos Tuberías, Válvulas y Accesorios Eléctrica Civil, Estructura, Arquitectura Pintura Total Costos Directos Costos Indirectos Permisos y Licencias Seguros y Fletes Cargos Aduanales Ingeniería y Proyecto Dirección Integral del Proyecto Gastos Representativos del Vendedor Piezas de Repuesto Gastos de la Construcción Escalamiento de Precios Contingencia Total Costos Indirectos COSTO TOTAL $365.648,33 20.000,00 58.787,05 54.847,25 3.856,48 503.139,11 F. Trabajo CUC CUP CUC CUP 3.252,48 13.009,92 368.900,81 13.009,92 1.812,50 7.250,00 21.812,50 7.250,00 2.718,75 10.875,00 61.505,80 10.875,00 76.850,00 307.400,00 131.697,25 307.400,00 527,29 2.109,15 4383,77 2109,15 85.161,02 340.644,07 588.300,13 340.644,07 337,7 8% de materiales 0.35% materiales 18.340,70 115.540,77 2.365,27 45.455,91 8.310,04 59.306,18 59.306,18 562.445,29 6.282,83 10.342,68 6.282,83 10.342,68 29.295,39 29.295,39 13.515,85 58.354,79 46.683,83 69.448,58 383901,63 Total General CUC+CUP 381.910,73 29.062,50 72.380,80 439.097,25 6492,92 928.944,20 18.678,40 115.540,77 27.007,64 15.432,94 23.888,89 2% de materiales 8,0 Total 2.365,27 72.463,55 23.742,98 23.888,89 30.681,40 24.545,12 34.849,19 150856,99 13.515,85 89.036,19 71.228,95 104.297,77 534.758,62 6.282,83 95.503,70 369.939,46 972.201,76 491.501,06 1.463.702,82 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Tesis Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Utilización de los escombros lateríticos de zona A, yacimiento Moa Occidental, en el proceso de descarburización del acero ACI HK - 40 Creator An entity primarily responsible for making the resource María Caridad Ramírez Pérez Publisher An entity responsible for making the resource available Editorial Digital Universitaria de Moa Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 2010 Type The nature or genre of the resource Tesis doctoral https://repoedum.ismm.edu.cu/files/original/5d391698dce03178e419611ce6bb4b5b.pdf 7e4a3e66b4b0d86b49c3493b7f62586c PDF Text Text TESIS PROCEDIMIENTO PARA LA OPTIMIZACIÓN ENERGÉTICA DE LA OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS Reineris montero laurencio �Página legal Título de la obra: Procedimiento para la optimización energética de la operación de los sistemas de climatización centralizados todo-agua en Hoteles, 100 pp. Editorial Digital Universitaria de Moa, año.2014 -- ISBN: 1. Autor: Reineris Montero Laurencio 2. Institución: Instituto Superior Minero Metalúrgico ¨ Dr. Antonio Núñez Jiménez¨ Edición: Lic. Liliana Rojas Hidalgo Corrección: Lic. Liliana Rojas Hidalgo Digitalización. Miguel Ángel Barrera Fernández Institución de los autores: ISMM ¨ Dr. Antonio Núñez Jiménez¨ Editorial Digital Universitaria de Moa, año 2014 La Editorial Digital Universitaria de Moa publica bajo licencia Creative Commons de tipo Reconocimiento No Comercial Sin Obra Derivada, se permite su copia y distribución por cualquier medio siempre que mantenga el reconocimiento de sus autores, no haga uso comercial de las obras y no realice ninguna modificación de ellas. La licencia completa puede consultarse en: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/ar/legalcode Editorial Digital Universitaria Instituto Superior Minero Metalúrgico Ave Calixto García Iñeguez # 75, Rpto Caribe Moa 83329, Holguín Cuba e-mail: edum@ismm.edu.cu Sitio Web: http://www.ismm.edu.cu/edum �INSTITUTO SUPERIOR MINERO METALÚRGICO DE MOA “DR. ANTONIO NÚÑEZ JIMÉNEZ” FACULTAD DE METALURGIA Y ELECTROMECÁNICA CENTRO DE ESTUDIO DE ENERGÍA Y TECNOLOGÍA AVANZADA DE MOA PROCEDIMIENTO PARA LA OPTIMIZACIÓN ENERGÉTICA DE LA OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN CENTRALIZADOS TODO-AGUA EN HOTELES Tesis presentada en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas REINERIS MONTERO LAURENCIO Moa, 2013 �INSTITUTO SUPERIOR MINERO METALÚRGICO DE MOA “DR. ANTONIO NÚÑEZ JIMÉNEZ” FACULTAD DE METALURGIA Y ELECTROMECÁNICA Centro de Estudio de Energía y Tecnología Avanzada de Moa PROCEDIMIENTO PARA LA OPTIMIZACIÓN ENERGÉTICA DE LA OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN CENTRALIZADOS TODO-AGUA EN HOTELES Tesis presentada en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas Autor: Asistente, Ing. REINERIS MONTERO LAURENCIO, Ms.C Tutores: Prof. Aux., Lic. Arístides Alejandro Legrá Lobaina, Dr.C Prof. Tit., Ing. Jesús Rafael Hechavarría Hernández, Dr.C Prof. Tit., Ing. Aníbal Enrique Borroto Nordelo, Dr.C Moa, 2013 �SÍNTESIS Se establece un procedimiento que integra, un modelo energético de la operación de los sistemas de climatización centralizados todo-agua con circuitos secundarios de agua fría a flujo variable en hoteles, con una Estrategia de Ocupación bajo Criterios Energéticos y de fundamento combinatorio-evolutivo. Para la clasificación de la información, la formulación de las tareas y la síntesis de las soluciones, se emplea la metodología de Análisis y Síntesis de Sistemas de Ingeniería. El modelo energético considera la variabilidad de la climatología local y la ocupación de las habitaciones seleccionadas, e incluye: el modelo térmico de la edificación obtenido mediante redes neuronales artificiales, el modelo hidráulico y el modelo del trabajo de compresión. Estos elementos permiten la búsqueda de la variable de decisión ocupación, realizando cálculos intermedios de la velocidad de rotación en la bomba y la temperatura de salida del agua del enfriador, minimizando los requerimientos de potencia eléctrica en la climatización centralizada. Para evaluar los estados del sistema se utiliza una optimización combinatoria que emplea los métodos: exhaustivo simple, exhaustivo escalonada o algoritmo genético según la cantidad de variantes de ocupación. Se implementa el procedimiento en un edificio del hotel Blau Costa Verde, automatizándose las tareas mediante una aplicación informática. �TABLA DE CONTENIDOS INTRODUCCIÓN 1 Pag. 1 ANTECEDENTES Y ESTADO ACTUAL DE LA MODELACIÓN ENERGÉTICA EN LA OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN CENTRALIZADOS TODO-AGUA 1.1 Eficiencia energética y turismo en Cuba 1.1.1 Eficiencia energética de los sistemas de climatización de hoteles 1.2 Sistemas de climatización centralizados todo-agua en hoteles 10 10 12 12 1.2.1 Generalidades de los sistemas de climatización centralizados todo-agua 13 1.2.2 Estructura de los circuitos secundarios de agua fría 14 1.2.3 Consideraciones energéticas sobre los circuitos secundarios de agua fría 15 1.3 Aspectos térmicos fundamentales de la climatización centralizada 16 1.3.1 Fundamentos teóricos generales para la modelación térmica de edificios 17 1.3.2 Cargas térmicas 18 1.3.3 Simulación térmica de edificios 20 1.3.4 Equipo de enfriamiento 21 1.3.5 Unidades terminales 22 1.4 Aspectos hidráulicos fundamentales de la climatización centralizada 22 1.4.1 Fundamentos teóricos generales para la modelación hidráulica 22 1.4.2 Equilibrado hidráulico de las redes para climatización a flujo variable 23 1.4.3 Métodos de cálculo de las redes malladas 24 1.4.4 Bombas centrífugas a caudal variable 24 1.5 Procedimiento de operación de los circuitos secundarios de agua fría a flujo variable 25 1.5.1 Estrategias de operación 25 1.5.2 Relación entre la topología de la red hidráulica y la bomba centrífuga 26 �1.5.3 Relación entre la estrategia ocupacional y la operación 1.6 Modelación y simulación de los sistemas de climatización centralizados 1.6.1 Modelación y simulación térmica de los sistemas de climatización centralizados 27 30 32 1.6.2 Modelación y simulación hidráulica de los sistemas de climatización centralizados 34 CONCLUSIONES del capítulo 2 38 PROCEDIMIENTO PARA LA OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN CENTRALIZADOS TODO-AGUA CON CIRCUITOS SECUNDARIOS DE AGUA FRÍA A FLUJO VARIABLE 39 2.1 Análisis externo de la operación de los sistemas de climatización centralizados todo-agua con circuitos secundarios de agua fría a flujo variable 39 2.1.1 Descripción del Sistema de Mayor Envergadura 40 2.1.2 Variables de coordinación 41 2.1.3 Indicador de eficiencia 41 2.1.4 Variable de decisión 42 2.1.5 Variables intermedias 43 2.1.6 Datos de entrada al sistema 43 2.2 Análisis interno de la operación de los sistemas de climatización centralizados todo-agua con circuitos secundarios de agua fría a flujo variable 44 2.2.1 Formulación del sistema de ingeniería del objeto de estudio 45 2.2.1.1 Función objetivo e indicador de eficiencia 2.2.2 Modelación matemática de la carga térmica de enfriamiento 45 47 2.2.3 Modelación matemática de la red hidráulica para el cálculo de la potencia de bombeo 50 2.2.4 Modelación matemática para el cálculo de la potencia eléctrica del trabajo de compresión en la unidad enfriadora 54 �2.2.5 Algoritmo resumen para el cálculo de la función objetivo 2.3 Algoritmos para la organización de los procedimientos de cálculo 61 62 2.3.1 Algoritmo del procedimiento para la optimización energética de la operación de los sistemas de climatización centralizados todo-agua a flujo variable 63 2.3.2 Algoritmo para la generación del código binario de una variante de ocupación de habitaciones de un hotel si se conoce su número de orden 65 2.3.3 Optimización por el método exhaustivo simple 66 2.3.4 Optimización por el método exhaustivo escalonado 67 2.3.5 Optimización mediante computación evolutiva 68 CONCLUSIONES del capítulo: 70 3 IMPLEMENTACIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE OPTIMIZACIÓN ENERGÉTICA PROPUESTO EN UN CASO DE ESTUDIO 71 3.1 Presentación del circuito secundario de agua fría del caso de estudio 71 3.2 Implementación de los algoritmos del procedimiento 73 3.2.1 Descripción de la aplicación informática 74 3.3 Validación de los principales algoritmos del procedimiento 77 3.3.1 Modelo para obtener el código binario de la ocupación 77 3.3.2 Modelación de la carga térmica de enfriamiento 78 3.3.2.1 Modelación térmica del edificio mediante simulador 78 3.3.2.2 Modelación térmica del edificio mediante redes neuronales artificiales 81 3.3.3 Modelación de la red hidráulica 82 3.3.4 Modelación del trabajo de compresión 86 3.4 Validación de la optimización energética 87 3.4.1 Integración de las variables de decisión a la función objetivo 87 3.4.2 Resultados de la optimización exhaustiva simple 89 �3.4.3 Resultados de la optimización exhaustiva escalonada 91 3.4.4 Resultados de la optimización mediante algoritmo genético 92 3.4.5 Análisis de los resultados de las variantes de operación del sistema 93 3.5 Patrón de ocupación energético de habitaciones: variante para garantizar una EOCE 93 3.6 Valoración técnico-económica y medioambiental del uso de una Estrategia de Ocupación bajo Critterios Energéticos para el hotel caso de estudio 95 CONCLUSIONES del capítulo: 98 CONCLUSIONES GENERALES 99 RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS 100 �INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN Muchos indicadores del desarrollo de un país están definidos por el acceso a la energía. La creciente infraestructura económica de los sectores productivos y de servicio se sustenta fundamentalmente en la satisfacción de la demanda energética para cada caso en particular. Asociado al modelo energético global se encuentran los problemas ambientales. Debido a que las necesidades energéticas del mundo se duplicarán en el año 2050, la eficiencia energética es la alternativa que representa el mayor potencial de reducción de las emisiones de gases efecto invernadero a corto y mediano plazo [1]. La industria turística, que concentra el 11,8 % de las inversiones y el 10,9 % de la fuerza de trabajo mundial, se proyecta como el sector de mayor crecimiento en la segunda década del siglo XXI, con un promedio de crecimiento actual superior al 3,8 % [2, 3]. El turismo internacional no ha sido seriamente afectado por las últimas coyunturas económicas [3], no obstante, la problemática energética sigue incidiendo en la explotación hotelera. En consecuencia, los Lineamientos de la Política Económica y Social del Partido y la Revolución en Cuba [4], enfatizan la necesidad de aumentar la competitividad del turismo, estrechamente ligada a la política energética. En ellos se ha declarado que un objetivo fundamental de la actividad turística es maximizar el ingreso medio por turista. Además se indica: trabajar en el acomodo de la carga eléctrica, alcanzar el potencial de ahorro identificado, concebir nuevas inversiones con soluciones para el uso eficiente de la energía, así como el perfeccionamiento del trabajo de planificación y control. Asimismo, debe priorizarse el mantenimiento y la renovación de la infraestructura e implementar medidas para disminuir el índice de consumo de agua y de portadores energéticos. Los hoteles representan aproximadamente el 8 % de las 1000 empresas más consumidoras de energía en Cuba, según datos del Grupo Nacional de Eficiencia Energética [5], por lo que en estas instalaciones se debe mejorar la racionalidad en el empleo de los energéticos, garantizando 1 �INTRODUCCIÓN el servicio que desea el cliente. A partir de diagnósticos energéticos realizados en hoteles del polo turístico de Holguín [6-14], el tercero de importancia del país, se determinó que los principales portadores energéticos empleados son: Electricidad (80 - 95 %), Gas Licuado del Petróleo (5 - 9 %), Diesel (3 - 7 %) y Gasolina (2 - 5 %). Como consecuencia las acciones para un uso más eficiente de los energéticos deben estar dirigidas fundamentalmente a la electricidad. Existen cuatro áreas fundamentales en las que se concentran las tecnologías en los hoteles: la climatización, la domótica, los servicios de alimentos y bebidas, y los servicios telemáticos. Todas ellas en su conjunto deciden la funcionalidad de la explotación hotelera. En especial, la climatización juega un papel decisivo en el comportamiento energético, causando aproximadamente el 60 % de los gastos de energía eléctrica [15-19]. En la explotación hotelera los costos energéticos constituyen la partida más elevada tras los gastos de personal y de alimentación [20]. El turismo en Cuba, por su crecimiento dinámico, está obligado al uso de tecnologías que mejoren su eficiencia energética, especialmente en el área de la climatización. Para la climatización de hoteles se utilizan fundamentalmente dos alternativas: los acondicionadores de aire de ventana y la climatización centralizada. Los sistemas centralizados se dividen en: todo - aire, aire - agua y todo-agua. El sistema todo-agua es uno de los más utilizados en Cuba, conocido como sistema de agua helada [19]. Estas tecnologías son objeto de continuas mejoras en su diseño y explotación, basadas en lo fundamental en el empleo de: los variadores de velocidad (VV), la acumulación térmica, válvulas inteligentes para la regulación óptima, pizarras de control avanzado, motores de alta eficiencia, bombas eficientes, tuberías con mejores propiedades para el transporte, métodos de equilibrio hidráulico, estrategias de ocupación de los hoteles, entre otras. En la actualidad cubana estas variantes no se explotan en todas sus potencialidades, en particular lo referido a la estrategia de ocupación de las habitaciones en función de reducir el consumo energético, sin afectar la calidad del servicio. La problemática de la ocupación de un hotel puede describirse así: El hotel tiene T habitaciones 2 �INTRODUCCIÓN de las cuales D están disponibles para ser ocupadas (o sea, tienen disponibles todos sus servicios y están sin ocupar). Si se solicitan por los clientes las habitaciones a ocupar (HAO), las cuales deben ser menor o igual que D, entonces se tiene que decidir cuales habitaciones son asignadas. Una estrategia de ocupación del hotel debe describir cuáles son los principios, reglas y procedimientos para la toma de decisiones durante la asignación de habitaciones a partir del cumplimiento de ciertos objetivos relacionados con el confort de los clientes y con la disminución de los costos, en especial los relacionados con la energía. La ocupación de las habitaciones puede ser entendida como un problema de optimización matemática. En este caso, a partir de una solicitud de habitaciones, se escoge una “ocupación” que sujeta a las restricciones definidas por la ocupación actual del hotel, minimice una función objetivo, relacionada con el consumo energético. La ventaja de esta vía está dada en que solo se necesita caracterizar un modelo energético del hotel y no se precisan grandes inversiones materiales para su implementación. Este caso queda definido como una Estrategia de Ocupación bajo Criterios Energéticos (EOCE). En muchos hoteles cubanos el acondicionamiento del aire se realiza mediante los sistemas de climatización centralizados todo-agua (SCCAH) que a pesar de ser técnicamente eficientes [21, 22], aún constituyen uno de los grandes consumidores de energía. Por tal motivo, en la presente investigación se asumirá el modelo energético del SCCAH como modelo energético del hotel y función objetivo para determinar la ocupación que minimiza los requerimientos de potencia eléctrica. El transporte del agua mediante los circuitos de bombeo en los SCCAH consume aproximadamente el 10 % de la energía eléctrica total de un hotel y las bombas operan los 365 días del año, las 24 horas del día. Un subsistema esencial dentro de los SCCAH lo constituyen los circuitos secundarios de agua fría (CSAF), encargados de enviar el fluido a través de una red hidráulica mallada hasta las unidades terminales. 3 �INTRODUCCIÓN Aproximadamente el 90 % de los SCCAH presentes en los hoteles cubanos se han diseñado a flujo constante. El cambio para obtener un flujo variable adaptado a la demanda térmica real, representa una inversión con tiempo de recuperación de aproximadamente dos años, con la posibilidad de disminuir el consumo de energía eléctrica hasta un 50 % [23]. Pueden, además, obtenerse ahorros relacionados con un menor tiempo de trabajo de las enfriadoras. En los SCCAH con CSAF a flujo variable, mediante el empleo de los VV se ahorra energía ya que no es necesario mantener la presión de envío todo el tiempo en su valor máximo. Para optimizar esta magnitud debieran tenerse en cuenta las cambiantes condiciones climatológicas en las que se explota el edificio, pero esto no siempre se hace [19, 24, 25]. También, en ocasiones la instalación hidráulica montada puede diferir de la prevista: las rugosidades de las tuberías son distintas a las que definen las tablas y las bombas pueden estar sobredimensionadas [26]. A pesar que están normadas las características sobre las cuales se deben diseñar y operar estos sistemas [27, 28], generalmente los proyectos de climatización no responden a enfoques energéticos integrales. Durante el diseño y explotación no siempre se tienen en cuenta la variabilidad de las condiciones futuras de operación, la creatividad de los proyectistas depende de múltiples factores y el acceso a las tecnologías eficientes depende en la mayoría de los casos de factores objetivos. Los procedimientos de operación de los CSAF a flujo variable constituyen por sí mismos sistemas de criterios para la toma de decisiones dirigidas a cumplimentar un objetivo: disminuir el consumo energético manteniendo el confort a través de la selección adecuada de la presión de trabajo del sistema. Estos criterios se basan en el comportamiento de los componentes del circuito, vistos a través de sus variables y modelos matemáticos (térmicos e hidráulicos). Estos procedimientos de operación, usualmente son definidos en la etapa de diseño y se informan a los clientes del equipamiento, estableciéndose una vez concluidas las inversiones. La generalidad consiste en proponer parámetros para las condiciones máximas de explotación [27]. Siendo el clima uno de los aspectos importantes que se debe tener en cuenta para el análisis 4 �INTRODUCCIÓN de cualquier sistema de climatización, no siempre se integra de manera adecuada la climatología local a las concepciones operacionales. En la práctica esto significa que los sistemas de operación de los SCCAH no integran la variabilidad de la climatología local con el modelo termo-hidráulico (energético) y esto no asegura una EOCE del hotel. Si se asume que el procedimiento de ocupación de un hotel consiste en encontrar el valor mínimo de la potencia eléctrica que requiere el SCCAH cuando se evalúan las posibles ocupaciones, entonces para lograr encontrar las mejores variantes de ocupación es necesario disponer de un modelo matemático que permita determinar la potencia eléctrica del sistema termo-hidráulico considerando las características de la instalación, la manera de ocupar las habitaciones y las características de la climatología local para el día en cuestión. A partir de los criterios planteados anteriormente se declara como problema científico la inexistencia de un procedimiento, que bajo un enfoque sistémico y considerando la ocupación del hotel como variable de decisión, optimice energéticamente la operación de los sistemas de climatización centralizados todo-agua a flujo variable en hoteles. Se considera como objeto de estudio de la presente investigación los sistemas de climatización centralizados todo-agua con circuitos secundarios de agua fría a flujo variable en hoteles, y como campo de acción la eficiencia energética en la operación del objeto de estudio. El objetivo general consiste en establecer un procedimiento para la optimización energética de la operación de los sistemas de climatización centralizados todo-agua con circuitos secundarios de agua fría a flujo variable en hoteles. Como hipótesis se asume la siguiente: Sea una función objetivo que expresa el requerimiento de potencia eléctrica de los sistemas de climatización centralizados todo-agua con circuitos secundarios de agua fría a flujo variable en hoteles, donde en la misma se relacionan sistémicamente la variabilidad del comportamiento de: • La climatología local. • Las características constructivas de la edificación. 5 �INTRODUCCIÓN • Las redes hidráulicas. • La velocidad de rotación de la bomba. • El ciclo de refrigeración por compresión mecánica del vapor. • La temperatura de salida del agua de la enfriadora. • La ocupación de las habitaciones. Entonces, un procedimiento que para la búsqueda de mejores ocupaciones en hoteles aplique una estrategia combinatoria-evolutiva a dicha función objetivo, permitirá minimizar el consumo de energía eléctrica de estos sistemas. La novedad científica consiste en el procedimiento concebido mediante un enfoque sistémico para optimizar la operación de los sistemas de climatización centralizados todo-agua con circuitos secundarios de agua fría a flujo variable en hoteles. El aporte teórico es el modelo energético constituido en función objetivo para minimizar el consumo de energía eléctrica en la operación de los sistemas de climatización centralizados todoagua con circuitos secundarios de agua fría a flujo variable en hoteles. Los aportes prácticos se centran en los siguientes aspectos: a. La aplicación informática, que entrena y valida las redes neuronales artificiales (RNA) que modelan la carga térmica de enfriamiento de cada local de una edificación, para cualquier día del año y cualquier temperatura. b. La modelación y simulación de los circuitos secundarios de agua fría a flujo variable, que bajo determinadas restricciones, identifica los parámetros de operación más racionales desde el punto de vista energético, a partir de las diferentes topologías de la red hidráulica. c. El procedimiento que permite el cálculo de la potencia eléctrica requerida para el trabajo de compresión en la unidad enfriadora de un sistema de climatización centralizado todo-agua con circuitos secundarios de agua fría a flujo variable. d. El algoritmo para generar variantes de ocupación a partir de un código variable de solución restringido con respecto a la relación entre los locales disponibles y a ocupar. 6 �INTRODUCCIÓN e. El procedimiento de optimización basado en la combinación de los métodos: exhaustivo simple, exhaustivo escalonado y algoritmo genético. Para alcanzar el objetivo general se plantean a continuación los siguientes objetivos específicos: I. Realizar el estudio sistémico de la operación los sistemas de climatización centralizados todo-agua con circuitos secundarios de agua fría a flujo variable que permita definir la composición e interrelación de las variables involucradas. II. Identificar los modelos matemáticos para predecir la carga térmica de enfriamiento en cada local de una edificación, a partir de la simulación térmica para un año característico. III. Establecer la modelación hidráulica del circuito secundario de agua fría a flujo variable que permita calcular la potencia eléctrica requerida, considerando las variables y dispositivos involucrados, así como las diferentes restricciones operacionales. IV. Realizar el cálculo de potencia eléctrica requerida para el trabajo de compresión del ciclo de refrigeración de una etapa en un sistema de climatización centralizado todo-agua considerando los efectos termo-hidráulicos de la operación del circuito secundario de agua fría a flujo variable y las características del refrigerante utilizado. V. Integrar los modelos anteriores en un procedimiento para la optimización energética del objeto de estudio bajo un enfoque sistémico. VI. Aplicar los resultados alcanzados en un caso de estudio. Se definen como tareas las siguientes: IA. Sistematización y búsqueda de inconsistencias en el conocimiento actual sobre el tema, presentando un conjunto de conocimientos relacionados con: la modelación energética y la operación de los SCCAH, la modelación y simulación térmica e hidráulica en edificios y los factores que determinan la eficiencia energética de los SCCAH. IB. Caracterización de las estructuras físicas y las regularidades de los componentes relacionados con los sistemas de climatización centralizados todo-agua con circuitos secundarios de agua fría a flujo variable en hoteles, analizando el procedimiento actual 7 �INTRODUCCIÓN para su operación, en aras de establecer la modelación conceptual y la modelación matemática del sistema. IIA. Sistematización de las características climatológicas de la localidad y constructivas del edificio que contribuyan a la adecuada simulación térmica. IIB. Desarrollo de una aplicación que permita el entrenamiento y la validación de las RNA para la modelación de la carga térmica de enfriamiento. IIIA. Desarrollo de un procedimiento y la aplicación informática que mejor se adapte a la modelación hidráulica de los circuitos secundarios de agua fría a flujo variable. IVA. Desarrollo de un procedimiento y la aplicación informática para el cálculo de la potencia eléctrica requerida para el trabajo de compresión en la unidad enfriadora del SCCAH. VA. Estudio de los métodos y algoritmos asociados al proceso de optimización, seleccionando los más adecuados para la generación de variantes de solución. VB. Implementación de los procedimientos, métodos y algoritmos requeridos para la reducción del consumo de energía eléctrica en los SCCAH con CSAF a flujo variable en hoteles. VIA. Aplicación a un caso de estudio del procedimiento general establecido. Los métodos de investigación empleados se relacionan a continuación: ‫ـ‬ Método de compilación de conocimientos [29]: mediante entrevistas, encuestas, intercambios de conocimientos y revisión de bibliografía, para la sistematización del conjunto de conocimientos y teorías relacionadas con el objeto de estudio. ‫ـ‬ Método de investigación empírico: para contribuir a la descripción y caracterización del objeto de estudio y las principales regularidades de su fenomenología. ‫ـ‬ Método de análisis y síntesis: se empleó para determinar los factores claves que influyen en el fenómeno, interrelacionar los efectos presentes que constituyen explicaciones al problema, analizar los nexos internos y las dependencias recíprocas. ‫ـ‬ Método de integración de variables en Sistemas de Ingeniería: para generar variantes de ocupación en un hotel, a partir de un código variable de solución restringido a la relación entre las habitaciones disponibles y a ocupar. 8 �INTRODUCCIÓN ‫ـ‬ Métodos matemáticos: para facilitar la evaluación computacional de los estados del sistema y la optimización. Los resultados se presentan en una introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones y anexos. En el primer capítulo aparecen los antecedentes y estado actual de la modelación energética de la operación de los sistemas de climatización centralizados todo-agua en hoteles a través de un marco teórico - metodológico. Este capítulo aborda las generalidades de la situación energética del turismo; la caracterización de los SCCAH, sus regularidades energéticas, con énfasis los CSAF que lo conforman; y las insuficiencias en el procedimiento de operación de estos sistemas de climatización a flujo variable. Se muestran aspectos teóricos básicos de los componentes térmicos, hidráulicos y de potencia, reflejando la complejidad operacional. En el capítulo dos se desarrolla la formulación matemática de la tarea de operación de los SCCAH con CSAF a flujo variable, mediante un procedimiento que concluye con una nueva modelación energética, como base para una adecuada estrategia energética ocupacional. Contiene además las concepciones de los algoritmos para resolver la modelación y la optimización del sistema. En el tercer capítulo se muestran los resultados de la optimización de la operación del sistema mediante la implementación del procedimiento en un caso de estudio. Se destaca la aplicación informática que favorece la obtención de las soluciones. Como parte de la investigación, el autor desarrolló un conjunto de trabajos relacionados con: publicaciones en revistas (8), publicaciones en eventos científicos (22), trabajos de diploma (19), tesis de maestría (5), registro no informático (1), premios anuales provinciales de Innovación Tecnológica (2) y proyectos de investigación (5). Estos trabajos se relacionan en el Anexo 1. 9 �CAPÍTULO 1 CAPÍTULO I. ANTECEDENTES Y ESTADO ACTUAL DE LA MODELACIÓN ENERGÉTICA EN LA OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CLIMATIACIÓN CENTRALIZADOS TODO-AGUA En el capítulo se abordan las generalidades de la situación energética global y se particulariza en el ámbito nacional y en el turismo. Se caracterizan los SCCAH, sus regularidades energéticas y principalmente los CSAF que lo conforman. Aparece la fundamentación teórica básica de los componentes térmicos, hidráulicos y de potencia, reflejando la complejidad del sistema. El objetivo del capítulo es presentar un sistema de conocimientos actualizado sobre la modelación energética de la operación de los sistemas de climatización centralizado todo-agua a flujo variable, donde se argumente la insuficiente integración de la variabilidad de la climatología local y la ocupación al modelo energético termo-hidráulico del sistema, lo cual afecta negativamente su operación energéticamente eficiente. 1.1 Eficiencia energética y turismo en Cuba Independientemente de la modalidad turística, se necesitan políticas energéticas muy ligadas al desempeño empresarial, es por eso que para lograr un desarrollo energético sostenible se señalan tres direcciones fundamentales: la elevación de la eficiencia energética, la sustitución de fuentes de energía y el empleo de tecnologías para atenuar los impactos ambientales [30]. A pesar de la crisis energética y económica global se continúa apostando por el desarrollo del turismo como uno de los principales renglones de la economía cubana, declarándose un conjunto de estrategias para incrementar la actividad [31]. Estos cambios incrementan el consumo energético, por lo que se necesita una sinergia entre los diseños, las tecnologías, la satisfacción del cliente, y la disminución de los costos de operación. La gestión tecnológica dedicada al aumento de la efectividad del uso de la energía en el sector turístico reviste gran importancia [8, 32]. Todas las acciones para incrementar la actividad turística implicarán un nivel de compromiso entre la creación o rehabilitación de infraestructuras y el ahorro energético que debe prevalecer según la resolución 117/2004. Dentro de las 10 �CAPÍTULO 1 estrategias de la eficiencia energética que guardan estrecha relación con el desempeño energético del turismo se encuentran: la automatización, el cambio de motores ineficientes, certificación de manera obligatoria de la eficiencia energética en los nuevos proyectos a través de la norma cubana NC 220, mejoras del aislamiento térmico, y el uso eficiente de la climatización [33]. Para que un hotel funcione eficientemente desde el punto de vista energético, debe utilizar entre un 5 y un 7 % de sus ingresos totales para cubrir los gastos energéticos [34, 35]. El indicador utilizado como regla general para evaluar el desempeño energético en los hoteles es el índice de consumo de energía eléctrica por habitación día ocupada (kW·h/HDO), el cual no es un indicador efectivo y debe ser perfeccionado, como lo han señalado diversos autores [6, 11, 36, 37]. En los hoteles cubanos existe un control energético diario, en el cual incide significativamente el personal de servicios técnicos (SS.TT). A pesar de los esfuerzos en el control de los portadores energéticos en las distintas cadenas hoteleras, los costos energéticos sobrepasan en ocasiones el 10 % de los costos totales [36, 38, 39]. Una de las causas del elevado costo energético, es que no siempre se tienen en cuenta el empleo de tecnologías eficientes. A la falta de tecnologías eficientes se le suma un conjunto de irregularidades que se presentan durante la ejecución de las obras, manifestándose luego en la operación del hotel. Otro elemento que aporta sustancialmente a la eficiencia energética es la automatización de los procesos. Generalmente se automatizan los hoteles de 4 y 5 estrellas que tienen mayor complejidad operacional. Dentro de los tres niveles en los que se puede clasificar la automatización, el estado medio de los hoteles cubanos es el primer nivel (básico). A pesar que los indicadores económicos del turismo, utilidades y aportes a la economía nacional reflejan crecimiento sostenido en los últimos años, se considera que aún existen posibilidades de incrementarlos. Para ello se señala la necesidad de trabajar en las dificultades detectadas, dentro de las que se destaca, la eficiencia en los sistemas de aire acondicionado [40]. Los sistemas de climatización, que consumen la mayor parte de la energía eléctrica de los hoteles cubanos [18, 11 �CAPÍTULO 1 19, 37, 41, 42], también son objeto de perfeccionamiento tecnológico. La eficiencia energética durante su explotación está fuertemente relacionada con las características de las edificaciones, la climatología local y la estrategia de ocupación de las habitaciones del hotel. 1.1.1 Eficiencia energética de los sistemas de climatización de hoteles Los SCCAH constituyen un conjunto de equipamientos y aditamentos termo-hidráulicos y de potencia que permiten en grandes edificaciones el acondicionamiento del aire. Existen dos posibilidades de climatización de hoteles independientemente de su estilo constructivo, la climatización distribuida [43] y la climatización centralizada. La climatización distribuida se puede realizar mediante equipos de ventana, mediante splits o unidades manejadoras autónomas que pueden satisfacer los requisitos de confort por zonas. En el caso de la climatización centralizada se presta servicio a una mayor cantidad de recintos. La climatización centralizada más difundida en las regiones tropicales como Cuba resulta las del tipo todo-agua, la cual tiene la oportunidad de recuperar el calor de la etapa de condensación del ciclo de refrigeración y posee bajos índices de consumo en cuanto a los kW/t de refrigeración. Un nuevo indicador que puede favorecer la toma de decisiones en la operación de un hotel que cuente con SCCAH a flujo variable, sería el requerimiento conjunto de energía eléctrica por bombeo y por trabajo de compresión, venciendo de forma adecuada las características específicas que imponga la carga térmica para una ocupación determinada. Por tal motivo, una EOCE favorecería la toma de decisiones en la explotación hotelera, incidiendo en los costos de operación sin afectar los parámetros de calidad del servicio. La ocupación puede estar relacionada también con otros criterios (el tipo de cliente, los ingresos que reportan, las exigencias de las habitaciones que se solicitan, el servicio que prestan las camareras y otros parámetros de explotación) de carácter formalizables o no, los cuales pueden ser nuevas restricciones en el proceso de toma de la decisión ocupacional. 1.2 Sistemas de climatización centralizados todo-agua en hoteles Con el transcurso de los años se ha optado por utilizar los SCCAH en muchas edificaciones y en 12 �CAPÍTULO 1 particular en las hoteleras. Esta elección se basa en su mayor eficiencia energética, menor costo de mantenimiento y de mano de obra [19, 44]. En los últimos 15 años, en la etapa inversionista ha prevalecido el criterio de utilizar los SCCAH, independientemente del estilo constructivo de las edificaciones. Esto se debe a que su eficiencia ha alcanzado valores de 0,5 kW/t [22, 45], y a las posibilidades de recuperación de calor para el sistema de Agua Caliente Sanitaria (ACS). 1.2.1 Generalidades de los sistemas de climatización centralizados todo-agua El empleo de los SCCAH posee una infraestructura hidráulica con requerimientos térmicos de aislamiento que garantizan el transporte eficiente del agua fría. El desempeño de las bombas centrífugas, las unidades terminales y el uso de las zonas a climatizar, convierten a esta tecnología en un sistema operacionalmente complejo. La configuración más utilizada es mediante enfriadoras trabajando en paralelo. Los condensadores de estos sistemas pueden ser enfriados por aire o por agua. En el caso del intercambiador gas-agua permite la recuperación de calor, el cual es incorporado al circuito primario de agua caliente (CPAC), como fuente de calor para el ACS. En la Figura 1 de Anexo 2 se aprecia una imagen de un SCCAH típico. Otras generalidades consisten en el uso de compresores reciprocantes y de tornillo; configuración simétrica de las unidades y compresores; capacidades instaladas que oscilan desde las 60 hasta 1000 toneladas de refrigeración; empleo del refrigerante R22; unidades terminales; bombas a flujo constante y válvulas de tres vías [19, 41]. La unidad enfriadora absorbe el calor del edificio por medio del evaporador, donde se enfría el agua que luego es distribuida por medio de redes hidráulicas a las zonas con temperaturas de envío y retorno generalmente de 7 °C y 12 °C, respectivamente [44, 46, 47]. Como refrigerante primario se utiliza fundamentalmente el R22 y como secundario el agua [47-49]. El agua proveniente del intercambio térmico en las zonas, se envía hacia los evaporadores a través del circuito primario de agua fría (CPAF), y hacia las unidades terminales con los CSAF. Por lo general, siempre se le da mayor importancia a los CSAF, pero en varios diseños estructurales el mismo circuito que impulsa el agua hacia las edificaciones, tiene la función de 13 �CAPÍTULO 1 retornarla al evaporador. En el Anexo 2 aparecen las conexiones de los lazos de producción de frío y de distribución más utilizados en los SCCAH a flujo variable. En los últimos 10 años se ha consolidado el uso mundial de variadores de velocidad (VV) en los SCCAH. En Cuba aún no se utiliza esta estrategia de operación en las bombas del CPAF. En el caso de los CSAF los VV están presentes en aproximadamente el 10 % de los casos. Aunque en los hoteles las cargas térmicas siempre tienen un carácter parcial, aún no se ha generalizado el uso de los VV. Los sistemas que cuentan al mismo tiempo con CPAF y CSAF tienen una alta operatividad debido a que: las bombas secundarias pueden circular el agua por el resto del sistema sin restricciones de presión de flujo mínimo, y por la estabilidad que produce el lazo primario debido al desacople con el secundario [46]. 1.2.2 Estructura de los circuitos secundarios de agua fría La clasificación general de los componentes de la climatización centralizada considera cinco grupos: manipuladores o administradores de aire y ventiladores, fuentes de calor, dispositivos de refrigeración o enfriamiento, bombas y los controles e instrumentación, según la clasificación que hace McQuistong [47]. No obstante, es conveniente representar en la Figura 1.1 la posición funcional de cada componente de los CSAF. Figura 1.1. Diagrama en bloques del bombeo a flujo variable empleado en los CSAF. En los sistemas a flujo variable el valor de la presión de descarga de la bomba debe permitir, vencer las diferentes resistencias hidráulicas de la red. Al emplear VV no son necesarias válvulas, arrancadores suaves, bancos de condensadores y protecciones adicionales. Otra ventaja consiste en que los VV tienen incorporados un controlador que elimina la necesidad de instalar 14 �CAPÍTULO 1 equipos adicionales debido a la autonomía que alcanzan [16, 50]. Los VV cuentan con algoritmos de control, que cada día mejoran sus funciones [51, 52]. Aun cuando muchos controladores electrónicos pueden funcionar en el modo proporcional integral derivativo (PID), un buen sistema de control para climatización no requiere de la parte derivativa [47, 53]. En el caso del motor, se utilizan los de inducción, de características probadas para estas prestaciones. En los CSAF a flujo variable, con una reducción del flujo del 50 %, el motor demanda solo el 12,5 % de la potencia correspondiente para el flujo nominal [23, 54]. Este comportamiento se ha demostrado a partir de la variación de la ocupación de habitaciones en circuitos secundarios de agua fría a flujo variable [54]. En Cuba, existen aproximadamente 80 SCCAH ubicados en hoteles. En el polo turístico de Holguín solo existen dos hoteles con flujo de agua variable en los CSAF (Blau Costa Verde y la villa del Hotel Brisas Guardalavaca), en el polo turístico de Ciego de Ávila cuatro (Iberostar Daiquiri, Playa Coco, Blue Bay y Los Balcones) y entre Varadero y La Habana dos (Sireny y el Occidental Miramar). Esta información ilustra el escaso uso de los VV. No solo se debe tener en cuenta los kW por toneladas de refrigerante como parámetro de eficiencia en los SCCAH; otro indicador de eficiencia resulta el factor del transporte de agua, que no es más que la relación entre la potencia térmica útil entregada por el agua a los locales y la potencia consumida por el motor(es) de la bomba(as) [27]. Usualmente, las bombas se calculan para una potencia que esta entre un 15% y un 25% por encima de la necesaria [16, 55]. 1.2.3 Consideraciones energéticas sobre los circuitos secundarios de agua fría En las unidades terminales se define la eficiencia del retiro de calor de las habitaciones, para lo cual el agua debe ser transportada a grandes distancias. El agua, por su alto calor específico, puede transportar mayores cantidades de energía por volumen que el aire. Con este sistema no solo se pueden utilizar tuberías más delgadas, sino que el costo de la energía para mover estos fluidos es mucho menor que el costo que tiene mover aire [47]. A pesar de que los sistemas de agua son más racionales, aún quedan posibilidades de realizar 15 �CAPÍTULO 1 mejoras en el trasporte. Por ejemplo, las pérdidas de carga en las redes hidráulicas se reducen entre un 15 y 20 % cuando se sustituyen las tuberías metálicas por las de PVC, representando un ahorro en potencia de bombeo de un 10 % como promedio [39]. Debido al flujo variable en el CSAF, la presión mínima necesaria debe mantenerse para evitar ruido en el sistema y mejorar la eficiencia. Un valor de consigna mínimo, genera el mínimo gasto energético. El punto de consumo mínimo es de 25 % de la presión de diseño y el ahorro energético es de alrededor de 33 % [16], aunque hay autores que refieren entre 12- 32 % [24]. En la Figura 1.2 se muestra como en la década de 1980 las bombas representaban el 18 % del consumo de electricidad de la climatización, pero ya en la década del 2000, por las mejoras implementadas en las enfriadoras, el porcentaje de las bombas se incrementó al 26 %, de aquí la importancia del estudio de los CSAF. Figura 1.2. Estructura del consumo de energía eléctrica en los SCCAH [57]. De forma general, la eficiencia de los SCCAH se evalúa en términos de la menor cantidad de kW por toneladas de refrigerante en el caso de las enfriadoras y en términos de la mayor extracción de calor con el menor consumo de energía en el CSAF. Para mejorar estos dos aspectos, se necesita del uso de tecnologías competentes y su integración sistémica [24, 56]. 1.3 Aspectos térmicos fundamentales de la climatización centralizada En todos los proyectos de diseño o de evaluación de los SCCAH, la modelación y simulación térmica juega un papel fundamental por su incidencia en la dimensión del equipamiento y en el valor de la inversión, constituyendo una valiosa herramienta para la toma de decisiones. En todos los SCCAH los componentes se subdividen en dos, los térmicos y los hidráulicos. Los 16 �CAPÍTULO 1 componentes térmicos consisten en las unidades terminales encargadas de retirar la carga térmica, el equipo enfriador y el tanque de expansión. Los componentes hidráulicos consisten en las redes hidráulicas, las bombas, y el tanque de expansión [46] (ver Figura 1.3). Una estratificación de los componentes térmicos de los CSAF obligan a pensar en: las condiciones interiores, las condiciones exteriores, las unidades terminales, las propiedades térmicas de las redes de distribución y su aislamiento. El mayor intercambio térmico se produce en las unidades terminales, por lo que se debe velar por su compatibilidad. Figura 1.3. Esquema simplificado de los componentes de los SCCAH. En los CSAF pueden presentarse dificultades con el aislamiento térmico de las redes y se necesita un tiempo adicional para trasegar el fluido, y de esta forma eliminar las ganancias de calor que se han producido a través del aislante. El uso del material PVC en las redes hidráulicas con un coeficiente de conductividad térmica K de solo 0,16 W/m·K [58], ha favorecido la disminución de las ganancias de calor al fluido. Las tuberías de PVC, con las mismas condiciones de aislamiento térmico, ganan dos veces más calor a través del aislamiento cuando están en la intemperie, que cuando viajan por el interior de las edificaciones [39]. Las formulaciones, tablas y métodos para determinar estas ganancias de calor pueden encontrarse en [59, 60]. Aunque la transferencia de calor en tuberías puede considerarse como carga térmica, las ganancias y retiros de calor más significativas se producen en las habitaciones y unidades terminales. 1.3.1 Fundamentos teóricos generales para la modelación térmica de edificios La modelación térmica en los SCCAH corresponde fundamentalmente a procesos de 17 �CAPÍTULO 1 transferencia de calor, los cuales se manifiestan en las siguientes etapas: cálculo de las cargas térmicas; cálculo de las ganancia de calor a través del aislante de las tuberías; la convección forzada en las unidades terminales; el desempeño del evaporador de las unidades enfriadoras y el intercambio térmico en el punto de conexión entre el CPAF, el CSAF y el colector común. La eficiencia de los intercambiadores aire-agua en las unidades terminales y el intercambiador aguagas del evaporador en el enfriador deciden sustancialmente los procesos globales de transferencia de calor en los SCCAH. Una expresión básica que favorece el análisis de estos sistemas térmicos, constituye la expresión 1.1, relacionada con la cantidad de calor asociada con un cambio de temperatura del sistema, desde la temperatura inicial a la final, cuando la capacidad calorífica sea aproximadamente constante [61, 62]. q= m ⋅ Cp ⋅ ∆T (1.1) Donde en el caso de los sistemas de climatización todo-agua se considera lo siguiente: q – cantidad de calor; kW. m - flujo másico; kg/s. ∆T - diferencia de temperatura; K. Cp - calor específico del agua; kJ/kg·K. Esta expresión es útil para conocer, la cantidad de calor que se transfiere al agua en las unidades terminales, la determinación del flujo de agua necesario en los CPAF para una diferencia de temperatura en el evaporador y una carga térmica máxima de diseño, entre otras aplicaciones. Otro proceso decisivo en el comportamiento térmico del SCCAH representa el ciclo de refrigeración [18, 41], en correspondencia con el refrigerante empleado, y su temperatura de condensación y de evaporación dentro sus regímenes de operación. 1.3.2 Cargas térmicas Para el cálculo de las cargas térmicas se consideran: las condiciones exteriores, el momento del día con carga pico de enfriamiento, la ganancia de calor por radiación solar a través de vidrios, la ganancia de calor a través de componentes estructurales, concentración de personas como base 18 �CAPÍTULO 1 de diseño, ganancias de calor originadas por equipos instalados en el interior de un espacio a acondicionar y las ganancia de calor por infiltración y ventilación. Existen varios métodos para el cálculo de carga térmica: el método de cargas instantáneas, método del balance térmico, método E20 de Carrier, cálculo de cargas por temperatura diferencial y factores de carga de enfriamiento (CLTD/CLF) de ASHRAE y el método de las funciones de transferencia. El balance térmico es el método más preciso porque tiene en cuenta los tres mecanismos de transmisión de calor (conducción, convección y radiación), así como la acumulación de calor [47, 63, 64]. No obstante, en la presente investigación se utilizará la metodología ASHRAE con el método de las funciones de transferencia por ser uno de los más precisos. Otros métodos están considerados como simplificaciones del mismo [65]. La ganancia de calor a través de un muro o el techo depende mayoritariamente de la temperatura aire sol [47, 66], pues los demás parámetros son constantes o se relacionan con las características constructivas de la edificación. La temperatura aire-sol se define como la temperatura que tendría el aire exterior para provocar el mismo efecto convectivo de flujo del calor hacia la superficie externa del edificio, en ausencia de luz solar e intercambio de calor por radiación de onda larga [65]. Ahora, el flujo calorífico a través de una pared puede obtenerse de un balance de energía mediante la expresión 1.2. q/A = αIt + h0 (t0 - ts) - εδR (1.2) y la temperatura aire-sol se define entonces como, te = t0 + αIt /h0 - εδR/ h0 (1.3) Donde: α - absortividad de la superficie a la luz solar; adimensional. It - radiación solar total incidente sobre la superficie; W/h·m2. h0 - coeficiente de transferencia de calor convectivo y de longitud de onda larga en la superficie externa (W/h·m2·K), depende de la velocidad del viento. t0 - temperatura exterior (ambiente); K. 19 �CAPÍTULO 1 ts - temperatura de la superficie; K. δR - diferencia entre la radiación de onda larga incidente procedente de la bóveda celeste y el entorno, y la radiación emitida por un cuerpo negro a la temperatura ambiente (W/h·m2). ε - emitancia de la superficie; adimensional. Por consiguiente, como la temperatura ambiente es prácticamente igual a la temperatura aire-sol sin la presencia de la radiación solar, y en su presencia puede representar hasta un 75 % para niveles altos de radiación [65], se puede considerar entonces a la temperatura ambiente como la variable climatológica de mayor incidencia en la ganancia de calor por paredes. En este trabajo se escoge la temperatura ambiente como variable independiente para la modelación de la carga térmica de enfriamiento, para cada hora del día y cada día del año, por su relación con la radiación solar total. De los resultados de la simulación térmica (ganancias instantáneas de calor, potencia o carga de enfriamiento y rapidez de retiro de calor), se escoge la carga térmica de enfriamiento, definida como la rapidez a la cual el calor debe ser removido desde el espacio para mantener la temperatura del aire del mismo a un valor constante [65]. 1.3.3 Simulación térmica de edificios Existen programas, tales como el TRNSYS, el DOE-2, el ENERGY PLUS, el COOL PACK, entre otros, que pueden ser empleados para la simulación térmica de edificios [19, 67]. Los costos de estas aplicaciones oscilan entre 3 000,00 USD y 10 000,00 USD. Como limitaciones de estos programas se plantea que solo tienen incorporada la información meteorológica de algunas localidades, y no permiten el cambio de determinadas variables que influyen en el cálculo, como las propiedades térmicas de algunos materiales [63, 65]. Considerando estos aspectos, el simulador desarrollado por el Instituto de Ingeniería de la UABC se basa en la metodología ASHRAE, y se ha empleado en investigaciones conducentes a grados científicos, mostrando la capacidad de adaptarse a las necesidades de cada región. Esta aplicación, tiene la particularidad de que puede adaptarse para generar el valor de la carga térmica de enfriamiento para cada día del año y para cada hora, atendiendo a las particularidades 20 �CAPÍTULO 1 estructurales de la habitación, a los valores de indicadores ambientales y al comportamiento ocupacional horario. Se ha demostrado, que sus resultados en comparación con otros simuladores como el TRNSYS y el DOE-2 no difieren en más de un 5 % [65]. A partir de la simulación térmica de una instalación hotelera se pueden tomar decisiones que permiten reducciones superiores a 13 kW·h diarios por habitación en función de la orientación y uso de elementos de protección solar. También se pueden obtener ahorros entre 5 y 13 kW·h diarios por habitación según tipología, dimensiones y materiales de las paredes exteriores, materiales de las ventanas y color de la superficie exterior de la cubiertas; y reducciones inferiores a 5 kW·h por desplazamientos de los volúmenes de las habitaciones, proporciones y ubicación de las ventanas, formas, orientación y materiales de la cubierta [68]. Una variante utilizada actualmente para determinar el comportamiento térmico de las edificaciones, es el empleo de las técnicas de inteligencia artificial que posibilitan desarrollar modelos que simplifican la determinación de las cargas de enfriamiento sin la necesidad de una elevada experticia, reduciendo el tiempo de ejecución y facilitando la toma de decisiones [6975]. No obstante, los modelos de carga de enfriamiento que se presentan en estos trabajos no recogen las condiciones para todo un año característico. 1.3.4 Equipo de enfriamiento La selección del valor de temperatura del agua, de conjunto con la temperatura ambiente y la temperatura de entrada del agua al evaporador, definen los resultados del comportamiento energético del ciclo de compresión del refrigerante que utilice el sistema. Las enfriadoras que operan de acuerdo con el ciclo de compresión de vapor (la mayoría) tienen muchas formas, y su capacidad fluctúa entre tres toneladas y más de mil toneladas. Las unidades más pequeñas generalmente utilizan compresores reciprocantes o de espiral y condensadores enfriados por aire, en tanto las grandes unidades usan compresores centrífugos. Uno de los parámetros que definen la eficiencia en la operación del SCCAH es la temperatura de salida del agua de las enfriadoras en relación con las características de las cargas parciales que se manifiesten [19, 37, 76]. 21 �CAPÍTULO 1 1.3.4 Unidades terminales La selección adecuada de las unidades terminales depende del cálculo de carga térmica de enfriamiento. Esta selección deberá tener en cuenta el cumplimiento de las normas, en el caso de Cuba, la NC-45 de 1999. La norma especifica los tipos de unidades para diferentes edificaciones, así como sus características constructivas y de instalación. Las unidades terminales empleadas en los SCCAH son las ventiloconvectoras, conocidas como fan-coil, y las climatizadoras [77]. En la Figura 3 del Anexo 3 se resaltan los datos de caudal y las pérdidas de carga, parámetros que permiten la inserción adecuada de las unidades terminales a la modelación hidráulica del CSAF. 1.4 Aspectos hidráulicos fundamentales de la climatización centralizada En los SCCAH el refrigerante secundario (agua), es distribuido por medio de redes hidráulicas desde el equipo de enfriamiento a las unidades terminales y viceversa. Por sus características, a estas redes se les llama redes malladas de climatización y es cambiante su topología en dependencia de la cantidad y cuáles unidades terminales estén en funcionamiento. A diferencias de las redes malladas de abastecimiento, donde un punto puede abastecerse por varios caminos [58, 78], en las redes para la climatización se distinguen las tuberías de envío y retorno, además de que el agua debe seguir el sentido establecido para la extracción del calor en las habitaciones. Ambas redes requieren de métodos para lograr el equilibrado hidráulico. En la actualidad se cuenta con programas informáticos que resuelven esta problemática [79-81], y se utilizan en el cálculo hidráulico para simular diferentes estados que se producen en la red de distribución de agua, sin tener que experimentar físicamente [81, 82]. El modelo hidráulico de un CSAF a flujo variable incluye bombas, tuberías, válvulas de equilibrado y las unidades terminales. 1.4.1 Fundamentos teóricos generales para la modelación hidráulica La modelación hidráulica constituye el eslabón fundamental para determinar los parámetros de los accionamientos encargados de garantizar las presiones en los nodos, de tal forma que permitan mover el fluido y conseguir los caudales requeridos en las unidades terminales. El transporte del agua como fluido incomprensible posee un conjunto de regularidades en cuanto al 22 �CAPÍTULO 1 cálculo de las pérdidas energéticas, las cuales pueden ser determinadas con la ayuda de expresiones y leyes conocidas que se resumen en: las ecuaciones de Bernoulli, las ecuaciones para determinar las pérdidas de carga, la ecuación de continuidad, la primera y segunda ley de Kirchoff y las leyes de afinidad ({Nekrasov, 1990 #132}{Streeter, 2000 #133}). Estas expresiones y leyes físicas que rigen el comportamiento del agua como fluido se definen en la literatura [48, 83-85]. Durante las dos últimas décadas, a las redes hidráulicas para climatización se han incorporado dispositivos de propósitos específicos. Entre ellos se destacan las válvulas de control y de equilibrado que agregan pérdidas de cargas y establecen regímenes de operación favorables para el desempeño de las redes. Por otra parte, las unidades terminales provocan una determinada pérdida de carga, la cual está en función de las características constructivas de cada modelo y del caudal que circule por el serpentín (ver Figura 3, Anexo 3). 1.4.2 Equilibrado hidráulico de las redes para climatización a flujo variable Los problemas de equilibrado se deben a que no se obtienen los caudales que se proyectaron. Sólo si se obtienen los caudales nominales, el sistema de control puede actuar eficazmente. La única manera de conseguirlos es equilibrando la instalación, mediante válvulas juiciosamente repartidas en la red hidráulica [86-88]. Un SCCAH se diseña para poder trabajar con cargas térmicas máximas. Si la instalación por no estar equilibrada, no puede producir o distribuir esta potencia, entonces no será rentable la inversión. Con una inversión del 1% del costo de la instalación, el equilibrado permite distribuir y emitir la potencia máxima instalada [87]. Las herramientas necesarias para realizar el equilibrado de las redes son: las válvulas de equilibrado, un instrumento de medida y un procedimiento de equilibrado. Las válvulas de equilibrado tienen como objetivo ofrecer la mayor precisión en los caudales y en consecuencia contribuir a la optimización del funcionamiento del sistema de control y de los consumos energéticos. En el Anexo 4 se aprecian figuras y características relacionadas con las válvulas de equilibrado del objeto de estudio, los demás detalles se pueden encontrar en la literatura [86, 87]. 23 �CAPÍTULO 1 A pesar de que las válvulas que más se utilizan en las redes de distribución son las válvulas de equilibrado, no se pueden dejar de mencionar las válvulas de control que se usan a la entrada de las unidades terminales. Las válvulas de control comúnmente utilizadas en los sistemas a caudal variable son las motorizadas de operación on-off [27], sin embargo, pueden ser de acción modulante cuando se exige una regulación muy precisa de la temperatura de los locales. 1.4.3 Métodos de cálculo de las redes malladas La mayoría de los métodos de resolución propuestos en el campo de las redes de distribución se pueden agrupar en dos grandes familias: los primeros, basados en las conocidas técnicas iterativas de Gauss-Seidel y Jacobi, los cuales resuelven el sistema al efectuar en cada iteración la resolución secuencial de cada una de las ecuaciones (al emplear fundamentalmente el Método de Cross y sus derivados); y los segundos, basados en la linealización del sistema de ecuaciones, de forma que el problema original se transforme en la resolución simultánea de un sistema de ecuaciones lineales [79, 81]. Actualmente se destaca el Método del Gradiente, el cual implementa un modelo para la resolución de sistemas de tuberías a presión. El modelo está representado por un sistema de ecuaciones lineales expresadas en forma matricial y tiene como principal ventaja que evita el ensamblado de las matrices, por lo que disminuye la cantidad de procesos a realizar en comparación con otros métodos [78]. Este es un aspecto importante durante los procedimientos de optimización. Algunas ventajas del método radican en que: asegura solución única al no tener problemas de convergencia; permite expresar la topología de la red, las pérdidas de carga y la continuidad de caudales en términos de ecuaciones matriciales; emplea un modelo real de redes y no es necesario estimar una solución inicial cercana al valor real, entre otras ventajas [78]. 1.4.4 Bombas centrífugas a caudal variable En los sistemas de climatización generalmente se utilizan bombas centrífugas (BC) [47]. Los motores eléctricos, las bombas y los ventiladores son las máquinas que más se utilizan en el mundo [89]. Esto significa que el diseño y operación eficiente de las electrobombas centrífugas 24 �CAPÍTULO 1 ofrece un gran potencial para el ahorro de energía. La regulación de la velocidad de rotación en el motor que acciona la BC, se presenta como un método energéticamente eficaz para regular el caudal. Desde el punto de vista de mantenimiento, es un buen sistema de regulación que evita golpes de ariete al disponer de rampas de frenado suaves, y evita las altas intensidades de la corriente de arranque del motor al efectuar arranques progresivos, además, se consigue simplificar la manipulación, al funcionar de manera autónoma. Las leyes de proporcionalidad describen la dependencia que existe entre el flujo (caudal), presión y el consumo energético. Al variar dentro de pequeños límites la frecuencia de rotación N de una BC, los cambios de su caudal Q, altura de presión H y potencia eléctrica P se determinan según las leyes de proporcionalidad [84, 85]. El trabajo en conjunto de varias BC se utiliza para aumentar la altura o el caudal en una instalación y no existe una máquina que sea capaz por si sola de satisfacer estos parámetros. Este trabajo en conjunto se diferencia entre la conexión en serie y en paralelo [90]. 1.5 Procedimiento de operación de los circuitos secundarios de agua fría a flujo variable El procedimiento para la operación de los CSAF, presupone que se hayan tenido en cuenta correctamente: la determinación de las cargas térmicas, selección de las unidades terminales, ubicación de los nodos de la red hidráulica, trazado de las tuberías, selección de las válvulas de control, selección de las unidades de bombeo y la selección de la unidad enfriadora [91]. El éxito de la operación está marcado por las herramientas utilizadas para la proyección del sistema, donde se destacan: el cálculo de las cargas térmicas mediante software especializados que facilitan la simulación térmica del edificio, y el cálculo de los parámetros de operación de la red hidráulica a partir de la inclusión de los elementos de equilibrado que garantizan los caudales de diseño. Para el cálculo de las cargas térmicas se destacan internacionalmente dos metodologías: la Carrier y la ASHRAE [21, 66, 92]. La operación conjunta de las válvulas de dos vías en las unidades terminales y el accionamiento electromecánico a velocidad variable, deben satisfacer las condiciones de confort en las habitaciones ocupadas. 1.5.1 Estrategias de operación 25 �CAPÍTULO 1 Se pueden considerar varias estrategias para mejorar los parámetros de explotación de los CSAF: 1. Incorporación de procedimientos de diagnóstico de la funcionalidad de las instalaciones [93]. 2. Uso de motores de alta eficiencia [89, 94]. 3. Mejoras tecnológicas de las BC y del material de fabricación de las redes hidráulicas. 4. Configuración y equilibrado de la red mallada. El descontrol de este aspecto provoca pérdidas hasta de un 20 % de la energía eléctrica [26, 95]. 5. Selección adecuada del aislamiento térmico [59, 60]. 6. Disminución de las pérdidas de energía mediante la selección adecuada del valor de la presión de envío. 7. Estrategia ocupacional. Se ha planteado la variante de ocupación de los hoteles en función de las cargas térmicas de cada local [19, 96]. Esta solución resulta sencilla en sistemas a caudal constante, pero a caudal variable se necesita un enfoque que considere el modelo termohidráulico, es función de la ocupación de las habitaciones. 8. Selección adecuada de las variables que caracterizan la operación del sistema, sobre todo del punto de medición de la presión para controlar el sistema, considerando las tecnologías disponibles [16]. 9. Implementación de controladores que favorezcan la manipulación de los accionamientos prefijando valores racionales de operación en bombas y unidades terminales [24, 97]. 10. Selección adecuada de los métodos de solución de las redes malladas para garantizar eficiencia y eficacia en los cálculos necesarios durante el proceso operacional [78, 79, 81]. 1.5.2 Relación entre la topología de la red hidráulica y la bomba centrífuga Para cada posible ocupación del hotel se tiene una topología de la red hidráulica a la cual corresponde una curva H = Ri(Q), i = 1,…,n, para toda la red (ver Figura 1.4). Ri expresa la relación funcional entre la altura de carga H de la red del sistema y el caudal Q, y representa de forma simplificada todas las pérdidas energéticas del fluido en los tramos de tuberías y accesorios en operación. 26 �CAPÍTULO 1 Figura 1.4. Espacio de solución de la presión de envío del sistema hidráulico en CSAF. El valor de Ri puede variar en función de las unidades terminales en uso, relacionadas con la ocupación y la dinámica de las cargas térmicas de enfriamiento. Análogamente, para cada valor de energía que se le suministre a la bomba se tiene una función H = Bj(Q), j = 1,…,m que describe el valor de H según varía Q. Como se aprecia en la Figura 1.4, el cambio simultáneo de las curvas de la bomba y de la red crea un espacio de soluciones del problema de encontrar cuál es la energía suficiente para lograr que la bomba garantice el caudal necesario Qsp a la presión Hsp que garanticen el confort. Si se conoce el valor de la altura de carga Hsp (valor de presión requerido en la red hidráulica para garantizar el caudal de diseño Qsp, calculado a partir del cumplimiento de los caudales necesarios en las unidades terminales), entonces puede determinarse la potencia eléctrica que se necesita para establecer la curva de la bomba que pasa por el punto (Qsp; Hsp). El actual criterio de asumir que la energía que se suministra a la bomba es la necesaria para garantizar una presión en correspondencia con la ocupación máxima, conduce a la falta de eficiencia energética. 1.5.3 Relación entre la estrategia ocupacional y la operación En general, la selección del valor de la presión de envío en los CSAF se realiza actualmente en función de las condiciones de máxima carga térmica, teniendo en cuenta además su factor de diversidad. El factor de diversidad garantiza un régimen racional de operación, al considerar que las edificaciones, por lo general, no cuentan con todas sus habitaciones en la misma orientación solar [21, 92]. El factor de diversidad favorece a que no se sobredimensionen las potencias 27 �CAPÍTULO 1 nominales de la bomba y del equipo enfriador [92]. Indisolublemente ligada a la operación de los CSAF se encuentra la ocupación, la cual aporta en ocasiones hasta más del 25 % de la carga térmica del local. La ocupación también genera el cambio de los parámetros hidráulicos de las redes y la activación del intercambio térmico en las unidades terminales, ya sean de operación on-off o de acción modulante. Para conocer los regímenes de ocupación diaria de los hoteles se puede acceder a los registros de los departamentos de recepción, pero para conocer la dinámica que ofrece durante el día es necesario realizar encuestas [54] u obtener registros de los autómatas de habitaciones, si se tienen altas prestaciones como sensores de presencia. En tal sentido, trabajos como los de Energy Design Resources [98, 99], ofrecen datos similares de ocupación horaria promedio en diferentes hoteles en Estados Unidos. Estos mismos datos se utilizaron para hacer un análisis de regresión con la temperatura ambiente y la diferencia de temperatura entre envío y retorno de un CSAF a flujo variable en un edificio de un hotel en Cuba [100]. Se obtuvieron modelos de regresión con coeficientes de correlación superiores a 0,8. Algunas investigaciones estudian la incorporación de la climatología local en el cálculo de las cargas térmicas y posteriormente esto contribuye a una correcta toma de decisiones de diseño y operacionales de los sistemas de climatización [18, 19, 25, 54, 65, 101, 102]. Se ha demostrado que en las condiciones climatológicas de Cuba, en los meses de septiembre, octubre y noviembre aparecen los mayores valores de potencia requeridos por la climatización, a pesar de que las condiciones climáticas no son tan desfavorables como en los días más críticos del verano. Esto se debe a la incidencia marcada que tiene la carga térmica por ocupantes del edificio [100]. Existen trabajos que analizan la dinámica de la climatología local mediante modelos térmicos de habitaciones a partir de la extrapolación del intercambio térmico a un circuito eléctrico resistivocapacitivo [103]. En otra variante se desarrolla una estrategia de control predictivo basado en el modelo térmico de una habitación y el conocimiento de las predicciones del clima y la ocupación con 24 horas de antelación. Utilizando la unidad terminal instalada en la habitación, se obtiene 28 �CAPÍTULO 1 un valor dinámico de ajuste de la temperatura de agua helada para la unidad enfriadora. Por su parte Bravo [104] compara métodos de simulación de carga térmica dinámicos del TRNSYS 16 con aplicaciones como el COOLPACK y el simulador de cargas térmicas de la UABC. Todas estas investigaciones coinciden en la necesaria integración de la climatología local en la toma de decisiones operacionales de los SCCAH. La ocupación de hoteles desde el punto de vista tecnológico se ha tratado en la literatura en dos direcciones fundamentales: los sistemas de control de la ocupación y las estrategias ocupacionales. Los sistemas de control, necesitan de un alto componente de automatización para facilitar el control del confort y el funcionamiento de las diferentes cargas eléctricas, aunque no siempre estos sistemas están disponibles. Por su parte las estrategias ocupacionales han sido menos utilizadas y están orientadas a: disminuir la presencia de los huéspedes en las habitaciones en los horarios que la electricidad es más costosa, la compactación de habitaciones y a la evaluación de los sistemas sobre todo la climatización para ahorrar energía. En la literatura aparecen un conjunto de consideraciones en referencia a la ocupación las cuales plantean: • Las dimensiones de los sistemas de climatización dependen de muchos factores tales como la localidad, las dimensiones del edificio, el tipo de puertas y ventanas, y el tipo de ocupación. Es necesario conocer adecuadamente las cargas y sobre todo los horarios de ocupación para reducir la climatización cuando el edificio esta desocupado [105] • Los programas de desarrollo y administración energética de edificios plantean: mantener actualizado los datos correspondientes a los horarios de ocupación, cuando se usan lugares innecesariamente y los horarios de trabajo intermitente de los locales; que los horarios de utilización de los locales sean regulares para poder tenerlos en cuenta en las estrategias de operación energéticas [105] e instalar sistemas computarizados para el control de la temperatura en todas las partes del edificio de acuerdo a la ocupación [16, 67] • Los programas de análisis energético repiten sus secuencias de cálculo muchas veces, para simular todo un año de operación bajo diferentes condiciones del clima, la ocupación y las 29 �CAPÍTULO 1 condiciones de la carga térmica. El ahorro de energía depende mucho de estos factores [67]. • Apagar las unidades terminales en los horarios en que las habitaciones no están ocupadas puede ahorrar entre un 10 y 50 % de la energía en los CSAF. También es recomendable cambiar la temperatura de salida del agua de las enfriadoras en correspondencia al porcentaje de la ocupación entre otros factores [67]. • Los parámetros operacionales óptimos de la climatización deben ser desarrollados en las condiciones reales del edificio y los requisitos de ocupación actuales, teniendo en cuenta que el comportamiento energético debe ser comparado bajo las mismas condiciones normalizadas de ocupación y del clima [106] • Las determinación de la línea base de los sistemas de climatización deben considerar el cambio del clima y de los horarios de ocupación. La variable independiente más común a tener en cuenta es la temperatura ambiente, aunque también es incidente la ocupación [106] A pesar de los criterios anteriores, no se reporta en la literatura consultada el uso de estrategias combinatorias – evolutivas para definir como ocupar un edificio, lo que implica, utilizar modelos computacionales que respondan mediante determinadas heurísticas a la optimización energética de la operación de los SCCAH con CSAF a flujo variable. Estos sistemas tienen una la tendencia hacia un predominio tecnológico en la climatización de hoteles. Por otra parte, existen software que calculan la carga térmica y en ocasiones de manera simultánea con la modelación de la red hidráulica tales como el TRANSYS y el SPR-r, pero estas no integran la evaluación de las múltiples combinaciones de ocupación de los locales a los algoritmos de cálculo del comportamiento termo-hidráulico. 1.6 Modelación y simulación de los sistemas de climatización centralizados En la Figura 1.5 se muestra la secuencia de los distintos modelos que componen la climatización para su adecuada simulación. Para simular el comportamiento energético de SCCAH, el modelo matemático correspondiente debe representar el comportamiento térmico de la estructura del 30 �CAPÍTULO 1 edificio (el modelo de las cargas térmicas), el sistema de acondicionamiento de aire (el modelo de los sistemas secundarios) y de la planta central (el modelo de los sistemas primarios). El modelo económico puede formar parte o no del programa de análisis energético [47]. Figura 1.5. Interacción de modelos para la simulación energética de edificios [47]. La modelación y simulación de sistemas de impulsión de agua, han sido menos abordados que la los regímenes y parámetros de las enfriadoras. Por lo general, debido a la magnitud de la potencia instalada en los SCCAH, las investigaciones en estos equipos persiguen mejorar la eficiencia del ciclo de compresión del gas refrigerante mediante análisis termodinámicos. Un estudio realizado por la Oficina de Tecnologías Industriales del Departamento de Energía (DOE) de Estados Unidos estima que la corrección en la distribución eléctrica representa el 8 % del total del ahorro posible, la eficiencia del motor representa el 4 %, el sistema mecánico el 44 % y la optimización del proceso el 44 % [107]. Durante la investigación, se pudo constatar la existencia de 19 tesis de doctorado desarrolladas en Cuba, muy estrechamente relacionadas con los temas generales de la climatización (68,4 %) [18, 19, 68, 108-114] y refrigeración (31,6 %) [115-119]. De manera particular abarcan los temas de: diseño; operación; cargas térmicas, confort y sicrometría del aire; lazo de producción de frío o compresión mecánica del vapor; cambios tecnológicos o en algún componente físico; sistemas agua-aire, todo aire o todo refrigerante; sistemas todo-agua; optimización; optimización de sistemas centralizados a flujo constante; modelos matemáticos; procedimientos y los hoteles. Sin embargo, las referencias anteriores no desarrollan los temas relacionados con: el 31 �CAPÍTULO 1 comportamiento de las redes hidráulicas y su efecto en el comportamiento energético del sistema, el análisis combinatorio de la ocupación de habitaciones ni los SCCAH a flujo variable. 1.6.1 Modelación y simulación térmica de los sistemas de climatización centralizada Las variables arquitectónicas relacionadas con la bioclimática contribuyen al ahorro energético durante la explotación de la edificación. Ellas se dividen en dos grupos fundamentales: las que dependen de los criterios de diseño y las que dependen de decisiones económicas [68]. Una forma natural de ahorrar electricidad, es prevenir que la energía del asolamiento penetre hacia el interior de las edificaciones. Las técnicas de diseños que reducen el calor que penetra suelen aplicarse de forma individual o agrupadas convenientemente; algunas investigaciones señalan que para las condiciones de Cuba es necesario: el empleo de materiales en el revestimiento exterior de baja absorción térmica, protección de las superficies exteriores de la radiación solar directa, incremento del espesor de los materiales de construcción que conforman las cubiertas y fachadas, el uso de materiales aislantes de elevada resistencia térmica y el empleo de cubiertas y pinturas reflectivas [123-125]. Estas decisiones tienen en cuenta el conocimiento de la climatología local y son variables a considerar en la modelación y simulación térmica. Montero [39] realiza un estudio del comportamiento energético de los CSAF, evaluando elementos incidentes y parámetros de operación del climatizador central, las redes, la carga térmica y del conjunto motor bomba así como algunas variables climatológicas. En su caso de estudio se establecieron modelos del conjunto motor-bomba mediante técnicas estadísticas. Los resultados expresan enfoques y soluciones particulares sobre la base de los CSAF a flujo variable. Se proponen expresiones que permiten evaluar el costo, caudal y energía adicional que ocasionan las principales deficiencias termo-energéticas. Uribazo en el 2004 [126] determina la incidencia del clima en las tecnologías de la climatización. Mediante una identificación experimental, obtiene un modelo paramétrico de estructura ARMAX de segundo orden, del sistema de climatización centralizado de un hotel. El modelo permite controlar el número de cilindros de los compresores a partir del comportamiento de la 32 �CAPÍTULO 1 temperatura de retorno del agua fría, la temperatura de envío y la temperatura ambiente. Luego el mismo autor propone un sistema de control borroso del clima del hotel [127]. Monteagudo [37], mediante el aumento de la temperatura de salida del agua helada en función de la temperatura ambiente, ha comprobado que se reduce el consumo de electricidad en las enfriadoras del Hotel Unión en aproximadamente un 15%. Montelier [19], desarrolla un procedimiento para establecer la temperatura más adecuada del agua helada en los SCCAH a flujo constante. A partir de bases de datos obtenidas de la simulación térmica del edificio, este autor establece una RNA que posibilita determinar la carga térmica de enfriamiento y propone un sistema neurodifuso para determinar el consumo de energía eléctrica del sistema de climatización en función de la temperatura de agua helada y corrobora la existencia de un mínimo consumo en función de la temperatura de agua helada. Finalmente, propone un algoritmo genético para encontrar el valor de ajuste de la temperatura del agua helada que posibilita reducir el consumo energético. En el 2008, Armas crea un modelo híbrido de optimización termo-económica para minimizar el costo de los productos finales del SCCAH, integrando: el algoritmo genético, las RNA que modelan las sustancias de trabajo del sistema y los modelos físicos, los flujos y el costo para cada componente [18]. El modelo planteado se circunscribe a las unidades enfriadoras. Chow en el 2001[128] aplica las redes neuronales para modelar el desempeño de una enfriadora por absorción y mediante un algoritmo genético optimiza la función del costo de su operación. Este modelo tiene como una de las variables de entrada la temperatura de envío a las zonas, y la energía que se le transfiere al agua para entrar en el evaporador es la que utiliza para trasegarla por el sistema. Se muestra que la inteligencia artificial puede predecir los costos de explotación y el consumo de energía de una enfriadora sin estudiar los detalles termo-hidráulicos de los CSAF. La administración y detección de fallas en los sistemas de climatización centralizados en edificios comerciales también constituye un aspecto vital que favorece un ahorro energético entre el 20 % y el 30 % [129]. Yoshida en el 2001[130], propone un algoritmo de detección y 33 �CAPÍTULO 1 diagnóstico para sistemas de climatización a partir de un modelo paramétrico recursivo ARX, tomando la desviación del valor de consigna de la temperatura en el espacio climatizado como entrada y como salida el flujo de aire que se suministra. Este modelo solo permite conocer e imponer al sistema sus características de operación a partir de una identificación. Fu en 1999 [93] empleó un modelo fuzzy para predecir cada estado de un sistema agua - aire, tanto para la enfriadora como para la manejadora de aire. El sistema es de volumen de aire variable. Este autor demostró la capacidad de los modelos Neuro-fuzzy para modelar el sistema y asegurar la toma de decisiones en relación de los parámetros de la enfriadora y del ventilador. Los datos de entrenamiento fueron generados en el simulador HVACSIM+. Los resultados de las estimaciones abarcan todo el diapasón de operaciones en condiciones libres de fallas y con la presencia de estas. El modelo predice el consumo del ventilador y la velocidad de operación del mismo, pero tiene la limitante que es para el caso de agua-aire, y solo integra al modelo las condiciones del aire interior para el caso del modelo de la enfriadora. Para el aire, se predice la potencia del ventilador y la velocidad mediante el flujo y un vector predictor de fallas. 1.6.2 Modelación y simulación hidráulica de los sistemas de climatización centralizados Las redes hidráulicas revisten una gran importancia en el contexto energético y especialmente en los SCCAH debido a la cantidad de energía que se necesita para transportar el agua desde las enfriadoras hasta las unidades terminales, garantizando los caudales necesarios. Hechavarría en el 2009 [81], presenta un procedimiento que aplica los fundamentos del Análisis y Síntesis de Sistemas de Ingeniería (ASSI) para la preparación y toma de decisiones bajo criterios múltiples al diseño de redes de distribución de agua. Los métodos utilizados para la modelación hidráulica en la optimización del diseño de redes malladas bajo criterios técnicoseconómicos son válidos para la modelación y simulación en SCCAH [91]. Puesto que en un CSAF la cantidad de fluido enviado al sistema es la misma que retorna, entonces, desde el punto de vista de envío y retorno, la red se considera simétrica en longitudes y diámetros en las tuberías. Esto condiciona que durante el proceso de diseño, inicialmente se 34 �CAPÍTULO 1 evalúe la red de climatización como si estuviera abierta [91]. El primer criterio a tenerse en cuenta al seleccionarse las unidades de bombeo, es que siempre debe cumplirse los valores de presión de 3 kPa mínimos en cada una de la válvulas de equilibrado, lo que comprende, desde el inicio de la tubería, hasta el final del retorno [87, 95]. La experiencia de los diseñadores de estas instalaciones especiales en Cuba, indica que un valor de 500 kPa es capaz de satisfacer los requerimientos hidráulicos para las variantes constructivas utilizadas en hoteles [131]. En el 2009 se presentan resultados que tienen como centro los CSAF. Uno de ellos realiza un riguroso marco teórico de las relaciones entre los componentes de los CSAF y las variables que inciden en su operación eficiente [132]. Se expone un análisis crítico sobre las insuficiencias al no aplicar las normativas cubanas vigentes NC-45 y NC-220 [27, 28]. Mediante un enfoque sistémico, se proponen cambios para la automatización de tareas basados en tener en cuenta los aspectos hidráulicos y de intercambio térmico del agua con la edificación. Aparecen críticas acertadas, pero las propuestas de soluciones aún no están implementadas. El método de compensación y balance [26] racionaliza el consumo de energía en una red de distribución de agua para la climatización. Un estudio basado en este método consistió en ubicar válvulas de compensación en todos los ramales de la red, trabajando en línea con un sistema computarizado. Estas válvulas operan a través de un modelo matemático creado para la red hidráulica en función de las mediciones realizadas [26]. Los modelos no se divulgaron y no se reflejaron aspectos térmicos del sistema. No obstante, el equilibrado hidráulico obtenido redujo el consumo energético entre el 15 % y 20 %. La operación de los CSAF se puede modelar con la ayuda de herramientas informáticas que consideren los elementos termo-hidráulicos del sistema. Entre los sistemas que modelan un sistema hidráulico y calculan las presiones, caudales y velocidades se encuentran el EPANET, WATERCAD, entre otros sistemas CAD. En cualquier caso, los rangos de velocidades deben mantenerse entre 1 m/s y 2 m/s [27], elemento que impone restricciones energéticas al sistema, evitando también que se produzcan ruidos en la red debido a la dinámica de operación. 35 �CAPÍTULO 1 Salsbury [133], a partir de los datos de un sistema de ventilación de dos vías en una gran edificación, establece un modelo de caja negra teniendo en cuenta la presión, la humedad relativa y temperatura del fluido logrando mejores prestaciones de la instalación. El modelo simulado, en paralelo con las variables del sistema real corrige las necesidades del fluido y obtiene mejoras energéticas. La limitante para aplicar este modelo a los SCCAH es que se trata de una instalación de ventilación. El caudal de ventilación se controló con un lazo PI y los modelos empleados son de primer y de segundo orden, obtenidos con el método de integración de Euler. Núñez y Rodríguez [53] implementaron una aplicación prototipo que enlaza el software de supervisión de procesos EROS mediante un control PID a un CSAF a flujo variable. Esta aplicación permite la recolección de datos y operación del sistema para cualquier valor admisible de la presión de descarga. El controlador se ajusta desde el computador. Los resultados no integran a la operación del controlador el análisis de los aspectos térmicos del edificio, ni las condiciones climatológicas para lograr un modelo de la planta más acertado. Aguilar en el 2009 [134] propone un enfoque multivariable de un CSAF para su modelación y Montero en el 2012 [97] perfecciona el resultado determinando el modelo paramétrico que mejor relaciona las HDO, temperatura ambiente y caudal con respecto a las salidas, potencia activa, temperatura de retorno del agua y presión en el retorno. El modelo mejoró con el uso de las RNA obteniéndose ajustes de un 94 % al manipularse la variable HDO. En el 2002, León propone una metodología para el análisis de variadores de velocidad en sistemas de bombeo, pero solo se relacionan las interacciones entre las características de la bomba, la red y el motor de inducción [135]. A partir de las ecuaciones de proporcionalidad y las ecuaciones del motor de inducción se establecen leyes de afinidad para el análisis de sistemas de carga estática. A pesar de que se evalúa el comportamiento energético del accionamiento, no se ha aplicado la metodología al caso específico de los CSAF. La gran mayoría de los hoteles cubanos son instalaciones con determinado tiempo de operación, esto hace que algunos CSAF en ocasiones se desajusten. En el trabajo presentado por Rodríguez 36 �CAPÍTULO 1 en el 2004 [136], mediante cálculos hidráulicos con las expresiones de Bernoulli, se demuestra que es insuficiente el caudal de agua en los ramales de un CSAF. Se da solución al problema de suministro pero el sistema analizado es a flujo constante. Para resolver una situación similar en la villa del hotel Las Brisas en Guardalavaca, se realizó el cambio a caudal variable del sistema de impulsión [137]. En ambos casos no se consideraron: las perturbaciones del clima, el modelo térmico de la edificación y las estrategias ocupacionales. Sierra en el 2009 [138] analiza el comportamiento energético de un motor de inducción (MI) en un CSAF a flujo variable, obteniendo sus características ante diferentes situaciones ocupacionales y valores de consigna de la presión de descarga de la bomba. Se utilizaron aplicaciones sobre Matlab que tomaron como base el modelo del MI. Aunque fueron interrelacionadas variables ambientales con diferentes puntos de operación del sistema, no se modeló la integración de estos factores. No obstante, se demostró empíricamente que el CSAF puede trabajar a menor valor de consigna de la presión (de 500 kPa a 450 kPa) para una misma ocupación del 92 %, en condiciones del clima similares, demandando un 35 % menos de potencia activa manteniendo el confort. La utilización de VV en las bombas de agua fría permite la reducción del consumo de energía en las condiciones de cargas parciales al circular menos agua por el sistema [44, 139]. Los ahorros de energía reportados pueden llegar hasta un 30 % con respecto al consumo de un sistema con flujo constante [16, 46, 50]. Los CSAF han logrado entre el 12 - 32 % del ahorro para determinadas estrategias de operación a flujo variable basándose en una adecuada modelación de la distribución del agua y un alto grado de automatización [24]. En los sistemas de monitoreo y control existentes en los hoteles con SCCAH se observa que las variables incorporadas son principalmente las relacionadas con el trabajo de las enfriadoras; no sucede así con las variables termo-hidráulicas y energéticas asociadas a los circuitos de impulsión. En los sistemas a caudal variable en operación resulta difícil cambiar los parámetros de las variables de consigna de la presión de envío debido a la imposibilidad del acceso a los 37 �CAPÍTULO 1 controles del VV y a los insuficientes sistemas informáticos para tomar esta decisión. Todos los aspectos abordados en el análisis bibliográfico, resaltan la necesidad de estudios con enfoques sistémicos para favorecer la optimización operacional de los sistemas de climatización. CONCLUSIONES del capítulo 1. El actual escenario energético mundial exige de estrategias que permitan fomentar el uso de tecnologías que tributen a la disminución del consumo de energía, trabajando por la eficiencia energética como una variante de alto impacto. 2. El sector del turismo se establece como un importante potencial económico en el desarrollo del país y con posibilidades reales de disminución de los costos de operaciones mediante un uso más racional de energía, a través de procedimientos que permitan una mejor explotación de los sistemas sin deteriorar la calidad de los servicios. 3. Los sistemas de climatización de las instalaciones turísticas son los mayores consumidores de energía en estas instalaciones y son objeto de los estudios energéticos. En los SCCAH, y en particular en los CSAF, se presentan importantes potencialidades para mejorar la eficiencia energética en los hoteles que usan esta tecnología. 4. Es necesario conformar un procedimiento mediante un enfoque sistémico para la optimización energética de la operación de los SCCAH, basado en una función objetivo que integre: los modelos de la red hidráulica, del ciclo de comprensión mecánica del vapor y el modelo térmico del edificio, en los que intervienen cada estado del sistema, ineludiblemente relacionados con la ocupación, el clima y las características de las edificaciones. 5. Se hace necesario el desarrollo de aplicaciones informáticas que favorezcan los procesos de toma de decisiones en la explotación hotelera, con énfasis en aquellas actividades que permitan un mejor desempeño energético del equipamiento tecnológico. 38 �CAPÍTULO 2 CAPÍTULO II. PROCEDIMIENTO PARA LA OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN CENTRALIZADOS TODO-AGUA CON CIRCUITOS SECUNDARIOS DE AGUA FRÍA A FLUJO VARIABLE El presente capítulo tiene como objetivo el desarrollo de la formulación matemática de la tarea de operación energética óptima de los SCCAH con CSAF a flujo variable, considerando la variabilidad de la climatología local y la ocupación de un hotel. Siguiendo el enfoque de Arzola [140], en la presente investigación se asume el concepto sistema de ingeniería como aquel que ayuda a la preparación y toma de decisiones bajo criterios múltiples, incluyendo indicadores de carácter subjetivo propios del diseño, la generación de tecnologías, la operación de procesos, la planeación de la producción, la logística y el mantenimiento, y su integración a la gestión económica de las empresas. Mediante el Análisis y Síntesis de Sistemas de Ingeniería (ASSI) se clasifica la información asociada a la tarea de ingeniería, se formulan adecuadamente las tareas en el entorno en el que deberán funcionar, y se sintetiza debidamente el sistema para la solución práctica del problema [81, 141]. La metodología ASSI se compone básicamente de los pasos siguientes [140]: 1. Análisis externo: contiene, la descripción del sistema de mayor envergadura (SME) que es la mayor tarea a la cual se encuentra subordinado el sistema objeto de análisis y se determinan las variables involucradas (ver Figura 2.1), la descomposición de la tarea en elementos componentes, y la elaboración del modelo conceptual de preparación de decisiones. 2. Análisis interno: modelación matemática de relaciones que explican las salidas de los indicadores de eficiencia a partir de los valores de las variables de coordinación, de decisión y datos de entradas; organización racional de los procedimientos de cálculo; e identificación de los componentes del modelo matemático conceptual de preparación y toma de decisiones. 2.1 Análisis externo de la operación de los sistemas de climatización centralizados todo-agua con circuitos secundarios de agua fría a flujo variable 39 �CAPÍTULO 2 En la presente investigación se pretende que la operación de los SCCAH se realice con el mínimo requerimiento de potencia eléctrica, considerando el modelo termo-hidráulico de la edificación, así como las fluctuaciones del clima y la ocupación. En la clasificación de la información asociada a la operación de los SCCAH, para la formulación de la función objetivo intervienen: la modelación de la carga térmica, la modelación de la red hidráulica, la determinación del trabajo de compresión y las restricciones de los modelos. Una representación simplificada de los elementos del análisis externo se presenta la Figura 2.1. Figura 2.1. Clasificación de la información involucrada en el análisis externo [140]. 2.1.1 Descripción del Sistema de Mayor Envergadura La operación de los SCCAH tiene como objetivo principal garantizar la climatización de los locales, independientemente de las condiciones que imponga el SME. Se considera como parte del SME a todo fenómeno externo que influya en el proceso de climatización, para este caso se consideran los siguientes aspectos: las condiciones climatológicas de la localidad; las características físicas de la edificación, los parámetros técnicos del sistema y la información necesaria que permite valorar el impacto técnico-económico de la tarea. Para sustentar una caracterización del SME, así como contribuir a la definición de las variables a tener en cuenta en el análisis externo, fue necesario implementar un Sistema Automático de Medición (SAM) mediante el SCADA de procesos industriales EROS versión 5.5, el cual se presenta en el Anexo 5. Los datos obtenidos mediantes experimentos exploratorios, más que para definir un modelo formal, contribuyeron a la selección de las variables que participan en el análisis externo y que definirán el análisis interno. En el Anexo 5 también aparecen a manera de ejemplos, algunas mediciones en el sistema relacionadas con: la temperatura ambiente de la 40 �CAPÍTULO 2 localidad, pruebas dinámicas del VV y pruebas escalonadas de cambios de la ocupación. 2.1.2 Variables de coordinación Las variables de decisión del SME, asociadas al sistema dado, constituyen las variables de coordinación [141]. Se consideran, mediante una adecuada clasificación, las siguientes: Para la modelación térmica: parámetros técnicos de la edificación (clasificación de los locales según su uso, comportamiento ocupacional horario, zonificación, inventario de cargas fijas y uso de equipos), parámetros climatológicos (ubicación geográfica, parámetros solares, condiciones climáticas de la localidad, humedad relativa y la temperatura ambiente por día y hora). Para la modelación hidráulica: ubicación espacial de los nodos; topología de la red; dimensiones y material de las tuberías; parámetros técnicos de: las válvulas de control, las válvulas de equilibrado, unidades terminales, las unidades de bombeo, unidades enfriadoras. También es necesaria la clasificación del local según su disponibilidad y la aceleración de la gravedad. Para el cálculo del trabajo por compresión: el tipo de refrigerante utilizado, las temperaturas de condensación y de vaporización, la temperatura de envío del agua fría a la salida del evaporador y la temperatura del agua en la entrada del evaporador. Para el análisis de la ocupación: total de habitaciones del edificio, cantidad de habitaciones fuera de servicio (no disponibles), cantidad de habitaciones disponibles, cantidad de habitaciones priorizadas (escogidas a preferencia de los clientes) y cantidad de habitaciones a ocupar. 2.1.3 Indicador de eficiencia En los CSAF a flujo variable, la reducción del consumo de energía se ha basado en la selección adecuada del valor de consigna de la presión de envío o su re-establecimiento para cada condición de la red hidráulica [24, 25, 46]. La tendencia actual para la optimización del consumo de energía en los SCCAH es la determinación simultánea de la temperatura adecuada del agua suministrada por la unidad enfriadora y de la presión de envío en las bombas del CSAF [46, 56]. En la presente investigación se pretende minimizar el requerimiento de potencia eléctrica para la operación de los SCCAH, por lo cual se toma como indicador de eficiencia formalizable: la 41 �CAPÍTULO 2 suma de la potencia eléctrica necesaria para el bombeo, más la potencia eléctrica necesaria para el trabajo de compresión en la unidad enfriadora en función de ocupación. Para la determinación de este indicador, necesariamente se deben evaluar las pérdidas de energía por fricción, las pérdidas de energía por singularidades en la red hidráulica, y el efecto de las cargas térmicas de enfriamiento parciales que dependen de ciertas variables. 2.1.4 Variable de decisión Sea T el total de habitaciones de un edificio. Se conoce que hay D habitaciones disponibles y HAO son solicitadas. Considérese que hay ND habitaciones no disponibles para el análisis, HO es el total de habitaciones que ya están ocupadas, HOP las habitaciones a ocupar que están priorizadas (escogidas a preferencia de los clientes) y HFS es la cantidad de habitaciones fuera de servicio (por razones técnicas o fuera de orden). Las relaciones entre estos parámetros son: = T ND + D (2.1) ND =H O + H OP + H FS (2.2) HDO =H O + H OP + HAO (2.3) MVC = 2 D (2.4) MVCR = D! ( D − HAO)! HAO ! (2.5) Donde HDO es el número de habitaciones que se tendrán en cuenta durante la modelación térmica e hidráulica, Habitaciones Días Ocupadas; MVC es el Mayor Valor del Código de solución (cantidad total de opciones de ocupación de los locales disponibles); y MVCR coeficiente binomial al que se denominó Mayor Valor del Código Restringido (cantidad total de opciones de ocupación de los locales disponibles que cumplan con la restricción de HAO). Ahora, puede definirse una variable a la que se denomina Ocupación que describe cuáles serán las HAO habitaciones seleccionadas entre las D habitaciones disponibles. Esta será la variable de decisión y condiciona la apertura de circuitos dentro de la red mallada al igual que las HO y las HOP, mientras que las HFS no. Por lo tanto, las diversas configuraciones de la red hidráulica, 42 �CAPÍTULO 2 ocasiona mayores o menores pérdidas de energía. El trabajo de compresión en la unidad enfriadora, también se ve afectado por la variable Ocupación en correspondencia con los valores de carga térmica de enfriamiento que aportan las HDO habitaciones día ocupadas. 2.1.5 Variables intermedias Generar variantes de ocupación trae consigo cambios en la modelación hidráulica, dando como resultado diferentes valores de velocidad y presión en el CSAF. Estos resultados deben ser evaluados para comprobar si cumplen con las restricciones. De este modo, resultan de interés, las variables intermedias: velocidad del agua en cada tramo de tubería, altura de presión en cada nodo y caudal de agua en las unidades terminales. Estas variables son consecuencia de la velocidad de rotación de la bomba, pues de su valor y de la carga que representa la red hidráulica depende la potencia eléctrica requerida por la bomba. La determinación de esta velocidad debe corresponder con los requerimientos mínimos de presión de envío del CSAF. Cambiar la ocupación también implica cambios en la modelación térmica. Es práctica común elevar la temperatura del agua helada para ahorrar energía durante los períodos de menor carga de enfriamiento, o de temperaturas exteriores más bajas [19]. Se puede elevar la temperatura entre 2,5 °C y 5,5 °C incluso en condiciones de cargas nominales [139, 142]. Un grado Celsius que se eleve la temperatura, incrementa la eficiencia del enfriador en un 4 % [142]. Al considerarse las condiciones climatológicas y la ocupación en el modelo energético, es posible declarar como otra variable intermedia del sistema, la temperatura de salida del agua de la enfriadora. Tanto la velocidad de rotación de la bomba como la determinación de la temperatura de salida del agua de la enfriadora se pueden determinar mediante cálculos iterativos. Estas variables intermedias están restringidas respectivamente a ciertos rangos, los cuales definen la factibilidad de cualquier propuesta de ocupación. 2.1.6 Datos de entrada al sistema Para mayor claridad de los datos de entrada al sistema, necesarios para la simulación a partir de la existencia de los modelos correspondientes, se propone la clasificación siguiente: Datos para la modelación térmica: temperatura ambiente, hora del día, día del año y las 43 �CAPÍTULO 2 habitaciones que entran al análisis de la Ocupación. Datos para la modelación hidráulica: viscosidad cinemática del agua (en función de la temperatura del fluido), rugosidad equivalente (en función del material y edad de las tuberías), coeficiente de resistencia local (tipo de accesorio), valores mínimos y máximos de velocidad y presión (rangos permisibles) y dimensiones de las tuberías. Datos para la determinación de la potencia eléctrica necesaria en la unidad de bombeo: densidad del agua, rendimiento de la bomba centrífuga, rendimiento del motor eléctrico de inducción. Datos para determinar la potencia eléctrica necesaria en el compresor: temperaturas de condensación y de vaporización, rendimiento isentrópico, entalpías del ciclo de refrigeración, flujo de agua para carga térmica máxima, y el factor de diversidad de la carga térmica. Datos para determinar las soluciones factibles: valores mínimos y máximos de velocidad; de presión; y caudal del agua, que definen la factibilidad de una propuesta de ocupación. La Figura 2.2 resume el análisis externo y evidencia el carácter de las variables descritas, así como la interrelación entre los componentes que describen el proceso. Se resalta el papel del variador de velocidad en el suministro de la energía necesaria para el sistema de bombeo a partir del resultado de la presión de envío requerida por el sistema. Estas condiciones la impone la red hidráulica, consecuencia de la Ocupación (variable de decisión) que se seleccione. Figura 2.2. Diagrama de bloques para la descripción del proceso a través del Análisis Externo. 2.2 Análisis interno de la operación de los sistemas de climatización centralizados todo-agua con circuitos secundarios de agua fría a flujo variable 44 �CAPÍTULO 2 Se propone un procedimiento para calcular el Indicador de Eficiencia en función de las entradas. 2.2.1 Formulación del sistema de ingeniería del objeto de estudio La modelación matemática para la simulación simultánea del edificio, el sistema secundario y el sistema primario se inició desde hace varios años [143-146], y aunque ya están disponibles programas como el ESP- r [147-149] que simulan simultáneamente el edificio y los sistemas de Climatización, Ventilación y Aire Acondicionado (CVAA), aún no se aplica este enfoque. 2.2.1.1 Función objetivo e indicador de eficiencia Al tener en cuenta los parámetros que intervienen en el indicador de eficiencia, potencia eléctrica para el trabajo de compresión más la potencia eléctrica para el bombeo, la función objetivo se presenta mediante el siguiente desglose de las expresiones matemáticas que la componen. M T = g1 ( X e , X cl , X CSAF ) (2.6) M C = g 2 ( X cl , Rn , Tev , Tcd , X SCCAH ) (2.7) M H = g3 ( X e , X CSAF ) (2.8) CT ( d ) = g 4 ( HDO( c ) , Tamb( d ) , h( d ) , d ( a ) , M T ) (2.9) CC ( d ) = g5 (CT max ( a ) , Q( d ) , Te( d ) , Tr( d ) , M C ) (2.10) CH = g 6 ( HDO( c ) , H ( d ) , Q( d ) , M H ) (2.11) Peb = g 7 (CT ( d ) , CH ( d ) ) (2.12) Pec = g8 ( CT ( d ) , CH ( d ) , CC ( d ) ) (2.13) P = Pec + Peb t (2.14) Z = min ( Pt ) (2.15) Donde: MT - modelo térmico del edificio. MC - modelo del trabajo de compresión. MH - modelo hidráulico. 45 �CAPÍTULO 2 CT - expresiones para determinar las magnitudes que caracterizan carga térmica de enfriamiento. CC - expresiones para determinar las magnitudes que caracterizan el trabajo de compresión. CH - expresiones para determinar las magnitudes que caracterizan la carga hidráulica del sistema. Peb - potencia eléctrica requerida para el bombeo en el CSAF; kW. Pec - potencia eléctrica requerida para realizar trabajo de compresión; kW. Pt – función objetivo: sumatoria de las potencias Peb y Pec, kW. Z - Indicador de eficiencia: valor mínimo de la función objetivo; kW. g1, g2, g3 - intensidades de las relaciones de las variables de coordinación con MT, MC y MH. g4, g5, g6 - intensidades de las relaciones de los datos de entrada, las variables de coordinación, intermedias y de decisión del sistema con CT, CC y CH. Xe - variables que caracterizan el edificio y que definen la estructura de los modelos MT y MH. Xcl - variables que caracterizan el clima y que definen la estructura de los modelos MT y MC. XSCCAH - variables que caracterizan la estructura y parámetros generales del SCCAH. XCSAF - variables que caracterizan la estructura y parámetros generales del CSAF. Rn - tipo de refrigerante que utiliza el equipo enfriador. Tev - temperatura de entrada del refrigerante en el evaporador; K. Tcd - temperatura de entrada del refrigerante al condensador; K. Tamb - temperatura ambiente; K. h - hora del día. d - día del año. CTmax - carga térmica de enfriamiento máxima; kW. Te = t8 - temperatura de envío del agua fría hacia el edificio; K. Tr - temperatura de retorno del agua fría desde el edificio; K. H - altura de carga de sistema hidráulico; m. Q - caudal a la salida de la bomba; m3/s. (a) - 1,…,365 (c) - 1,…, MVCR; adimensional. (d) - 1,…,24 46 �CAPÍTULO 2 Las relaciones entre las expresiones matemáticas que integran la función objetivo se presentan en la Figura 2.3. En ella se destacan dos elementos: la dependencia de la potencia de la bomba con respecto a los resultados de los modelos térmicos e hidráulicos, así como la dependencia de la potencia del compresor con respecto a los modelos térmicos, hidráulicos y de compresión. Figura 2.3. Secuencia e iteraciones de las expresiones que permiten definir la función objetivo. El Indicador de Eficiencia (IE), se determina al minimizar el valor de Pt para cada variante de red hidráulica y régimen de operación del compresor como consecuencia de la ocupación factible seleccionada donde: Z = min( Pt ) (2.16) Del criterio anterior se infiere la necesidad de definir todas las ocupaciones de los locales con compromisos aceptables respecto al IE. Obtenidas las mejores soluciones, quedan definidos los valores de las variables de decisión que garantizan cada resultado particular. Se decide entonces cual variante satisface los criterios de preferencia asegurando un régimen racional de consumo. 2.2.2 Modelación matemática de la carga térmica de enfriamiento Los pasos para la modelación y el cálculo de las cargas térmica son los siguientes: 1. Captura y sistematización de datos climatológicos de la región. 2. Selección de la zona que será objeto de evaluación del comportamiento térmico. 3. Captura y análisis de la información del edificio y exploración de condiciones ambientales. 4. Determinación (mediante un simulador) de la carga térmica de enfriamiento para cada habitación en un año promedio. Estos resultados, que consideran las características de 47 �CAPÍTULO 2 ocupación horaria, establecen para cada habitación relaciones funcionales entre la carga térmica y las variables temporales día y hora, pero no se relaciona explícitamente la temperatura ambiente con el valor de carga térmica. 5. Modelación de la carga térmica de enfriamiento de cada habitación en función del día del año, la hora del día y la temperatura ambiente, mediante un modelo RNA obtenido a partir de: los resultados de la simulación del punto 4, las temperaturas ambiente del año y la hora del día en que se realizaron las mediciones. 6. Integración de modelos de carga térmica de enfriamiento a la modelación hidráulica. Cada proyecto de climatización debería realizar un estudio de las condiciones climatológicas para un año característico del lugar donde se va a situar la edificación. Lo que aún se hace es tomar los datos de las condiciones de diseño existentes en la literatura, lo cual implica referirse a las condiciones de temperatura ambiente y humedad relativa para el día más caliente del año y las condiciones predominantes del viento [27, 66, 92, 150]. Informaciones necesarias para la evaluación energética de las edificaciones resultan las coordenadas polares de la localidad, las cuales aseguran datos climatológicos más precisos contribuyendo además a la mejor definición de los parámetros solares. Los parámetros solares definen las ganancias de calor principales a través de las estructuras y facilitan las decisiones al seleccionar los materiales y estrategias constructivas para una adecuada bioclimática. En la selección de la zona pueden estar incluidas las distintas formas constructivas. Las formas constructivas típicas de los hoteles cubanos son bungalows, edificios y su combinación. Esto implica que la red hidráulica, puede presentarse con distintas topologías. La tendencia actual es utilizar materiales que disminuyan los gastos de inversión pero que tengan propiedades acordes con los requerimientos energéticos. Los datos del edificio pueden obtenerse mediante el análisis del expediente de la obra (revisión de los planos y documentos) o mediciones en el terreno. Los pasos 1, 2 y 3 hasta ahora descriptos permiten conformar un conjunto de datos de gran importancia para la determinación de la carga térmica de enfriamiento para un año promedio. 48 �CAPÍTULO 2 En el Anexo 6 aparecen las informaciones generales de las herramientas con que cuenta el simulador térmico de edificios de la UABC [65] y otros datos relevantes. La metodología empleada se utiliza hasta el proceso que integra las cargas de enfriamiento de los niveles analizados y la demanda total del edificio. Para obtener los resultados de las cargas térmica interactúan las diferentes hojas de cálculo sustentadas en la metodología ASHRAE. La formalización de la carga de enfriamiento de cada habitación se realiza a través del empleo de las RNA. Esto permite predecir comportamientos, sistematizando las particularidades térmicas del edificio partiendo de las variables climatológicas más incidentes [19, 25, 70, 71]. Se obtiene para cada habitación i=1,…,n una tabla de valores (dj; hj; CTEij) donde j=1,…,8760 (ya que d=1,…,365 y h=1,…,24). En este caso d son los días del año base, h las horas del día y CTE la carga térmica de enfriamiento. El simulador calcula cada CTEij teniendo en cuenta los parámetros de la habitación i y la climatología del día dj y de la hora hj. Es obvio que para otros años varíen en alguna medida las mediciones climatológicas, por lo cual se necesita un modelo formal y explícito que permita calcular la CTE para cada habitación i en función del día, la hora y la climatología. La temperatura ambiente es pronosticada por el Instituto de Meteorología, lo cual la convierte en un instrumento útil para pronosticar la CTE de cada habitación en los próximos días. Para ello se hace necesario obtener para cada habitación una expresión de la forma CTE = y (d, h, tamb). Esta función (y) se propone como un modelo basado en RNA. Para identificar los modelos se realizaron los pasos siguientes: adquisición y procesamiento de datos, diseño de la red neuronal, implementación de la red, simulación y validación [151]. Teniendo en cuenta los elementos del aprendizaje automático [152], se elaboró una aplicación en el software Matlab R2008b [153] que realiza las operaciones para obtener los modelos (ver RNA24hFinal, Anexo 7). Las estructuras de las RNA se obtienen de un proceso complejo de aprendizaje que incluye: la selección de diferentes porcentajes de los datos mediante un cambio progresivo del tamaño de la muestra, el cambio de las funciones de transferencia de las capas de neurona inicial e intermedia, el cambio de la función de aprendizaje, y el incremento progresivo 49 �CAPÍTULO 2 de la cantidad de neuronas en la capa intermedia. Todos estos pasos se repiten para cada modelo a obtener, según la cantidad de habitaciones que participen en el análisis y la cantidad de entrenamientos que se decida utilizar, inicializándose siempre los pesos para cada variante. Al terminar la aplicación se han realizado: todos los entrenamientos, simulaciones, cálculo de los errores de los modelos y los cálculos de los coeficientes de correlación (R) entre los datos reales y los predichos por la RNA. La selección del mejor modelo se basa en agrupar en un criterio a R y la cantidad de neuronas en la capa intermedia. El mejor modelo será el de mayor R y menor cantidad de neuronas en la capa intermedia. La expresión general puede expresarse como [153]: Y f 3 ( LW3,2 f 2 ( LW2,1 f 1 ( IW1,1 p + b1 ) + b 2 ) + b3 (2.17) Donde: Y - salida de la RNA. f 1 , f 2 , f 3 - funciones de transferencia de las diferentes capas de neuronas. IW1,1 , LW2,1 , LW3.2 - pesos de las diferentes capas de neuronas. b1 , b 2 , b 3 - polarizaciones de las diferentes capas de neuronas. Una vez conocidas las cargas térmicas de enfriamiento parciales para el año base, la forma más adecuada de insertar estos datos a la modelación hidráulica es comprobar que el caudal de agua que circule por cada unidad terminal esté en correspondencia con la cantidad de calor a extraer. 2.2.3 Modelación matemática de la red hidráulica para el cálculo de la potencia de bombeo La modelación hidráulica facilita la determinación de la presión mínima que requiere el sistema y el caudal correspondiente para cumplir con los requisitos de las unidades terminales. Uno de los procesos que garantiza físicamente estos caudales es el equilibrado de la red hidráulica. La modelación permite verificar si se cumplen los requisitos del sistema sin la necesidad de repetidos experimentos invasivos, los cuales son muy difíciles y costosos de realizar en la práctica. A continuación se exponen los pasos de la modelación hidráulica de los CSAF: 1. Caracterización del agua mediante sus propiedades físicas adaptadas al proceso. 2. Obtener los datos de la red de distribución y sistematizar su configuración. 3. Modelación matemática de la bomba. 50 �CAPÍTULO 2 4. Modelación matemática de las pérdidas de las unidades terminales de cada local. 5. Sistematización de las características de los componentes para el equilibrado hidráulico. 6. Trazado espacial de la red de distribución y sus componentes. 7. Asignación de los caudales necesarios a cada unidad terminal para extraer el calor. 8. Obtener el modelo matemático de la red hidráulica que responda favorablemente a los cambios operacionales posibles del CSAF, definiendo los valores de caudal y presión para el cálculo de la potencia eléctrica requerida por la bomba. Los SCCAH envían el agua del evaporador hacia la succión de las bombas del CSAF, a la temperatura prefijada en la consigna de la enfriadora. El valor sugerido por los fabricantes y las firmas especializadas es de 7 ± 0,3 oC [45, 46, 139]. No obstante, la configuración general de los sistemas en los que se emplean los CSAF a flujo variable, poseen un colector común en el que confluye el agua que no se envía a las unidades terminales debido a las cargas parciales y el agua que retorna del intercambio térmico del edificio. La Figura 1 del Anexo 8 permite comprender esta configuración, y la Tabla 1 las propiedades termo-físicas del agua. La configuración de la red hidráulica para un CSAF a flujo variable está caracterizada por ser una red mallada, con sistema de tuberías de retorno directo (ver Figura 2, Anexo 2). La tendencia actual es utilizar tuberías de PVC garantizando menores pérdidas de carga. Por su parte el accionamiento electromecánico está compuesto por el convertidor eléctrico, motor y transmisión mecánica acoplada a la máquina receptora [154]. En los CSAF estos elementos se traducen en: variador de velocidad, motor asincrónico de inducción, y un acoplamiento directo con una bomba centrífuga. La carga está constituida por una compleja red hidráulica, con tuberías, accesorios, válvulas para el equilibrado y unidades terminales. En el caso del motor, recibe la potencia eléctrica modulada en tensión y frecuencia por un VV, entregando a su vez una potencia mecánica de rotación a la bomba centrífuga. El procedimiento determina la potencia eléctrica necesaria en el bombeo para cada variante de ocupación, consecuencia de evaluar en la expresión 2.18 [83-85], el caudal total y la altura requerida por el 51 �CAPÍTULO 2 sistema hidráulico para garantizar el confort en cada variante de ocupación. Peb = ρ gHQ ; kW 1000ηbη m (2.18) En la expresión anterior: ρ es la densidad del agua (kg/m3); g aceleración de la gravedad (m/s2); H es la altura de carga requerida en el CSAF (m), Q el caudal de agua requerido en el CSAF (m3/s); ηb y ηm los rendimientos de la bomba y del motor respectivamente (adimensional). Ahora, mediante las leyes de proporcionalidad se puede determinar la velocidad de rotación requerida en la bomba centrífuga. Los fabricantes de unidades terminales brindan en sus catálogos la relación entre el flujo de agua y las pérdidas de carga entre otras características (ver Anexo 3). La modelación de la red hidráulica se realiza a partir de los caudales que requieren las unidades terminales utilizadas. Cada componente que interviene en el equilibrado hidráulico (válvulas de: equilibrado, control, compensación y controladoras de presión) realiza funciones específicas de acuerdo con su posición en la red. La propiedad más importante de estas válvulas es la capacidad de variar la pérdida de carga para lograr los caudales y presiones necesarias. Las válvulas más utilizadas son las de equilibrado y se caracterizan por una expresión que relaciona el coeficiente de variación de flujo Kv, el caudal (Qve) en l/h y las pérdidas de carga (∆p) en kPa [87]. Kv = 0, 01 ⋅ Qve ∆p (2.19) En las Figuras 3, 4 y 5 del Anexo 4 se aprecian los resultados de los modelos que se obtuvieron para los tres tipos de válvulas de equilibrado del caso de estudio, los cuales relacionan el Kv con el número de vueltas. Con Kv, se determina las pérdidas de carga para un determinado caudal. En esta investigación, para el cálculo hidráulico se seleccionó el Método del Gradiente en base a sus bondades algorítmicas y asumiendo: la correcta utilización de las dimensiones de la red vistas a través de sus tramos, las alturas de los nodos, el correcto ensamblaje de las matrices que definen la topología de la red, la utilización precisa del modelo de la bomba y considerando, además, que en el nodo de retorno (donde concluye la red y coincide con la posición donde se 52 �CAPÍTULO 2 encuentra la válvula de compensación) se tiene un caudal equivalente a la suma de los caudales necesarios en cada unidad terminal en uso. Nótese que el caudal que circule por el CSAF, también constituye información básica para el cálculo de parámetros del trabajo por compresión junto con la información de la carga térmica. El flujo de agua necesario en las unidades terminales, ya sea para cargas máximas o parciales, se puede calcular utilizando la expresión del calor [61, 62, 155], pero no debe olvidarse que estos flujos también dependen de la topología de la red hidráulica. La circulación del caudal está relacionada con la energía que el accionamiento electromecánico de la bomba le entregue al fluido. Para controlar este accionamiento, al VV se le asigna un valor de consigna de la presión a mantener en cierta zona del CSAF, que inicialmente corresponde al valor sugerido durante el diseño (en función de los flujos esperados en cada habitación del hotel), y este valor de consigna puede ser ajustado en cualquier momento. El valor de la presión se garantiza con el correspondiente valor de la velocidad del accionamiento y el proceso de ajuste se realiza mediante un algoritmo de control PI incorporado [42, 97]. A partir de las variables y las interrelaciones que se establecen en el algoritmo de la Figura 2.4, se puede encontrar para una ocupación dada, la velocidad mínima de la bomba que garantice que los caudales sean suficientes para que el CSAF funcione adecuadamente. Conocidos para la bomba: Vn (velocidad de rotación nominal); Qn (caudal nominal); y Hn (altura de carga nominal). Sean, además, las variables: Vi (velocidad de rotación mínima; Vi0 es la velocidad de rotación mínima inicial que en este caso se toma positivo y se corresponde con la menor potencia permisible en el motor para evitar su saturación); Va (velocidad de rotación máxima; Va0 es la velocidad de rotación máxima inicial que en este caso se toma igual a Vn); e (condición de parada del algoritmo, positiva y cercana a cero); Qa y Qi (valores mínimos de los caudales calculados respectivamente para Va y Vi); Ha y Hi (valores mínimos de las presiones calculadas respectivamente para Va y Vi); δQ (cota para el módulo de la diferencia máxima entre los caudales requeridos y calculados en las unidades terminales); QUTE (caudal requerido en una 53 �CAPÍTULO 2 unidad terminal); y QUTR (caudal real en una unidad terminal). Además se considera la ecuación que relaciona caudal y presión de la bomba H = -A·Q2 + C donde sus coeficientes A y C son funciones de la velocidad de rotación de la bomba. También se tienen restricciones especiales con respecto a la presión mínima en las unidades terminales y en el nodo crítico (donde el fluido vence la altura geométrica máxima en su retorno). Figura 2.4. Algoritmo para determinar la velocidad de operación de la bomba del CSAF. Puesto que, para cada ocupación particular del hotel, el sistema hidráulico adquiere una determinada topología, una tendencia actual consiste en calcular en cada caso un nuevo valor de consigna de la presión. Entonces resulta esencial encontrar para cada ocupación una velocidad tal, que garantizando los flujos necesarios para cada ocupación, se minimice la potencia eléctrica. Al minimizar la velocidad, también se minimiza el consumo energético por bombeo. 2.2.4 Modelación matemática para el cálculo de la potencia eléctrica del trabajo de compresión en la unidad enfriadora 54 �CAPÍTULO 2 La pretensión de esta modelación es evaluar en el ciclo de refrigeración de una etapa, los efectos en los requerimientos de potencia eléctrica que representan las diferentes combinaciones de ocupación de los locales. A pesar de existir expresiones determinísticas para el cálculo de trabajo de compresión, estas no tienen como finalidad predecir el desempeño real de los compresores, sino mostrar las relaciones entre las variables importantes [47, 62]. Por otra parte, los fabricantes proporcionan los datos de funcionamiento de los equipos de refrigeración en forma de gráficos o tablas que recogen la capacidad y la potencia en correspondencia con las temperaturas de evaporización y condensación (ver figura 1, Anexo 9). Como los gráficos de potencia no siempre están disponibles y el ciclo teórico puede modificarse para que se parezca bastante a los sistemas reales [47, 62], entonces se plantean los pasos siguientes que permiten determinar la potencia del compresor para un ciclo de refrigeración de una etapa insertado en un SCCAH: 1. Determinación de las entalpías del gas refrigerante en el ciclo de compresión. La temperatura de condensación debe ser de 5 a 12 oC superior a la del fluido que absorbe el calor que entrega el refrigerante en el condensador. Para los condensadores enfriadores por agua se elige de 5 a 6 oC y para los enfriados por aire de 8 a 12 oC [92]. La temperatura del medio de enfriamiento utilizado en la presente investigación corresponde a la temperatura ambiente para las condiciones climatológicas de la localidad, y la temperatura de condensación 8 oC superior a la temperatura ambiente. La temperatura de evaporización se elige en aproximadamente 5 oC inferior a la temperatura de salida de agua de la enfriadora. A partir de las temperaturas de condensación y de evaporización y con la ayuda del diagrama de presión-entalpía del gas refrigerante (ver Figura 2, Anexo 9) o mediante tablas, se buscan las presiones de trabajo y las entalpías del ciclo que se presentan en la Figura 2.5. h6 - entalpía de vapor saturado a la entrada del compresor; kJ/kg. h2 - entalpía teórica del vapor sobrecalentado a la salida del compresor; kJ/kg. h5 - entalpía del líquido saturado; kJ/kg. h4 - entalpía de la mezcla saturada a la entrada del evaporador; kJ/kg. 55 �CAPÍTULO 2 Figura 2.5. Esquema funcional simplificado de un SCCAH. 2. Determinación del trabajo isentrópico. WRe al= h2 ´−h6 = h2 ´ (2.20) ( h2 − h6 ) + h ηs 6 (2.21) En estas expresiones: WReal es el trabajo real de compresión (kJ/kg), h2′ la entalpía real del gas refrigerante a la descarga del compresor (kJ/kg) y ηs el rendimiento isentrópico (adimensional). 3. Determinación del flujo másico necesario del refrigerante. N= mR ⋅ Wreal C mR = (2.22) mCPAF ( h7 − h8 ) ( h6 − h5 ) (2.23) QR ⋅ θ ( h7 − h8 ) (2.24) mCPAF = Donde: Nc = Pec - potencia eléctrica requerida por el compresor; kW. QR - carga térmica máxima a extraer del edificio; kW. mR - flujo másico de refrigerante; kg/s. mCPAF - flujo másico del agua por el evaporador (constante); kg/s. 56 �CAPÍTULO 2 h5 - entalpía del refrigerante (R22) a la entrada del evaporador; kJ/kg. h7, h8 - entalpía del agua a la entrada y salida del evaporador respectivamente (kJ/kg). En este caso h8 depende de la temperatura de salida del agua en la enfriadora. θ - factor de diversidad; adimensional. La determinación del flujo de agua al evaporador, se realiza en función de la carga térmica de enfriamiento máxima a vencer para todos las habitaciones ocupadas, afectada por el factor de diversidad, que en la literatura consultada [21] se toma como 0,85. 4. Balance de masa y energía en el punto de mezcla en el colector del SCCAH. En la Figura 2.6 el punto de mezcla en un SCCAH es donde confluyen el agua de retorno del CSAF y el flujo de agua que se bifurca en el colector común, debido a las cargas parciales. Figura 2.6. SCCAH simplificado: balance de masa y energía en el punto de mezcla. La cantidad de estos dos fluidos y su temperatura determinan la temperatura del agua de entrada al evaporador. De esta temperatura depende la entalpía h7 y para determinar su valor, se hace necesario realizar un balance de masa y energía en el punto de mezcla A partir del análisis de la Figura 2.6 se obtiene la siguiente expresión de balance. mr Cptr + mc Cptc = mCPAF Cpt7 (2.25) Donde: mr - flujo másico de agua que retorna en correspondencia con la carga parcial; kg/s. mc - flujo másico del agua a través del colector común; kg/s. tr - temperatura de retorno del agua; K. 57 �CAPÍTULO 2 tc - temperatura del agua a través del colector, se considera igual a la temperatura del agua a la salida de la enfriadora; K. t7 - temperatura de entrada del agua al evaporador; K. Cp - calor específico del agua (kJ/kg.K). Como mc = mCPAF - mr al sustituir mc en (2.26) se tiene que: mr ⋅ Cptr + (mCPAF − mr ) ⋅ Cptc= mCPAF ⋅ Cpt7 (2.26) Para determinar el valor de tr es necesario determinar mr a partir de las respuestas de la modelación hidráulica. En correspondencia, tr se determinará por el valor medio ponderado de todas las temperaturas de salida de cada unidad terminal en funcionamiento. 5. Determinación de la temperatura y la entalpía del agua en la entrada del evaporador. Al considerar el valor de Cp constante debido a la pequeña variación en el intervalo de temperaturas que se manifiestan en el proceso, se tiene que la temperatura del agua en la entrada de la enfriadora se determina por: = t7 mr mr ⋅ t r + tc − ⋅ tc mCPAF mCPAF (2.27) 6. A partir del valor de t7 se puede determinar la entalpía del agua (h7) en estas condiciones. Teniendo en cuenta las diferentes consideraciones y expresiones anteriores, la potencia eléctrica requerida para el trabajo de compresión se determina mediante la expresión 2.28. = Pec mCPAF (h7 − h8 ) ' ⋅ h2 − h6 ; kW (h6 − h5 ) (2.28) Si se toman temperaturas de salidas diferentes a las requeridas por las cargas térmicas parciales de las habitaciones ocupadas, entonces: o se incumplen los parámetros de confort, o se incrementa innecesariamente la demanda de potencia eléctrica; generalmente el problema tecnológico más común es: encontrar la temperatura de salida que mantenga el confort con el menor gasto de energía. Es práctica usual que el control de la temperatura de salida del agua de la enfriadora se realice bajo criterios incorporados por los fabricantes; las variantes más comunes 58 �CAPÍTULO 2 toman como referencia la temperatura de salida o la temperatura de entrada. La ASHRAE reconoce la existencia de 18 modelos entre estadísticos y dinámicos, que en algunos casos sugieren el cambio de la temperatura de envío, los cuales emplean desde métodos estadísticos hasta la inteligencia artificial para su solución [156]. Sin embargo, el uso de la ocupación como variable no ha sido abordado de forma exhaustiva, máxime por su significado en los actuales SCCAH a flujo variable. El incremento de la temperatura de salida del agua de la enfriadora incrementa su eficiencia. En los sistemas a flujo constante, resulta una regla básica mantener esta temperatura tan alta como sea posible. Sin embargo, en los sistemas a flujo variable, no siempre es el método más eficiente de operación. La razón está dada en que el incremento de la temperatura del agua, requiere de más agua y energía eléctrica para satisfacer la carga de enfriamiento [67]. Para las condiciones de operación de los SCCAH en Cuba, Monteagudo en el 2005 propuso una vía para elevar la temperatura de salida del agua de la enfriadora considerando las variables climatológicas, demostrando que para similares ocupaciones esta variable puede asumir valores energéticamente racionales [37]. Por otra parte, Montelier en el 2008 de forma similar y partiendo de un modelo de consumo de energía eléctrica de la enfriadora optimiza mediante algoritmo genético esta temperatura de salida [19]. El nuevo enfoque que aquí se presenta sugiere la integración de los componentes térmicos e hidráulicos de los CSAF y permite proponer valores adecuados de temperatura de envío atendiendo a los valores de la principal variable considerada en esta investigación: la ocupación. Los sistemas de enfriamiento de las habitaciones son todos semejantes y la eficacia de su funcionamiento depende del flujo constante de agua que le llega con cierta temperatura t8 (temperatura de salida del enfriador), que para la carga térmica de enfriamiento de la habitación facilita llevar la temperatura en esta hasta el valor de confort. Basado en las consideraciones que se tuvieron en cuenta durante la modelación térmica de las habitaciones, puede asumirse que mantener el confort en las habitaciones ocupadas es 59 �CAPÍTULO 2 equivalente a mantener un valor constante de la temperatura de la habitación (24 oC). Durante el diseño del CSAF se fijan los valores nominales de t8 y de tr como valores estándares que, debido a la variabilidad de las cargas térmicas, conducen a situaciones de uso irracional de la energía en el enfriador o a situaciones de falta de confort en las habitaciones. Siendo variable (en cada habitación y en el tiempo) la carga térmica de enfriamiento, entonces en esta modelación, pueden considerarse variables o constantes, la temperatura de salida de la enfriadora t8 (entrada a las habitaciones) y la temperatura de retorno de las habitaciones tr. A cada habitación i (unidad terminal) entra un caudal de agua a la temperatura t8 y sale a una temperatura ti. La temperatura ti depende del caudal de agua que circula en la unidad terminal, de la carga térmica de la habitación (CTEi) y del calor específico del agua a estas temperaturas Cp(t). Estas magnitudes se pueden relacionar a través de la expresión del calor [155, 157, 158], ti = CTEi m= ρ QUTi i ∫ Cp (t ) dt t8 t8  ti   ∫ Cp (t )dt − ∫ Cp (t )dt   0  0 (2.29) donde mi es el flujo másico, ρ es la densidad del agua y Quti es el flujo volumétrico de agua en la unidad terminal (determinado en el cálculo hidráulico) . El valor de tr se puede calcular como:  HDO   HDO  tr =  ∑ miti  /  ∑ mi   i =1   i =1  (2.30) Entonces el valor de t7 se puede calcular mediante la expresión 2.27. Debido a que la temperatura de confort en las habitaciones es de 24 oC y ésta se alcanza cuando ti sea constante e igual a 12 oC, entonces de lo que se trata es de encontrar un valor racional de t8 para cada ocupación tal que se garantice que los valores de todos los ti estén cercanos y por encima de 12 oC. Para encontrar el valor racional de t8 debe utilizarse la expresión: t7 CTEHDO = mHDO ∫ Cp (t )dt (2.31) t8 Donde mHDO es el flujo másico para la ocupación y CTEHDO es su carga térmica. El valor de CTEHDO puede asumirse a partir de diferentes criterios. Uno de ellos es tomarlo como 60 �CAPÍTULO 2 el valor medio de todos los valores de carga térmica en las habitaciones durante todo el tiempo que se analice, pero si es acentuada la variabilidad de estas cargas térmicas entonces algunas habitaciones pueden llegar a tener temperaturas significativamente diferentes a las de confort. La variante que se propone es tomar a CTEHDO como la suma de este promedio más tres veces la desviación estándar correspondiente; en esta variante el consumo de energía en la enfriadora toma valores medios racionales y al mismo tiempo es de un 99 % la probabilidad de que el CTE de cualquier habitación esté por debajo. Otra posible solución es tomar CTEHDO como el valor máximo de las cargas térmicas de manera que t8 será la menor de todas las que se necesitan. En este caso algunas habitaciones llegarán a tener temperaturas menores a las de confort (cuestión que puede regularse con el control de la habitación) y no se controla el consumo de energía en la enfriadora. 2.2.5 Algoritmo resumen para el cálculo de la función objetivo Una vez descritos los elementos del análisis externo y el análisis interno de la tarea de ingeniería, y específicamente los elementos de la modelación matemática, se llega a la definición en detalles de la función objetivo, la cual resulta de la suma de las expresiones 2.18 y 2.28 Pt = m (h − h ) ρ gHQ + CPAF 7 8 ⋅ (h '2 − h6 ) ; kW 1000ηbη m (h6 − h5 ) (2.32) La Figura 2.7 muestra el algoritmo que integra los cálculos de las variables del sistema a la función objetivo. En la estrategia general de modelado, se determinan los caudales de agua en las unidades terminales, y a partir de los valores de las cargas térmicas de enfriamiento de cada local, determinados por los modelos en RNA, se calcula los cambios de temperatura del agua. De los resultados de la carga térmica se pueden utilizar sus diferentes variantes (valor nominal, parcial, promedio del día o máxima para el año). 61 �CAPÍTULO 2 Figura 2.7. Algoritmo para obtener los resultados de las variables de la función objetivo. Se evalúa en el modelo de la red hidráulica, el efecto de las distintas variantes de ocupación. Para cada variante analizada se define la velocidad de rotación de la bomba que garantiza los caudales en las unidades terminales con el menor requerimiento energético y el valor de presión correspondiente. En cada corrida se obtienen las informaciones de las presiones en los nodos y los caudales en los tramos mediante la vigilancia del cumplimiento de los parámetros hidráulicos en unidades terminales, válvulas de equilibrado y en el nodo crítico del CSAF. De forma paralela se determina mediante el ciclo de compresión del gas refrigerante, la potencia necesaria en el compresor que permita extraer el calor absorbido por el agua, según los pasos descritos en el epígrafe 2.2.4. En el Anexo 4 aparecen los datos específicos de los elementos de equilibrado hidráulico para el caso de estudio a emplear en la investigación; y en el Anexo 6 la descripción de la metodología y los datos considerados para establecer la línea base de la modelación térmica del edificio. 2.3 Algoritmos para la organización de los procedimientos de cálculo En esta investigación, la operación eficiente de los SCCAH se formula a partir de una estrategia de ocupación de los locales. Esta estrategia es en principio una tarea de optimización combinatoria ya que cada ocupación (de un conjunto finito de ocupaciones posibles) debe evaluarse en la función objetivo para determinar cuál de ellas la minimiza. Si no es excesiva la magnitud del total de combinaciones, entonces se aplican Algoritmos de Búsqueda Exhaustiva; 62 �CAPÍTULO 2 en caso contario deberá aplicarse otro método, eligiéndose los Algoritmos Evolutivos. Las opciones de ocupación son representadas mediante una cadena de caracteres 1 y 0 que significan la ocupación o no de la habitación. Las opciones pueden ordenarse en una lista, a cada opción le corresponde biyectivamente un número natural que representa su posición en la lista. 2.3.1 Algoritmo del procedimiento para la optimización energética de la operación de los sistemas de climatización centralizados todo-agua a flujo variable En la Figura 2.8 se muestran los componentes del modelo matemático conceptual de preparación y toma de decisiones, y se muestra una síntesis del procedimiento general de la operación eficiente de los SCCAH con CSAF a flujo variable en hoteles, cuya estrategia de ocupación tiene un fundamento general que puede considerarse de carácter combinatorio y evolutivo. Para determinar el conjunto de variantes de ocupación, se hace necesario conocer cuáles son las D habitaciones disponibles. Este conjunto constituye la base del universo combinatorio de búsqueda para aplicar la Estrategia Ocupacional bajo Criterios Energéticos y para esto debe conocerse la solicitud de ocupación HAO en la Recepción del hotel. Si la cantidad de HAO es menor que D se calcula el valor de MVCR. Si HAO = D entonces la solución es única. Figura 2.8. Procedimiento para la operación eficiente de los CSAF en SCCAH a flujo variable. 63 �CAPÍTULO 2 Por ejemplo, D = 10 y HAO = 4, se tiene que: MVCR = D! 10! = = 210 (D-HAO)! HAO! (10-4)!4! En correspondencia con el valor de MVCR y la capacidad de cómputo disponible, se selecciona el método de optimización a utilizar y éste es complementado con un proceso de toma de decisiones que puede incluir criterios no formalizables en la determinación de la mejor ocupación. Cuando la decisión de la ocupación depende solo de criterios formalizables el resultado del IE converge hacia un óptimo global, en caso contrario el óptimo es local. En la Figura 2.8 MCExh, es la máxima combinatoria exhaustiva; MCxEsc, máxima combinatoria por escalón; THEsc, total de habitaciones por escalón y VME, la máxima cantidad de escalones. La definición de estos valores, define el método de optimización a utilizar. La estrategia computacional que se elabore debe tener en cuenta la laboriosidad de la búsqueda de soluciones mediante códigos variables, por lo cual es recomendable almacenar resultados, favoreciendo la disminución del tiempo de cálculo en caso de coincidencia de variantes de ocupación. Una consecuencia positiva es que, además, se crean bases de datos y patrones de conocimiento en cuanto a la operación del sistema, que son la base de los denominados sistemas de Diagnóstico y Detección de Fallas [93, 159]. El análisis interno y el análisis externo permiten sustentar los siguientes pasos del procedimiento para la optimización de la operación de los SCCAH con CSAF a flujo variable en hoteles: 1. Determinación de las cargas térmicas de enfriamiento de la edificación para un año característico mediante simulación térmica. 2. Modelación de la carga térmica de enfriamiento de cada habitación y otros locales mediante modelos predictivos basados en RNA. 3. Modelación de la red hidráulica del CSAF mediante el método del gradiente. 4. Establecimiento de las expresiones de cálculo del trabajo de compresión a partir de la interacción entre los modelos térmicos e hidráulicos del sistema. 5. Generación de códigos variables que activen los componentes del modelo termo-hidráulico de la climatización, de acuerdo a una determinada ocupación de las habitaciones del hotel. 64 �CAPÍTULO 2 6. Realizar la optimización combinatoria mediante los algoritmos de búsqueda: exhaustivo simple, exhaustivo escalonado o algoritmo genético según la cantidad de variantes de ocupación a analizar. 7. Proceso de toma de decisiones de la ocupación bajo criterios formalizables y no formalizables sustentando la Estrategia de Ocupación bajo Criterios Energéticos. 8. Selección de la ocupación y ajuste de los valores de consigna de la presión en el CSAF y la temperatura de salida del agua del equipo enfriador. 2.3.2 Algoritmo para la generación del código binario de una variante de ocupación de habitaciones de un hotel si se conoce su número de orden Sea W una ocupación de las T habitaciones del hotel, representada por una cadena de T caracteres 0 y 1. De ellas se tienen HO ocupadas y HOP asignadas directamente a clientes (representadas todas para el análisis ocupacional por 1) y D están disponibles (representadas por 0). Las HFS habitaciones que están fuera de servicio no son incluidas en este análisis. Por ejemplo, sean T = 20, D = 10 y HAO = 4 y sin perder generalidad supóngase que W está dado por la cadena de caracteres 11100101001101000110. Considérese la sub-cadena O = W4W5W7W9W10W13W15W16W17W20 = 0000000000 y sea O1, O2,…, O210 la lista ordenada de MVCR = 210 ocupaciones posibles de las HAO = 4 habitaciones solicitadas cuando se tienen D = 10 disponibles. Cada opción de ocupación Oi puede interpretarse como un número binario (base 2) cuya equivalencia en la base numérica 10 es un número entero Bi y esto garantiza la existencia de una ordenación única de estas cadenas binarias y de las ocupaciones asociadas. En el ejemplo que se ha descrito, las posibles ocupaciones son: O1 = W4W5 W7W9 W10W13 W15W16 W17W20 = 0000001111, B1 = 15 O2 = W4W5 W7W9 W10W13 W15W16 W17W20 = 0000010111, B2 = 23 O3 = W4W5 W7W9 W10W13 W15W16 W17W20 = 0000011011, B3 = 27 O4 = W4W5 W7W9 W10W13 W15W16 W17W20 = 0000011101, B4 = 29 O5 = W4W5 W7W9 W10W13 W15W16 W17W20 = 0000011110, B5 = 30 … O210 = W4W5 W7W9 W10W13 W15W16 W17W20 = 1111000000, B210 = 960 65 �CAPÍTULO 2 Nótese que algunas de estas combinaciones tienen secuencias consecutivas de todos sus 1. Estas serán denominadas Secuencias Compactas. Entre ellas están: O1, O5 y O210. Insertando correctamente cada variante seleccionada Oi en la cadena W se tendrá establecida la nueva ocupación del hotel Wi que deberá ser evaluada desde el punto de vista energético. El algoritmo para la generación de códigos binarios que representan la ocupación obtiene eficientemente el código Oc correspondiente al número de orden c de la ocupación. En su primer paso se establece el intervalo de búsqueda con el fin de aumentar la eficiencia del procedimiento. Para ello se determina entre cuales Secuencias Compactas está la secuencia pedida; los órdenes de estas secuencias se denominarán S1 y S2. A continuación se determina si el orden de la secuencia buscada está más cerca de S1 (búsqueda ascendente) o de S2 (búsqueda descendente) y, entre los valores de B, el mejor valor de comienzo de la búsqueda en el próximo paso y a este, se le denomina h. El seudocódigo correspondiente puede verse en el Anexo 10. En el segundo paso, para h, h+1, h+2,… se determinan cuáles de las cadenas binarias correspondientes tienen como suma de sus dígitos el valor HAO y de esta forma identificamos cuáles de ellas representan la ocupación de HAO habitaciones de D disponibles. Enumerando a partir de h estas cadenas, podemos encontrar para la cadena de orden c la cadena binaria correspondiente. El seudocódigo correspondiente puede verse en el Anexo 11. 2.3.3 Optimización por el método exhaustivo simple Como puede observarse en la Figura 2.10, la esencia de este método es evaluar la función objetivo en todas las opciones y seleccionar aquella que la minimice. Una variante que enriquece el método es guardar un conjunto de las mejores soluciones factibles para seleccionar entre ellas aquella que sea la más compatible respecto a condiciones no formalizables. En este algoritmo, las variables que caracterizan la ocupación que se seleccione como óptima son: S (orden que ocupa en la lista) y Zmin como valor del IE para la ocupación de orden S. El algoritmo se inicia asumiendo que los valores por defecto son S = 0 y Zmin = ∞. Se utiliza como contador la variable i y para i = 1,2,…, MVCR se obtiene la ocupación Wi. Si esta 66 �CAPÍTULO 2 ocupación es factible, entonces es evaluada en la función objetivo obteniéndose los valores Z. Ahora se compara Z con Zmin. Cuando el primero es menor que el segundo se asume que S=i y Zmin = Z y además, la nueva solución es almacenada como población de mejores ocupaciones. Después de probar todas las opciones posibles, mediante un sistema de toma de decisiones se determina, entre las mejores soluciones almacenadas, aquella que es más compatible con los criterios formalizables y no formalizables de la explotación hotelera. Figura 2.10. Algoritmo para la optimización mediante el Método Exhaustivo Simple. 2.3.4 Optimización por el método exhaustivo escalonado Si se asume que TT es el producto de MVCR por el tiempo unitario de cómputo necesario para calcular Z para una variante de ocupación, y que TT es mayor que el tiempo disponible para tomar una decisión en la Recepción del hotel, entonces se hace necesario cambiar la estrategia de optimización. La Figura 2.11 representa el algoritmo para dar solución a esta problemática. Conocido el valor total de HAOT = HAO de habitaciones a ocupar, la variante que se propone en esta investigación consiste en aplicar varias veces el método exhaustivo simple explicado en el epígrafe 2.3.3 tomando un nuevo HAO = P < HAOT, a este valor P se le denomina paso del escalón y al método, Exhaustivo Escalonado (ver el algoritmo en la Figura 2.11). Sea E = HAOT mod P. El número de veces que será aplicado el método exhaustivo simple es: • k = HAOT div P, si E = 0; • k = (HAOT div P) +1, si E ≠ 0. En este caso en el último escalón se toma HAO=E. 67 �CAPÍTULO 2 Por ejemplo: si HAOT = 25, D = 31 y P = 7 entonces MVCR resulta 736281, E = 4 y k = 3+1= 4. Figura 2.11. Algoritmo para la optimización mediante el Método Exhaustivo Escalonado. La aplicación del método exhaustivo escalonado genera soluciones óptimas, pero en principio éstas son de menor calidad (en el sentido de la cercanía al óptimo absoluto) que las que se obtienen aplicando el método exhaustivo simple. Esto se manifiesta más en tanto disminuya P, por lo cual se recomienda que el paso sea tan grande como lo permita el valor de TT. La selección del paso también puede estar asociada a criterios numéricos y a criterios no formalizables basados en la experiencia de expertos. También debe considerarse que el escalonamiento se asocie a variantes de preselección sobre grupos de habitaciones semejantes (por ejemplo: vista al mar, piso de ubicación, cercanía dentro del sistema de climatización, etc.). 2.3.5 Optimización mediante computación evolutiva La “Computación Evolutiva” se refiere a una familia de técnicas inspiradas en la simulación del proceso de evolución natural [153, 160]. Hay varias formas de inicializar la Población y es común hacerlo aleatoriamente. Las modificaciones de la población, se hacen generalmente mediante: Selección, Mutación y Cruzamiento; los dos últimos procedimientos conducen a los 68 �CAPÍTULO 2 algoritmos genéticos. En la inicialización como en la modificación de la Población, solo se admiten los individuos aptos o factibles que son aquellos que cumplen con las restricciones del problema. Son varios los criterios de parada en los algoritmos evolutivos, sin embargo el utilizado en el algoritmo genético seleccionado en la presente investigación, se basa en que los mejores individuos no han sufrido cambios significativos en las últimas generaciones. En la Figura 2.12 aparece el algoritmo evolutivo utilizado. En esta figura, cada Oi (i=1,…, MVCR), variante de ocupación de las habitaciones disponibles en el hotel, es un individuo del universo de población. La Población consta de TPI individuos, número definido particularmente por el usuario para cada caso y que no debe ser mayor que MVCR. La selección aleatoria de individuos aptos se hace tomando una cadena de longitud HAO, donde todos sus elementos son 1. Luego se incorporan D-HAO caracteres 0 en posiciones aleatorias. Figura 2.12. Algoritmo para la optimización mediante algoritmo genético. Las mejoras de la población se han programado en dos etapas. En la primera se realizan mejoras sustituyendo el peor individuo de la población por un nuevo individuo, seleccionado aleatoriamente, apto y de mejor resultado al evaluar la función objetivo; este procedimiento se detiene cuando se realice cierto número prefijado de mejoras (ver Figura 1 del Anexo 12). La segunda etapa consiste en tomar el 40 % de los mejores individuos de la Población (Po) y se le realizan mutaciones aleatorias a cada uno de ellos. De la cadena de n caracteres que significa 69 �CAPÍTULO 2 cada individuo, se escogen aleatoriamente dos genes, si son diferentes se intercambian de posición, esto se repite k veces, donde k es inferior a la mitad de la longitud de n. Luego se realizan los cruzamientos entre dos cadenas padres S1 y S2, creándose un hijo h1 de tamaño n (ver Figura 2 del Anexo 12). Los genes iguales de los padres se heredan y los diferentes quedan vacíos; ahora son seleccionados aleatoriamente algunos de los espacios vacíos de h1, completándolos con 1 hasta completar las HAO y el resto de los espacios se completan con 0. Los “hijos” de mejores resultados, sustituyen a los peores individuos de la población. CONCLUSIONES del capítulo: 1. El procedimiento que se presenta como estrategia de modelado, integra la modelación térmica del edificio, la modelación hidráulica de la red, las expresiones para el cálculo del trabajo de compresión y la generación de las variantes de ocupación de los locales. 2. El Indicador de eficiencia Z, expresa el mejor compromiso entre los requerimientos de potencia eléctrica por bombeo y por trabajo en el compresor. La optimización del IE consiste en minimizar los requerimientos de potencia eléctrica durante la operación de los CSAF garantizando las condiciones energéticas racionales de explotación del SCCAH. 3. La modelación térmica se establece a partir modelos basados en RNA para cada local, abarcando las condiciones de un año promedio y se adapta a la variabilidad de la climatología local, definiéndose los caudales necesarios en las unidades terminales. 4. La modelación hidráulica, inserta de manera adecuada a la red a flujo variable en el SME, calculando las pérdidas de energía, los caudales y la velocidad de rotación de la bomba con el respectivo valor de presión, satisfaciendo las diferentes condiciones de ocupación. 5. La generación de variantes de HAO constituye el operador del sistema y debe ser estudiado en función del universo de soluciones del MVCR que cumplan con las exigencias del SME. De la cantidad de combinaciones dependerá el criterio de solución de la función objetivo. 6. Se hace necesario concebir un sistema computacional que permita integrar la estrategia de modelado para la operación de los SCCAH con CSAF a flujo variable, mediante lo cual se indique el valor de la variable de decisión a través de una adecuada EOCE. 70 �CAPÍTULO 3 CAPÍTULO III. IMPLEMENTACIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE OPTIMIZACIÓN ENERGÉTICA PROPUESTO EN UN CASO DE ESTUDIO En este capítulo se presentan los resultados de la implementación del procedimiento para la optimización energética de la operación de los SCCAH con CSAF a flujo variable en climatización centralizada de hoteles. Se ha seleccionado un edificio de tres plantas para la modelación energética de manera que se puedan demostrar los algoritmos del procedimiento. Los objetivos del presente capítulo son los siguientes: - Implementar una aplicación informática que facilite los cálculos debido a la complejidad del trabajo manual con los modelos, mostrando la validación de sus algoritmos y su integración en el procedimiento general. - Desarrollar la simulación termo-hidráulica para diferentes estados operacionales del caso de estudio, mostrando los resultados del proceso de optimización y de la variable de decisión que minimiza el Indicador de Eficiencia. - Realizar una valoración técnico-económica y medioambiental del empleo de EOCE en la explotación hotelera, así como de las herramientas desarrolladas para establecer el procedimiento operacional propuesto. 3.1 Presentación del circuito secundario de agua fría del caso de estudio En el hotel Blau Costa Verde existen siete zonas, las cuales atiende el SCCAH. Se escoge la zona 6, constituida por un edificio de tres plantas con un total de 59 habitaciones. En la Figura 3.1 se aprecian: una vista parcial del edificio, una habitación típica y la sala de máquinas donde se encuentra la bomba de la zona escogida. Las características nominales de la bomba de la zona 6 son: marca STERLING de la serie SIHI 032200B con 28 m3/h de caudal y una carga de 70 m. El motor asincrónico acoplado de forma directa a la bomba es del modelo AM132 – SZA2, con una potencia nominal de 8,8 kW y 3490 rev/min. Al motor se encuentra acoplado un variador de velocidad ALTIVAR 31 [52]. 71 �CAPÍTULO 3 Figura 3.1. Imágenes representativas del CSAF de la zona 6. La red de tuberías es mallada de material PVC. En la Figura 3.2 se muestra una imagen parcial de la red hidráulica y su representación simplificada con los nueve ramales principales. Para la validación de procedimiento se escogen los ramales AC y CD con seis habitaciones cada uno. Figura 3.2. Imagen parcial y esquema simplificado de la red hidráulica. Dentro de los componentes de la red se resaltan, las unidades terminales (fan-coil) y las válvulas de equilibrio (ver Anexos 3 y 4). En la red hidráulica escogida, solo se emplean válvulas de equilibrado a la salida de los patinejos y una de compensación en el retorno de sistema. Para mayores detalles, en el Anexo 13 se presentan más informaciones tales como: la composición general del SCCAH del hotel; los planos de planta del edificio e imágenes del interior de las habitaciones; informaciones constructivas; informaciones del catálogo de la bomba y del variador de velocidad utilizado; datos de los tramos y nodos de la red hidráulica a utilizar en la validación; e imágenes de las válvulas de equilibrio y de las unidades terminales. Condiciones generales para la modelación Para realizar una modelación se deben establecer determinadas fronteras o condiciones sobre las cuales se realiza. En el caso de estudio estas condiciones se definen como: - La cantidad de habitaciones es finita y se consideran las condiciones climatológicas de la región como elemento decisivo en las características térmicas de la edificación, a partir de los datos de la estación climatológica más cercana y los parámetros solares de la localidad. 72 �CAPÍTULO 3 - Como base se toman los datos de la CTE obtenidos con el simulador térmico de edificios de la UABC, correspondientes a los valores horarios para un año promedio. - Se conocen las características técnicas de las unidades terminales (fan-coil), pero no se conocen las efectividades térmicas de la convección forzada. - El análisis individual del CSAF es factible debido a la ausencia de iteración con el CPAF, ya que se emplea un colector común entre ambos circuitos y un flujo constante en el CPAF. - Las condiciones iniciales de operación del CSAF son de presión constante y flujo variable, cumpliéndose los requerimientos del fluido en cuanto a las diferentes trayectorias en la red. - La red hidráulica es mallada, con sistema de tuberías con retorno directo y unidades terminales dispuestas verticalmente entre pisos y horizontalmente en el mismo piso (conexiones en paralelo). Las válvulas empleadas en las unidades terminales son motorizadas, de dos vías y de operación on/off. - Se considera equilibrado el sistema hidráulico y se conocen las características técnicas de las válvulas de equilibrado y de compensación. - Los cálculos del trabajo de compresión se establecen bajo la consideración de un ciclo de una etapa y como refrigerante el R22. - No se consideran significativas las ganancias de calor en las tuberías debido al bajo coeficiente de conductividad térmica del PVC y el buen estado técnico del aislamiento. - El control de temperatura de las habitaciones se realiza entorno al valor normado de 24 oC en condiciones normales de ganancias de calor sensible y latente. 3.2 Implementación de los algoritmos del procedimiento Para lograr la integración entre el análisis externo de la operación de los SCCAH con CSAF a flujo variable, el análisis interno para la modelación matemática, y la simulación del objeto de estudio se elaboró una aplicación informática. La aplicación, denominada “OcupaHotel MTH”, fue programada por miembros del CEETAM mediante el desarrollador Delphi versión 7.0 [161]. La aplicación está compuesta por tres ventanas principales que permiten, dada una ocupación y condiciones ambientales determinadas, realizar los cálculos correspondientes a: la modelación y 73 �CAPÍTULO 3 simulación hidráulica; la modelación y simulación térmica del edificio; y la determinación de las mejores variantes de ocupación, usando los métodos de optimización descritos en el capítulo 2. La aplicación permite sugerir a los explotadores de las instalaciones hoteleras una EOCE que se actualiza sistemáticamente de acuerdo con las restricciones de la operatividad. Se define en cada caso particular, la ocupación, el valor de la presión mínima de trabajo del CSAF y la temperatura más racional de salida del agua de las enfriadoras. 3.2.1 Descripción de la aplicación informática La modelación hidráulica tiene como objetivo principal el cálculo de la potencia eléctrica requerida para el bombeo (ver expresión 2.18), y sustenta sus cálculos en el Método del Gradiente. Para este modelo, la aplicación presenta cuatro ventanas fundamentales con las cuales se logra: la identificación de los nodos y tramos; la elaboración de la matriz de conectividad de los nodos, definiéndose la topología de la red; la introducción de los datos de los tramos y nodos (incluye las pérdidas locales de las unidades terminales, las válvulas de equilibrio, la presión en los nodos conocidos, y el caudal de suministro); y la obtención de la presión del sistema a partir de la solución del algoritmo para determinar la velocidad de rotación mínima de la bomba que se presenta en el epígrafe 2.2.3. Para lograr operatividad, es posible actualizar en cualquier momento los datos de todas las tablas que contienen información de la red. Es necesario definir también: el paso para la búsqueda de la velocidad de rotación de la bomba a partir de las velocidades mínima (valor que asegura la potencia mínima requerida en la bomba y que evita la saturación en el motor) y máxima iniciales; la cota del error para el cumplimiento de la presión en el nodo del punto crítico y en los nodos de las unidades terminal en comparación con el menor valor positivo posible; la cota de error para el cumplimiento de los caudales en los tramos; la viscosidad cinemática (según la temperatura promedio del agua); y el tamaño de la rugosidad de las tuberías. Para identificar los tramos en los que se desean determinados caudales, en correspondencia con los requerimientos térmicos (especialmente en las unidades terminales), se marcan con el 74 �CAPÍTULO 3 identificador X para que el programa identifique estas referencias. Se obtienen los coeficientes de la ecuación de la bomba a partir de la introducción de los datos nominales u otros datos en correspondencia con una respuesta de la red. Adicionalmente se pueden cargar informaciones de otras redes hidráulicas predeterminadas, así como el gráfico de la curva de la bomba. En la Figura 1 del Anexo 14 se aprecia la ventana principal de modelación hidráulica descrita. La modelación térmica tiene como objetivo principal el cálculo de la potencia eléctrica requerida para el trabajo de compresión (ver expresión 2.28). Esta modelación facilita diferentes análisis relacionados con las individualidades de las cargas térmicas de las habitaciones, la obtención de las respuestas térmicas de todo el edificio para una determinada ocupación y condiciones ambientales. Entre otras opciones, se puede determinar cuál es la temperatura de salida del agua de la enfriadora de modo que el sistema funcione más racionalmente. A partir de la selección de una hora y un día del año se obtiene desde una base de datos el valor de temperatura ambiente correspondiente, pero estos datos pueden ser incorporados desde fuentes predictivas como el Departamento de Pronósticos del Instituto de Meteorología o pueden ser el resultado de una medición directa. Estos datos son utilizados para determinar la carga térmica de enfriamiento a partir del modelo basado en RNA de la habitación seleccionada. Para el cálculo de la temperatura de salida del agua de la unidad terminal pueden considerarse: los valores promedios de la simulación térmica, los valores máximos, o el resultado de la carga térmica según el modelo RNA. Conociendo la base de datos de la temperatura ambiente, es posible determinar las cargas térmicas para un año cualquiera, así como las temperaturas de salida del agua esperada en las unidades terminales, considerando los cambios en el Cp (2.29) y los caudales de agua según las condiciones particulares de la red hidráulica en función de la ocupación. Se puede determinar los flujos de agua específicos para cada situación particular de la CTE en caso que se empleen válvulas de control de acción modulante en las unidades terminales. En esta ventana de la aplicación, también se puede determinar la potencia eléctrica que requiere 75 �CAPÍTULO 3 el SCCAH (función objetivo) considerando las variantes: solo la parte térmica del sistema; solo la parte hidráulica; ambas. Este cálculo puede hacerse considerando el valor racional de la temperatura de salida del agua de la enfriadora previamente calculado. Es posible considerar: los caudales que se obtienen de la modelación hidráulica para el cálculo térmico; un porcentaje específico de incumplimiento admisible de los caudales en las unidades terminales; y la activación de la función de penalización de las presiones y velocidades. En la Figura 2 del Anexo 14 se puede apreciar la ventana de la modelación térmica con sus diferentes prestaciones. Desde la ventana para la optimización combinatoria (ver Figura 3, Anexo 14) se introducen los datos de las habitaciones (habitación habitable, si está ocupada o no, la carga térmica base para el cálculo y el grupo de clasificación habitacional), que permite el cálculo del MVCR a valorar para que el sistema tome la decisión del método de optimización a utilizar. Con las opciones de esta ventana es posible seleccionar la cantidad de habitaciones a ocupar, calculándose el total de combinaciones posibles bajo esta restricción. También se puede solicitar para un determinado número de orden, la combinación en números binarios y el equivalente en la base numérica 10. En función de: el MVCR; la máxima combinatoria exhaustiva; y la máxima combinatoria por escalón definidas por el usuario, se refleja el método de optimización que se empleará. Se puede evaluar la función objetivo para una combinación particular con la facilidad de representar el resultado, así como el tiempo de evaluación computacional. Al realizar una búsqueda exhaustiva simple se pueden grabar los resultados y también usarlos en otras corridas. Para la optimización exhaustiva escalonada, previamente debe seleccionarse un estilo de selección de los tres posibles: todos los datos, por grupos o los k elementos que demandan menor potencia bajo determinados criterios. Cuando se escoge la variante por grupos es necesario definir los grupos en los cuales se buscarán las soluciones (estos grupos pueden ser, por patinejos, por pisos, por las habitaciones con vista al mar, etc.). Otro elemento esencial es definir la cantidad de habitaciones por escalón, así como el valor máximo de escalones. Por último, para la optimización con algoritmo genético es necesario: incorporar el tamaño de la 76 �CAPÍTULO 3 población inicial, la cantidad de mejoras aleatorias y el porcentaje de la población que será objeto de mutaciones y cruzamientos. 3.3 Validación de los principales algoritmos del procedimiento En este epígrafe se presenta la validación de los principales algoritmos del procedimiento, para algunos de ellos se emplean informaciones correspondientes al caso de estudio. 3.3.1 Modelo para obtener el código binario de la ocupación Para obtener el código binario de la ocupación a evaluar en la función objetivo y que permite activar las estructuras físicas que definen los parámetros del modelo energético, en primer lugar se inicializa la búsqueda, acotando su resultado con el fin de aumentar su eficiencia (ver epígrafe 2.3.2 y Anexo 10). Luego se encuentra la cadena binaria correspondiente a la ocupación de orden c que se desea evaluar (ver epígrafe 2.3.2 y Anexo 11). Se formalizó mediante la expresión 2.5, la cantidad de variantes a analizar de forma exhaustiva conociendo HAO y D. Los algoritmos anteriores evitan la generación de todos los códigos correspondientes a un determinado valor de HAO y de D para luego ser evaluada la variante que se solicite. Para tener una idea de las dimensiones de MVCR, se presenta en la Figura 2.9 un ejemplo de como para el intervalo de D = 1-59 los valores máximos de MVCR están en el orden de 5.9.1016. Si la búsqueda fuera entre 1-20, los valores estarían en el orden de 180000. En cualquier caso la cantidad de combinaciones es máxima para valores de HAO a la mitad del intervalo de D. La sumatoria del tiempo para la búsqueda de un código específico cualquiera en la aplicación “OcupaHotel MTH”, no supera los 1.10-15 s y la solución de la función objetivo para el código en particular demora entre 1.10-3 s y 0,1 s. Todo esto para una computadora Pentium 4, con un CPU a 2,8 GHz y 512 MB de memoria RAM. Para evaluar la eficiencia en la búsqueda del código variable se elaboró una aplicación en Matlab capaz de generar todos los códigos posibles según HAO y D. Se pudo constatar que para HAO = 29 en D = 59 (MVCR máximo = 5,9.1016) generar solo los códigos en el mismo CPU demora unos 15 minutos. 77 �CAPÍTULO 3 Figura 2.9 Valores que puede alcanzar MVCR para diferentes valores de D y HAO en diferentes intervalos de búsqueda. 3.3.2 Modelación de la carga térmica de enfriamiento Los cálculos de la carga térmica de enfriamiento se realizaron con el simulador térmico de edificios de la UABC, seleccionándose una instalación en un clima tropical, representativa de los hoteles de sol y playa, los predominantes dentro la empresa turística en Cuba. 3.3.2.1 Modelación térmica del edificio mediante simulador El edificio a analizar se encuentra situado a los 21,01 grados de latitud norte y a los 75,93 grados de longitud oeste. Se utilizaron los datos de la estación climatológica más cercana, situada en Cabo Lucrecia en el municipio de Banes, provincia de Holguín. La estación se localiza en la misma franja costera del edificio en estudio. Los valores de temperatura ambiente utilizados corresponden al promedio de los años 2007 y 2008, oscilando entre 20,30 y 32,20 ºC, con valores promedio entre 25 y 29 ºC. En el Anexo 15 se pueden apreciar estas y otras informaciones climatológicas de la localidad así como la certificación de los datos por parte el centro de meteorología provincial. Para tener una idea del comportamiento de la temperatura ambiente diaria, se presenta en la Figura 3.5 el histograma de la variable. 78 �CAPÍTULO 3 Figura 3.5. Histograma de la temperatura ambiente horaria. Un análisis estadístico básico muestra los valores: media aritmética = 26,7 ºC, desviación estándar = 1,898 ºC; coeficiente de variación de un 7,11%; moda = 25,8 ºC, mediana = 26,5 ºC; el histograma tiene asimetría positiva con un coeficiente de 0,0096, sesgada a la derecha, y con una tendencia muy cercana la distribución normal. Solo el 0,08 % de los datos está fuera de control (fuera de los límites del valor medio de la variable +/- tres veces la desviación estándar). Una representación de la variabilidad de las condiciones climatológicas de la localidad a través del comportamiento de la temperatura ambiente se puede apreciar en la Figura 6 del Anexo 15. Los demás datos necesarios para los cálculos de carga térmica aparecen en el Anexo 6 donde se destacan: las características de los muros y sus propiedades térmicas, el régimen de ocupación horario y para el día, los equipos que contienen la habitación, la iluminación, los coeficientes de ponderación de los locales y las temperaturas máximas y mínimas diarias de un año promedio. Los datos de eficiencia del equipo climatizador del local, las dimensiones de las paredes ente otros elementos se introducen en el simulador. Después de sistematizar los datos para el cálculo de las cargas térmicas, se procede a su determinación para cada una de las habitaciones. Los valores máximos que se alcanzaron en los cálculos se pueden aprecian en la Figura 3.7. En esta figura se comparan estos valores con las potencias de enfriamiento nominales de las unidades terminales existentes, FCX - 42 de 3,4 kW y las FCX - 52 de 4,19 kW. Estos valores demuestran que en el 56 % de los casos pudo utilizarse unidades terminales de menor potencia como la FCX - 32 de 2,21 kW y que aproximadamente el 90 % de las unidades terminales están sobredimensionadas. 79 �CAPÍTULO 3 5 4 kW 3 2 1 Potencia de enfriamiento Carga térmica de enfriamiento máxima del año 6101 6104 6107 6110 6114 6117 6120 6203 6206 6209 6212 6216 6219 6222 6302 6305 6308 6311 6315 6318 0 Habitación . Figura 3.7. Valores máximos de la carga térmica de enfriamiento de cada habitación. Las individualidades de la carga térmica de enfriamiento máximas para todo un año promedio se pueden resumir de la siguiente forma: - Siete habitaciones con cargas térmicas de enfriamiento máximas a las 11:00 horas y 27 a las 17:00 horas (se destacan el 66 % de las habitaciones del tercer piso). - 18 habitaciones con cargas térmicas de enfriamiento máximas en tres horarios del día 7:00, 11:00 y las 17:00 horas. - Seis habitaciones con cargas térmicas máximas en los horarios 11:00 y las 17:00 horas. Los valores máximos de las 11:00 horas ocurren solo en aproximadamente el 9 % de los días. - Solo una habitación manifiesta cargas térmicas máximas a las 11:00 y a las 7:00 horas mayoritariamente a las 11:00. Con los resultados de las cargas térmicas de enfriamiento se pueden establecer estrategias ocupacionales basadas en ubicar primero las habitaciones de menor carga térmica [19, 25, 96]. La ocupación promedio del edificio caso de estudio se presenta en la Figura 3.8. Ocupando primero las habitaciones de menor carga térmica, existe una disminución apreciable de la energía a extraer del edificio, lo que representa una menor potencia de enfriamiento a utilizar Figura 3.8. Ocupación promedio anual del edificio de la zona 6 del hotel. 80 �CAPÍTULO 3 En la Figura 3.9 se puede apreciar las diferencias entre la carga térmica de enfriamiento para la ocupación promedio y la misma ocupación pero con estrategia ocupacional. 140 120 100 kW 80 60 40 20 1 15 29 43 57 71 85 99 113 127 141 155 169 183 197 211 225 239 253 267 281 295 309 323 337 351 365 0 Ocupación promedio Estrategia ocupacional Días del año Ocupación máxima Ahorro con estrategia ocupacional Figura 3.9. Diferentes comportamientos de la carga térmica del edificio. En los días del año en que la ocupación es menor y la temperatura ambiente es más elevada se aprecia una mayor efectividad de esta estrategia ocupacional. 3.3.2.2 Modelación térmica del edificio mediante redes neuronales artificiales Se desarrolló una aplicación en Matlab basada en el método de prueba y error, capaz de realizar de manera ininterrumpida el aprendizaje de las RNA. En el Anexo 7 aparecen los códigos del programa principal para el aprendizaje, los códigos que permitieron extraer los coeficientes matriciales de cada uno de los modelos de carga térmica de enfriamiento de las habitaciones y otras aplicaciones necesarias para esta modelación. Los resultados generales de la modelación térmica de las 59 habitaciones del edificio se presentan en la Figura 3.10. Figura 3.10. Resultados de la modelación de la carga térmica de enfriamiento con RNA. 81 �CAPÍTULO 3 Las variables independientes escogidas fueron, la temperatura ambiente, la hora del día y el día del año. La variación del porcentaje de los datos para el entrenamiento se realizó desde el 20 % hasta el 50 % con un incremento progresivo del 10 %. Los mejores resultados se obtuvieron con el 20 %. Fue necesario, escoger los datos de forma distribuida a lo largo de todo el año con intervalos iguales, lo cual garantizó una adecuada representación de las estacionalidades. La validación de los modelos se realizó con el 100 % de los datos. La estructura de RNA que mejor se adaptó en todos los casos fue la Feedforward Backpropagation. Se realizaron 100 entrenamientos para cada variante, inicializándose en cada uno los pesos, y el número máximo de neuronas en la capa intermedia para el aprendizaje se estableció en 50. El incremento de la cantidad neuronas en la capa intermedia fue desde tres hasta 50 con un paso de una neurona en cada prueba. La mejor función de entrenamiento, válida para todos los modelos fue trainlm. Las estructuras de las RNA coincidieron en una capa de entrada con función de transferencia tansig, una capa intermedia tansig y una capa de salida purelin. La cantidad de neuronas en la capa de entrada en todos los casos fue de tres y en la capa intermedia varió entre 4 y 30, según puede apreciarse en la tabla del Anexo 16. La tabla contiene el coeficiente de correlación entre los valores reales de carga térmica de enfriamiento y los predichos por la RNA, así como el error de los modelos. 3.3.3 Modelación de la red hidráulica Para implementar el algoritmo de la modelación hidráulica, fue necesario realizar pasos intermedios como el de adaptar la aplicación CAD desarrollada por Hechavarría en el 2009 [81] (“AutoProyect”, referida a las redes de distribución de agua), a las condiciones de las redes malladas de los CSAF (ver Figura 3.11). La nueva aplicación se denomina “ColdWater”. Para lograr esta adaptación fueron programadas por Hechavarría en VISUAL-LISP [162] un conjunto de códigos para facilitar el equilibrado y la operatividad de la red. Como aspecto novedoso se destaca, la adaptación de las válvulas de propósito general y las de ruptura de carga que permiten considerar las pérdidas hidráulicas correspondientes, en función de los parámetros 82 �CAPÍTULO 3 de las unidades terminales y las válvulas de equilibrado respectivamente. Figura 3.11. Vista de los tramos AB y CD de la red hidráulica con la aplicación CAD. En la ventana de la aplicación CAD de la Figura 3.11 según las preferencias del cliente se pueden visualizar: los códigos de los tramos y nodos lo cual ayuda a identificar los niveles o plantas del edificio donde se encuentran ubicadas las unidades terminales; la simbología de colores que indican el grado de cumplimiento de las presiones; los caudales y presiones en tramos y nodos luego del cálculo hidráulico; longitudes y diámetros, propiedades físicas de las tuberías y otras opciones útiles para la modelación hidráulica. En el contexto cubano las aplicaciones para diseñar y simular instalaciones especiales, como los CSAF, no van más allá de realizar un análisis de estas redes como si cada unidad terminal fuera un nodo de suministro. Sin embargo, la red es completamente cerrada y opera como si existiera un solo nodo de suministro (nodo de retorno). La aplicación CAD permite a inversionistas en el turismo y otras ramas, hacer análisis hidráulicos adecuados para este tipo de redes. El costo de adquirir una aplicación para el diseño de redes con equilibrado hidráulico mediante válvulas especiales en la empresa líder Tour and Andersson (TA - SELECT 4, TA - Pocket, TA Shunt v.1.2), oscila entre 3000,00 USD y 5000,00 USD [163-165]. 83 �CAPÍTULO 3 Los caudales que se asignan a las unidades terminales en los CSAF a flujo variable, deben estar en correspondencia con los valores de diseño [87]. La configuración ideal de este tipo de red, sería la existencia de una válvula de equilibrado en cada unidad terminal para garantizar la exactitud en los flujos requeridos por las cargas térmicas. Este aspecto no siempre es así, provocando determinadas insuficiencias operacionales. Se realizó el equilibrado hidráulico de la red considerando los modelos de pérdidas de cargas de las unidades terminales obtenidos de los datos de la Figura 3 del Anexo 3. De manera similar se obtuvieron los modelos que relacionan el Kv de las válvulas de equilibrio con respecto al número de vueltas (ver Figuras 3, 4 y 5 del Anexo 4). Todos estos elementos facilitaron el ajuste del modelo hidráulico en la aplicación CAD, respetando las restricciones operacionales (velocidades y presiones en tramos y accesorios especiales, así como los caudales necesarios para el confort). Se validaron los resultados en el software EPANET 2 [79], a partir del fichero ColdWater.inp que genera la aplicación CAD (ver Figura 3.12). No existen diferencias de los resultados del EPANET con respecto a ColdWater, lo cual se puede apreciar al comparar las Figuras 3.11 y 3.12. Figura 3.12 Comprobación en el EPANET de la modelación con el sistema CAD. 84 �CAPÍTULO 3 Por otra parte, una vez reproducida la red hidráulica del caso de estudio con la aplicación CAD, y su comprobación con el EPANET, se tomaron los datos necesarios para integrarlos en la aplicación “OcupaHotel MTH”. Para programar y validar el Método del Gradiente en esta aplicación, se ensamblaron las ecuaciones descritas en la literatura [78]. Figura 3.13. Esquema del ejemplo para validar la funcionalidad del método del gradiente [78]. Se validó el método con el ejemplo resuelto 7.5 del libro “Hidráulica de Tuberías”, que consiste en calcular los caudales y las presiones en el esquema de la Figura 3.9 [78]. En esta red todos los caudales iniciales se suponen de 100 l/s, la presión en el nodo 1 conocido es de 100 mca. Otros datos de la red y el ejemplo resuelto en la aplicación informática se presentan en el Anexo 17. A continuación, en la Tabla 3.1 se exponen los resultados del ejemplo y los calculados, donde la desviación estándar del error porcentual para los caudales en los tramos y presiones en los nodos no supera el 0,23 % y el 0,053 %, respectivamente. Tabla 3.1. Resultados de la validación del Método del Gradiente con la aplicación OcupaHotel. Tramo 1-2 2-3 3-4 5-4 2-5 6-5 6-1 Q. ejemplo Q. calculado Desv. (m3/s) (m3/s) (%) 0,10667 0,10665 0,03658 0,03660 0,00342 0,00340 0,03342 0,03340 0,01009 0,01005 0,05333 0,05336 0,09333 0,09336 Desviación promedio Desviación estándar 0,018749 -0,046473 0,508772 0,050868 0,416254 -0,046878 -0,026787 0,124929 0,234833 Nodo H2 H3 H4 H5 H6 H. ejemplo H. calculado Desv. (mca) (mca) (%) 92,960 92,914 81,358 81,242 81,780 81,667 89,812 89,746 96,727 96,705 Desviación promedio Desviación estándar 0,049 0,143 0,138 0,073 0,023 0,085 0,053 Asimismo, se comprobó que son semejantes los resultados obtenidos mediante las tres aplicaciones para los datos del caso de estudio. El valor óptimo de la presión de envío para las 12 85 �CAPÍTULO 3 habitaciones ocupadas, según, la aplicación CAD es de 34,36 mca. Los resultados de presión y flujo obtenidos con Autocad y Epanet son semejantes a los resultados obtenidos en OcupaHotel para ese valor de presión de 34,36 mca. Cuando se busca el valor óptimo de velocidad en la aplicación OcupaHotel se obtuvo 2287,6 rev/min, el que define una presión de 34,29 mca para un error porcentual de 0,22 %. El análisis de los restantes resultados de los valores de presión y caudales aparece en el Anexo 18. El valor promedio del error porcentual para las presiones es de 1,12 % y para los caudales 0,41 %. 3.3.4 Modelación del trabajo de compresión Para modelar la potencia necesaria en el trabajo de compresión se utilizó el algoritmo del epígrafe 2.2.4. Se destaca que la determinación de las propiedades del refrigerante, es decir, los diferentes valores de las entalpías del ciclo se calculan mediante interpolaciones del tipo Spline cúbicos de los datos [166]. Los datos para la interpolación se obtuvieron de aplicaciones informáticas especializadas como Solkane Refrigerants Versión 3.2 [167] y Refrigeration Utilities versión 1.1 [168]. Posteriormente para validar los cálculos, se comprobaron en la gráfica de presión contra entalpía del refrigerante utilizado (ver Figura 2, Anexo 9). En el caso de estudio, las unidades enfriadoras están concebidas para varias edificaciones (ver Figura 5, Anexo 13), por tanto se decidió modelar la potencia necesaria en el trabajo de compresión, utilizando las expresiones y los pasos contenidos en el algoritmo del epígrafe 2.2.4. Las expresiones utilizadas coinciden con las empleadas por [18, 19, 41] en sus tesis de doctorado aplicadas en SCCAH. Una representación de la dinámica de la potencia eléctrica requerida para el trabajo de compresión, según la ocupación promedio (ver Figura 3.8) del edificio y calculada con la aplicación OcupaHotel, se puede apreciar en el gráfico de isolíneas de la Figura 3.14. En esta figura, es notable que entre los meses de septiembre y octubre, se manifiestan los mayores valores de potencia a pesar de que las condiciones climáticas no son tan desfavorables como en los días más críticos del verano. Esto se debe a la incidencia marcada que tiene la ocupación y la carga térmica por ocupantes (en todas las habitaciones oscila entre 20 y 35 %). 86 �CAPÍTULO 3 o a de d a 20 15 10 5 50 100 150 200 250 300 350 Día del año Figura 3.14. Potencia eléctrica en kW necesaria para el trabajo de compresión según la carga térmica de enfriamiento para ocupación promedio del edificio caso de estudio. 3.4 Validación de la optimización energética Una vez validados individualmente los modelos y los algoritmos computacionales que permiten el cálculo de la función objetivo, es necesario mostrar cómo se integran estos elementos en la determinación de la variable de decisión y las variables intermedias en el caso de estudio. Se estudia la eficiencia computacional respecto a los tres métodos de optimización propuestos en la solución de un mismo problema y la eficacia del modelo que se propone como aporte teórico, mediante la comparación de los resultados obtenidos en la función objetivo cuando se implementan las variantes principales de operación del sistema. 3.4.1 Integración de las variables de decisión a la función objetivo A partir de un ejemplo de 12 habitaciones correspondientes a los patinejos 1(AB) y 2(CD) del edificio de la zona 6 del hotel, se escoge (sin perder generalidad) una configuración inicial que considera cuatro habitaciones ocupadas y ocho disponibles según se muestra en la Tabla 3.2. De dicha tabla se infiere que el total de habitaciones es T = 12, las ocupadas Ho = 4 y las disponibles D = 8, por tanto según el epígrafe 2.3.2 la cadena de caracteres W = 010001100100 y la subcadena O = O1O3O4O5O8O9O11O12, representando a las habitaciones disponibles. Para analizar la eficiencia computacional se escogió la variante de ocupar tres habitaciones 87 �CAPÍTULO 3 (HAO = 3) de ocho disponibles (D = 8) según la tabla 3.2. El número de la habitación, por ejemplo 6319, significa que está en la zona seis, tercer piso y es la habitación 19 del piso. Tabla 3.2 Situación ocupacional antes de la definición de las habitaciones a ocupar. Hab. 6319 6318 6223 6222 6120 6119 6317 6316 6221 6220 6118 6117 HO 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 Patinejo 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 La información general utilizada para la solución del problema con los tres métodos de optimización propuestos en la investigación se puede apreciar en la tabla 3.3. Las definiciones de las nomenclaturas utilizadas en la tabla aparecen en el epígrafe 2.3.1. Tabla 3.3 Datos de configuración necesarios para los algoritmos de optimización. Método de Población Mejoras Mutaciones y Cant. de MCExh MCxEsc THEsc VME optimización inicial aleatorias Cruzamientos variantes Algoritmo 55 7 1 3 8 14 40 % 28 Genético Exhaustivo 55 8 1 3 21 Escalonado Exhaustivo 56 8 1 3 56 Simple Las simulaciones para la optimización energética del sistema a partir de la ocupación se realizaron teniendo en cuenta las variantes de la tabla 3.4. Tabla 3.4. Variantes de operación del sistema a considerar para su optimización energética. Variando la ocupación Variando la velocidad de rotación de la bomba Variando la temperatura de salida del agua de la enfriadora Usando el modelo térmico de las habitaciones Usando el modelo hidráulico del CSAF Variantes de operación 1 2 3 4 5 6 7 X X X X X X X - X - X X - - - X - X X - - X X X X - X X X X X X Se consideraron en todos los cálculos los siguientes datos: Para la modelación térmica: el rendimiento isentrópico de 0,85 en el compresor; coeficiente de simultaneidad de la carga térmica de 0,85; temperatura nominales de envío y retorno del agua a la enfriadora de 7 y 12 oC respectivamente; y valores promedios de las cargas térmicas de enfriamiento para el total del días que estarán ocupadas las habitaciones seleccionadas, 88 �CAPÍTULO 3 independientemente si son obtenidas mediante el modelo de cargas térmicas de enfriamiento mediante RNA, o de las tablas de la simulación térmica del edificio. Para la red hidráulica: eficiencia nominal de 0,88 en la bomba; viscosidad cinemática del agua de 0,00000131 m2/s; rugosidad de la tuberías de 0,0001 m; 30 % de la diferencia de caudales admisibles en las unidades terminales; paso para la búsqueda de los extremos de la velocidad óptima de la bomba de 0,001 con una cota del error de 0,001; y valores iniciales de presión de trabajo del CSAF correspondiente al valor actual de consigna de 500 kPa (51 mca). 3.4.2 Resultados de la optimización exhaustiva simple Los resultados de la búsqueda exhaustiva simple para las diferentes variantes de operación del SCCAH, definieron que la EOCE debe basarse en los resultados de la Tabla 3.4. Las habitaciones señaladas en las celdas con color azul son las que se proponen ocupar, las de color verde ya estaban ocupadas y las de color amarillo son las que quedan sin ocupar. Tabla 3.4.Resultados de las ocupaciones óptimas para el método exhaustivo simple. Variante 6319 6318 6223 6222 6120 6119 6317 6316 6221 6220 6118 6117 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 2 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 3 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 4 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 5 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 6 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 7 Los mejores resultados de las 56 combinaciones de solución, analizadas en cada una de las siete formas de operación de sistema, se resumen en la Tabla 3.5. En esta tabla se recogen las siguientes informaciones: temperatura de salida de la enfriadora (t8), temperatura de entrada a la enfriadora (t7), temperatura de retorno del agua del edificio (tr), potencia eléctrica requerida para el trabajo de compresión (Pec), velocidad de rotación de la BC (N), valor de consigna de la presión de envío del CSAF (He); presión en el nodo de retorno de la red hidráulica (Hr), caudal requerido para la ocupación que se evalúa (Qr), caudal total requerido para la ocupación máxima 89 �CAPÍTULO 3 (Qt); mayor incumplimiento de caudal en las unidades terminales seleccionadas (Incp.Q); potencia eléctrica requerida por la bomba (Peb), indicador de eficiencia (IE), cantidad de combinaciones evaluadas durante la búsqueda (Comb), cantidad de evaluaciones al generar los códigos (EGC), y el tiempo computacional para determinar la solución óptima (t). Tabla 3.5. Comportamiento de las variables en la optimización exhaustiva simple. Variante CTE (kW) t8 (oC) t7 (oC) tr (oC) Pec (kW) N (rev/min) He (mca) Hr (mca) Qr (m3/s) Qt (m3/s) Incp.Q (%) Peb (kW) IE (kW) Comb. E.C.G t (s) 1 7,581 7 7,088 7,159 0,135 0,135 56 225 1,172 2 1943,8 24,5 0,039 0,0012 0,00216 -14,498 0,336 0,336 56 225 467,781 3 2979 51 25,02 0,0012 0,00216 -19,286 0,795 0,795 56 225 52,109 4 8,139 11,965 12,023 12,069 0,072 1943,8 24,5 0,039 0,0012 0,00216 -14,498 0,336 0,409 56 225 460,813 5 8,139 7 7,095 7,172 0,146 1943,8 24,5 0,039 0,0012 0,00216 -14,498 0,336 0,482 56 225 460,329 6 7,581 11,965 12,018 12,061 0,067 2979 51 25,02 0,0012 0,00216 -19,286 0,795 0,863 56 225 53,813 7 7,581 7 7,091 7,164 0,14 2979 51 25,02 0,0012 0,00216 -19,286 0,795 0,935 56 225 53,531 El mejor resultado operacional se obtiene en la cuarta variante, la cual incluye el cambio de la temperatura de salida del agua de la enfriadora en función de las cargas térmicas parciales, y la búsqueda del valor de la velocidad de rotación de la bomba más racional garantizando las restricciones de la red hidráulica. Las variantes en las que no se determina la velocidad de rotación óptima de la bomba (3, 6 y 7), se utilizan sus parámetros nominales para una presión de 51 mca. Pueden utilizarse otros estados iniciales siempre que correspondan con las características de la bomba. En el gráfico de la Figura 3.15 se muestran para la variante de operación cuatro y para todas las ocupaciones posibles, la potencia eléctrica requerida para el bombeo, para el trabajo de compresión y la suma de las dos potencias. Es notable como para las diferentes ocupaciones, la potencia varía indistintamente en correspondencia con los valores de cargas térmicas que aportan 90 �CAPÍTULO 3 las habitaciones y en función de la topología de la red hidráulica. Figura 3.15 Variaciones de la potencias, para el bombeo, para el trabajo de compresión y la suma de ambas potencias para las 56 variantes de ocupación posibles de HAO=3 en D=8. En el Anexo 19 se puede apreciar los resultados de las 56 evaluaciones de la función objetivo en la búsqueda exhaustiva simple. En este anexo, aparece el ordenamiento descendente de las soluciones con respecto al IE en la variante de operación cuatro, coincidiendo los resultados de la primera solución con el resultado presente en las Tablas 3.4 y 3.5 3.4.3 Resultados de la optimización exhaustiva escalonada Para la validación del algoritmo exhaustivo escalonado, se determinó que la mejor variante para esta búsqueda de soluciones consiste en tomar la menor cantidad de habitaciones por escalón (THE=1), y el mayor número de escalones posibles (VME). Esta variante garantiza la mayor rapidez computacional y exactitud en los resultados, lográndose formalizar en la expresión 3.1, el total de búsquedas exhaustivas de paso 1 (TBExh(1)) para cualquier variante de HAO y D. TBExh (1) = 2 ⋅ HAO ⋅ D + HAO − HAO 2 2 (3.1) Al realizar la búsqueda de la Ocupación mediante la optimización combinatoria basada en el método exhaustivo escalonado, se obtienen los mismos resultados de las variables, que con el método exhaustivo simple. La diferencia fundamental entre un método y el otro consiste en la eficiencia computacional, la cual se puede apreciar en el gráfico de la Figura 3.16. 91 �CAPÍTULO 3 Búsqueda Exhaustiva Escalonada Búsqueda Exhaustiva Simple 500 Tiempo(s) 400 300 200 100 0 1 2 3 4 5 6 Variantes de operación del sistema 7 Figura 3.16.Tiempo computacional de las búsquedas: exhaustiva simple y escalonada. 3.4.4 Resultados de la optimización mediante algoritmo genético Al determinarse la ocupación óptima mediante algoritmo genético, las ocupaciones que se proponen pueden ser distintas con respecto a los métodos anteriores. Sin embargo, las soluciones convergen hacia valores muy próximos al IE, con diferencias que no superan 2 % de la potencia eléctrica que como promedio de todas las variantes de operación se requiere para iguales HAO. Estos elementos indican que estamos en presencia de un óptimo local muy próximo al global. La Tabla 3.8 refleja la ocupación encontrada por el algoritmo genético. Tabla 3.8. Resultados de las ocupaciones óptimas para el método algoritmo genético. Variante 6319 6318 6223 6222 6120 6119 6317 6316 6221 6220 6118 6117 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 2 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 3 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 4 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 5 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 6 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 7 Luego de obtener las cadenas binarias de forma aleatoria y aplicarle los operadores genéticos (mutaciones y cruzamientos), los cromosomas resultantes se corresponden con la ocupación a asumir, teniendo en cuenta la medida de aptitud (IE). Los resultados de las variables del sistema para la ocupación de la Tabla 3.8 se pueden apreciar en la Tabla 3.9. 92 �CAPÍTULO 3 Tabla 3.9.Comportamiento de las variables para la optimización con algoritmo genético. Variante CTE (kW) t8 (oC) t7 (oC) tr (oC) Pec (kW) N (rev/min) He (mca) Hr (mca) Qr (m3/s) Qt (m3/s) Incp.Q (%) Peb (kW) IE (kW) Comb. t(s) 1 7,581 7 7,088 7,159 0,135 0,135 26 1,094 2 1968,8 25,8 0,491 0,0012 0,00216 -12,748 0,345 0,345 27 226,015 3 2979 51 25,5 0,00124 0,00216 -14,877 0,822 0,822 25 24,8132 4 8,145 11,965 12,023 12,069 0,072 1968,8 25,8 0,491 0,0012 0,00216 -12,748 0,345 0,418 25 206,14 5 8,139 7 7,095 7,172 0,146 1943,8 24,5 0,0386 0,0012 0,00216 -14,498 0,336 0,482 26 214,172 6 8,172 11,965 12,023 12,069 0,072 2979 51 25,5 0,0012 0,00216 -16,41 0,795 0,868 26 25,516 7 7,58 7 7,091 7,164 0,14 2979 51 25 0,0012 0,00216 -19,286 0,795 0,935 26 25,453 3.4.5 Análisis de los resultados de las variantes de operación del sistema Una vez analizadas las variantes de operación del SCCAH, en específico las variantes que consideran el modelo termo-hidráulico (variantes cuatro, cinco, seis y siete), se puede afirmar que la variante cuatro es la más eficaz. Esto significa que con el procedimiento y la aplicación que se proponen, teniendo como variable de decisión la ocupación, se pueden evaluar y aplicar las siguientes estrategias de la explotación hotelera en cuanto los SCCAH: determinación del valor de consigna más adecuado de la presión en los CSAF, racionalización de la temperatura de envío del agua fría hacia las unidades terminales, cambio de flujo constante a flujo variable, y ocupación de los locales según un criterio energético (hidráulico, térmico o termo-hidráulico). 3.5 Patrón de ocupación energético de habitaciones: variante para garantizar una EOCE A modo de facilitar la implementación de la EOCE, se presenta en la Tabla 3.10 el patrón de ocupación obtenido al ir ocupando de una en una las habitaciones, empleando el método exhaustivo simple. Es decir el orden ocupacional que garantiza los menores requerimientos de potencia eléctrica del SCCAH. También aparecen las variables operacionales que acompañan el patrón, de aquí se seleccionan las consignas de las variables de decisión tecnológicas (He y t8). 93 �CAPÍTULO 3 Es posible con los resultados del patrón de ocupación, comprobar que se cumplen las expresiones de las leyes de proporcionalidad. También se pueden determinar las expresiones matemáticas de las curvas de la BC y la red hidráulica para los 12 puntos de operación propuestos (ver Anexo 20). Tabla 3.10 Patrón de ocupación de las habitaciones analizadas y valores de las variables correspondientes a la EOCE. Para que se tenga una idea del espacio de soluciones alrededor de los puntos de operación para la ocupación patrón, se presenta el gráfico de la Figura 3.17. 90 Altura de carga (m) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 Caudal (m3/s) 0,010 0,012 0,014 Figura 3.17. Familia de curvas de la red y la bomba centrífuga para la ocupación patrón. 94 �CAPÍTULO 3 En la Figura 3.18 se puede comprobar que, según las líneas de los resultados de la función objetivo, los valores de Pt para cualquiera de las cinco secuencias de ocupación elegidas al azar, son superiores a los resultados de la ocupación patrón. 2,0 Secuencia de ocupación patrón Pt(kW) 1,5 Secuencia de ocupación 1 Secuencia de ocupación 2 1,0 Secuencia de ocupación 3 0,5 Secuencia de ocupación 4 0,0 Secuencia de ocupación 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Cantidad de habitaciones ocupadas Figura 3.18. Resultados de la función objetivo para ocupación patrón y otras secuencias. 3.6 Valoración técnico-económica y medioambiental del uso de una Estrategia de Ocupación bajo Criterios Energéticos para el hotel caso de estudio Según la ocupación patrón de las 12 habitaciones, se ejecutó el procedimiento con las variantes que implican el uso del modelo termo-hidráulico. Se partió de los parámetros actuales a los que trabaja la bomba centrífuga (valor de consigna fijo de 500 kPa en el CSAF) y la enfriadora (7 oC de temperatura de salida del agua). Los resultados se pueden apreciar en la Figura 3.19 donde la variante de operación cuatro resulta las más eficaz con respecto a las demás. 2 Pt (kW) 1,5 Variante de operación 4 Variante de operación 5 Variante de operación 6 Variante de operación 7 1 0,5 0 6221 6118 6119 6220 6120 6117 6319 6223 6317 6222 6318 6316 Habitaciones según ocupación patrón Figura 3.19. Comportamiento de los requerimientos de potencia para diferentes ocupaciones y variantes de operación del sistema, utilizando el modelo termo-hidráulico. 95 �CAPÍTULO 3 Ya que el sistema trabaja actualmente sin cambiar la presión de envío en el CSAF, sin racionalizar el valor de la temperatura de salida del agua de la enfriadora y sin tener en cuenta la ocupación de habitaciones bajo criterios energéticos, fue necesario evaluar los comportamientos operacionales en comparación con un año base. Los requerimientos de potencia eléctrica promedio diaria, en referencia a la ocupación típica de las habitaciones y tres variantes de 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253 265 277 289 301 313 325 337 349 361 Pt (kW) operación que optimizan energéticamente el sistema se pueden apreciar en la Figura 3.20. Año base Optimizando, solo con estrategia ocupacional Optimizando, variando la ocupación , la presión y la temperatura del agua Optimizando, variando la ocupación y la temperatura del agua Figura 3.20. Requerimiento potencia eléctrica promedio diaria para un año característico. Los resultados generales de la Figura 3.20 indican que se pueden disminuir los requerimientos de potencia eléctrica entre 18,4 y 63,7 %, enmarcados en todo el diapasón de ocupaciones y de variantes operacionales del sistema. No obstante, resulta adecuado conocer que el promedio de ocupación hotelera en Cuba es de un 60 % aproximadamente [169]. Si se acepta que en las actuales condiciones, el consumo promedio diario de energía eléctrica de la climatización centralizada es de un 60 % del total del hotel, entonces, si se quiere saber cuál sería el escenario energético futuro del hotel, aplicando el procedimiento de optimización energética propuesto, se tiene que el peso relativo de la climatización puede disminuir hasta 96 �CAPÍTULO 3 valores que pueden oscilar entre 19,7 y 35,1 %. Estos porcentajes dependen de la estrategia de operación que se asuma, del nivel ocupacional y de las condiciones climatológicas, significando para el hotel, la posibilidad de disminuir el consumo promedio anual de 2573 MW·h a valores entre 2286 y 1602 MW·h, lo cual representa ahorros entre 37 225,20 y 126 226,34 CUC al precio promedio de 0,13 CUC el kW·h. Estos datos significan la reducción entre 77,2 y 262,9 t de combustible en generación de energía eléctrica, disminuyendo la emisión a la atmósfera entre 234,5 y 796,2 t de CO2. El gráfico de la Figura 3.21 muestra como sería el escenario del consumo de energía eléctrica del hotel, aplicando la EOCE basada en el procedimiento que se plantea en la presente investigación. Figura 3.21. Escenerios energéticos del hotel Blau Costa Verde si se aplica la EOCE. Para el gráfico anterior se tomó como línea base los valores promedios mensuales de consumo de energía eléctrica y se extrapolaron al hotel, los resultados del análisis de las 12 habitaciones. El proyecto para implementar EOCE en el hotel Blau Costa Verde, mediante el procedimiento propuesto en esta investigación, tendría un importe total de 40 205,00 CUC, distribuidos entre las tareas de ingeniería, los gastos específicos y otros gatos (ver Anexo 21). Al implementar el proyecto en el hotel, si se opera el SCCAH con la variante 7 (variando solo la ocupación) el proyecto tendría una Tasa Interna de Retorno (TIR) de 78,67 y un periodo de recuperación de la inversión (PRI), de 2 años y 2 meses. Si se opera el sistema con la variante 6 (racionalizando la temperatura de envío del agua de la enfriadora y variando la ocupación) la TIR sería de 196,51 y 97 �CAPÍTULO 3 el PRI de 1 año y 6 meses. Para las demás variantes de operación (4 y 5) los tiempos de recuperación de la inversión después de implementado el proyecto son inferiores a un año. Con respecto a las herramientas desarrolladas durante la investigación (ColdWater y OcupaHotel MTH), de forma resumida se puede realizar la siguiente valoración técnica: las aplicaciones pueden sustituir importaciones por compra de software similares, se pueden fortalecer los criterios de diseño de estos sistemas, son adaptables a los SCCAH instalados en el país y se pueden implementar de una manera fácil si se cumplen los requerimientos de los algoritmos. CONCLUSIONES del capítulo: 1. La aplicación informática CAD (ColdWater), aporta una solución práctica para realizar el equilibrado de las redes hidráulicas malladas utilizadas en los SCCAH así como su diseño y análisis operacional. 2. La aplicación informática “OcupaHotel MTH” constituye una herramienta para la toma de decisiones en el contexto energético de la explotación de hoteles, debido a la integración de la modelación energética de los CSAF y la EOCE basada en técnicas de optimización combinatoria. 3. Cuando se incrementan las variantes de ocupación, desde el punto de vista computacional el método exhaustivo escalonado resulta más eficiente que el exhaustivo simple, obteniéndose los mismos resultados. De la misma forma el algoritmo genético es más eficiente que el método exhaustivo escalonado. 4. De las variantes de operación del SCCAH la más eficaz resulta la que incluye la optimización conjunta de la ocupación, la presión de envío del CSAF a flujo variable y la temperatura de salida del agua de la enfriadora. 5. La EOCE de hoteles con SCCAH a flujo variable basada en optimización combinatoria de la ocupación mediante la solución del modelo termo-hidráulico, es tecnológicamente superior al criterio de operación actual en Cuba, el cual se basa en operar el CSAF a flujo variable a una presión constante. Asumir esta estrategia repercute directamente en los indicadores técnicoeconómicos de la explotación hotelera. 98 �CONCLUSIONES GENERALES 1. Mediante la aplicación de la metodología de Análisis y Síntesis de Sistemas de Ingeniería, se define como variable de decisión del sistema, la ocupación de las habitaciones y como variables intermedias de relevancia, la velocidad de rotación de la bomba del CSAF y la temperatura de salida del agua del enfriador. También fue posible definir la función objetivo, compuesta por la sumatoria de los requerimientos de potencia eléctrica por bombeo y por trabajo de compresión, lo cual determina el valor del indicador de eficiencia del sistema. 2. Se identificaron los modelos matemáticos de las cargas térmicas de enfriamiento anual de las habitaciones, utilizando las Redes Neuronales Artificiales y teniendo en cuenta la variabilidad de la climatología local. Los errores cuadráticos medios de los modelos fueron inferiores a 0,002058 kW y los coeficientes de correlación superiores a 0,9. 3. Se estableció la modelación hidráulica de los CSAF a flujo variable mediante la implementación del Método del Gradiente y un algoritmo para determinar la velocidad de rotación que minimiza la potencia eléctrica en la bomba. La modelación permite: evaluar cada topología de la red en función de la ocupación; considerar todas las restricciones operacionales, la selección de la presión de envío más adecuada y la incorporación de las características de las unidades terminales y de las válvulas de equilibrio. 4. Se fundamentó un procedimiento para el cálculo de la potencia eléctrica que requiere el compresor de una enfriadora para realizar el trabajo de compresión en un SCCAH. El procedimiento incluye: la racionalización de la temperatura de salida del agua en función de las condiciones de las cargas térmicas de enfriamiento parciales y las propiedades del refrigerante utilizado, sistematizadas en modelos spline cúbicos. 5. Se estableció un procedimiento para la optimización energética de la operación de los SCCAH con CSAF a flujo variable, que integra en una función objetivo termo-hidráulica y los efectos de la variabilidad de: la climatología local; las características constructivas de la edificación; la velocidad de rotación de la bomba; el ciclo de refrigeración por compresión 99 �mecánica del vapor; la temperatura de salida del agua de la enfriadora y la ocupación de las habitaciones. Esta optimización de carácter combinatorio-evolutivo incluye los métodos, exhaustivo simple, exhaustivo escalonado y algoritmo genético en función de la cantidad de variantes de ocupación. 6. La implementación del procedimiento general en el hotel Blau Costa Verde, muestra las potencialidades de disminución del peso relativo de la energía eléctrica que consume la climatización de un 60 % a valores entre 19,7 y 35,1 %. Estos porcentajes dependen del nivel ocupacional y de la variante de operación que se asuma, ya sea, determinando la velocidad de rotación de la bomba, racionalizando el valor de la temperatura de salida del agua del enfriador o mediante la combinación de estas variantes. RECOMENDACIONES 1. Proponer el uso de la herramienta CAD “ColdWater” para el desarrollo de los diseños de los CSAF incluidos en las inversiones hoteleras, independientemente de que el flujo sea variable o constante en las redes hidráulicas. 2. Recomendar el uso del procedimiento propuesto en todos los hoteles cubanos con SCCAH, sobre la base de la EOCE sustentada en la optimización combinatoria, logrando la autonomía del sistema en cuanto a: el cambio de los valores de consigna de la presión de envío en el CSAF y la temperatura de salida del agua del lazo de producción de frío. 3. Continuar desarrollando el procedimiento mediante la integración a la herramienta “OcupaHotel MTH” de métodos de optimización multiobjetivo, sobre todo incluyendo un indicador de eficiencia relacionado con los aspectos económicos de la explotación del sistema. 100 �REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] TESKE, S.; ZERVOS, A.; SCHÄFER, O., "Energy revolution: a sustainable world energy outlook". European Renewable Energy Council, 2007, p. 96. TORRES RODRÍGUEZ, R. M., "Tecnología para la gestión de los servicios técnicos en hoteles de sol y playa: aplicaciones en hoteles del polo turístico de Guardalavaca". Universidad de Holguín. 2008. ORGANIZACIÓN MUNDIAL DEL TURISMO, "El turismo internacional crecerá entre un 2 % y un 4 % en 2013", 2013. PARTIDO COMUNISTA DE CUBA, "Lineamientos de la Política Económica y Social del Partido y la Revolución ", VI Congreso del Partido Comunista de Cuba, 2011, p. 39. 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Energía eléctrica entre Habitaciones Días Ocupadas Índice de consumo de las unidades enfriadoras Coeficiente de conductividad térmica Cantidad de calor Flujo másico Diferencia de temperatura Calor específico del agua Flujo calorífico a través de una pared Absortividad de la superficie a la luz solar Radiación solar total incidente sobre la superficie Coeficiente de transferencia de calor convectivo y de longitud de onda larga en la superficie externa Temperatura exterior (ambiente) Temperatura de la superficie de la pared Diferencia entre la radiación de onda larga incidente procedente de la bóveda celeste y el entorno, y la radiación emitida por un cuerpo negro a la temperatura ambiente Emitancia de la superficie Velocidad de rotación de una bomba centrífuga Caudal de agua Altura de carga Potencia eléctrica Relación funcional entre la altura de carga H de la red del sistema y el caudal Q según la red Relación funcional entre la altura de carga H de la red del sistema y el caudal Q según la bomba Altura de carga requerida por el CSAF y que garantiza el confort Caudal requerido por el CSAF y que garantiza el confort Cantidad de habitaciones no disponibles Total de habitaciones que ya están ocupadas Habitaciones a ocupar que están priorizadas (escogidas a preferencia de los clientes) Habitaciones fuera de servicio Mayor Valor del Código de solución (cantidad total de opciones de ocupación de los locales disponibles) Coeficiente binomial al que se denominó Mayor Valor del Código Restringido Modelo térmico del edificio Unidad número entero positivo número entero positivo número entero positivo kW·h/HDO kW·h/t kcal/mh oC kW kg/s K kJ/kg·K W/h·m2 Adimensional W/h·m2 W/h·m2 K K K W/h·m2 Adimensional rev/min m3/s m kW adimensional adimensional m m3/s número entero positivo número entero positivo número entero positivo número entero positivo número entero positivo número entero positivo - �MC MH CT CC CH Peb Pec Pt Z g1, g2, g3 g4, g5, g6 Xe Xcl XSCCAH XCSAF Rn Tev Tcd Tamb h d CTmax Te ; t8 Tr (a) (c) (d) R Y 1 f , f 2, f 3 b1 , b 2 , b 3 Modelo del trabajo de compresión Modelo hidráulico Expresiones para determinar las magnitudes que caracterizan carga térmica de enfriamiento Expresiones para determinar las magnitudes que caracterizan el trabajo de compresión Expresiones para determina las magnitudes que caracterizan la carga hidráulica del sistema Potencia eléctrica requerida para el bombeo en el CSAF Potencia eléctrica requerida para realizar trabajo de compresión en la enfriadora Función objetivo: sumatoria de las potencias eléctricas requeridas Peb+ Pec Función calidad: mínima potencia eléctrica total requerida Intensidades de las relaciones de las variables de coordinación con MT, MC y MH Intensidades de las relaciones de los datos de entrada, las variables de coordinación, intermedias y de decisión del sistema con CT, CC y CH Variables que caracterizan el edificio y que definen la estructura de los modelos MT y MH Variables que caracterizan el clima y que definen la estructura de los modelos MT y MC Variables que caracterizan la estructura y parámetros generales del SCCAH Variables que caracterizan la estructura y parámetros generales del CSAF Tipo de refrigerante que utiliza el equipo enfriador Temperatura de entrada del refrigerante en el evaporador Temperatura de entrada del refrigerante al condensador Temperatura ambiente Hora del día Día del año Carga térmica de enfriamiento máxima Temperatura de envío del agua fría hacia el edificio Temperatura de retorno del agua fría desde el edificio Día del año (1,…,365) Cantidad de variantes de códigos del MVCR Hora del día (1,...,24) Coeficiente de correlación Salida de la Red Neuronal Artificial Funciones de transferencia de las diferentes capas de neuronas Polarizaciones de las diferentes capas de neuronas kW kW kW kW - K K K 1-24 1-365 kW K K adimensional adimensional adimensional adimensional kW - �ρ g ηb ηm Kv Qve ∆p Vn Qn Hn Vi Vi0 Va Va0 V=N Qa Qi Ha Hi δQ QUTE QUTR A, C h6 h2 h5 h4 WReal h2′ ηs Nc = Pec mR mCPAF h7, h8 θ mr mc tr Densidad del agua Aceleración de la gravedad Rendimiento de la bomba kg/m3 m/s2 adimensional Rendimiento del motor adimensional Coeficiente de variación de flujo en válvulas de equilibrio Caudal en las válvulas de equilibrio Pérdidas de carga en las válvulas de equilibrio Velocidad de rotación nominal de la bomba Caudal nominal de la bomba Altura de carga nominal de la bomba Velocidad de rotación mínima de la bomba Velocidad de rotación mínima inicial de la bomba Velocidad de rotación máxima de la bomba Velocidad máxima inicial de la bomba Velocidad de rotación seleccionada para la bomba Valores mínimos de los caudales calculados para Va Valores mínimos de los caudales calculados para Vi Valores mínimos de las presiones calculadas Va Valores mínimos de las presiones calculadas Vi Cota para el módulo de la diferencia máxima entre los caudales requeridos y calculados en las unidades terminales Caudal requerido en una unidad terminal Caudal real en una unidad terminal Coeficientes de la ecuación de la bomba Entalpía de vapor saturado a la entrada del compresor Entalpía teórica del vapor sobrecalentado a la salida del compresor Entalpía del líquido saturado Entalpía de la mezcla saturada a la entrada del evaporador Trabajo real de compresión Entalpía real del gas refrigerante a la descarga del compresor Rendimiento isentrópico adimensional Potencia eléctrica requerida por el compresor Flujo másico de refrigerante kW kg/s Flujo másico del agua por el evaporador (CPAF) Entalpía del agua a la entrada y la salida del evaporador Factor de diversidad de la carga térmica Flujo másico de agua que retorna en correspondencia con la carga parcial Flujo másico del agua a través del colector común Temperatura de retorno del agua del CSAF kg/s kJ/kg l/h kPa m/s m3/s m rev/min rev/min rev/min rev/min rev/min m3/s m3/s m m m3/s m3/s m3/s adimensional kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg adimensional adimensional kg/s kg/s K �tc t7 CTEi mi Quti ti mHDO CTEHDO MCExh MCxEsc THEsc VME W O Oi Bi c Oc S1, S2 h S i TT P HAOT E TPI Po CTE He Hr Qr Qt Temperatura del agua a través del colector, se considera igual a la temperatura del agua a la salida de la enfriadora Temperatura de entrada del agua al evaporador Carga térmica de enfriamiento de la habitación i Flujo másico en la unidad terminal i Flujo volumétrico del agua en la unidad terminal i (determinado durante el cálculo hidráulico) Temperatura de salida del agua de la unidad terminal i Flujo másico para ocupación especifica HDO Carga térmica de enfriamiento de la ocupación HDO Máxima combinatoria exhaustiva Máxima combinatoria por escalón Total de habitaciones por escalón Máxima cantidad de escalones Cadena de caracteres binarios que representa las HDO Subcadena binaria que representa la cantidad habitaciones D Número binario que representa las variantes de ocupación según la subcadena O en función de HAO Valor de Oi en la base numérica 10 Número de orden de la Ocupación según MVCR Código binario de la ocupación de orden c Secuencias binarias compactas de HAO Paso de la búsqueda del código binario de la ocupación c Orden que ocupa en la lista de ocupaciones la ocupación óptima Contador de variantes de ocupación en la búsqueda exhaustiva simple Producto de MVCR por el tiempo unitario de cómputo necesario para calcular Z' para una variante de ocupación Paso del escalón en la búsqueda escalonada Valor máximo del paso del escalón Número de veces que será aplicado el método exhaustivo simple según los escalones del método exhaustivo escalonado. Tamaño de la población inicial para la optimización mediante algoritmo genético Cantidad de individuos da la población inicial Carga térmica de enfriamiento promedio para los días de ocupación para los cuales se realiza la optimización Valor de consigna de la presión de envío del CSAF Presión en el nodo de retorno de la red hidráulica Caudal requerido para la ocupación que se evalúa Caudal total requerido para la ocupación máxima K K kW kg/s m3/s K kg/s kW número entero positivo número entero positivo número entero positivo número entero positivo número entero positivo número entero positivo número entero positivo número entero positivo s número entero positivo número entero positivo número entero positivo número entero positivo número entero positivo kW m m m3/s m3/s �Incp.Q EGC t TBExh(1) Mayor incumplimiento de caudal en las unidades terminales seleccionadas Cantidad de evaluaciones al generar los códigos para una optimización determinada Tiempo computacional para determinar la solución óptima Total de búsquedas exhaustivas de paso 1 para cualquier variante de HAO y D % número entero positivo s número entero positivo ACRÓNIMOS UTILIZADOS Acrónimo VV EOCE SCCAH CSAF UABC RNA PTCT MES CENDA SS.TT ACS CPAC R22 CPAF PID PVC ASHRAE NC BC ARMAX ASSI CAD EROS SME IE SCADA TA MTH Significado Variador de Velocidad Estrategia de Ocupación bajo Criterios Energéticos Sistema de Climatización Centralizado por Agua Helada (todo-agua) Circuito Secundario de Agua Fría Universidad Autónoma de Baja California Redes Neuronales Artificiales Proyecto Territorial de Ciencia y Técnica Ministerio de Educación Superior Centro Nacional de Derechos de Autor Servicios Técnicos (departamentos de mantenimiento de los hoteles cubanos) Agua Caliente Sanitaria Circuito Primario de Agua Caliente Refrigerante freón 22 Circuito Primario de Agua Fría Proporcional Integral Derivativo Tuberías plásticas Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción Refrigeración y Aire Acondicionado Norma Cubana Bombas Centrífugas Autoregresión con Variable Exógena Análisis y Síntesis de Sistemas de Ingeniería Diseño Asistido por Computadora Sistema de supervisión y monitoreo industrial, desarrollado por el Grupo EROS de la Empresa de Servicios Técnicos de Computación, Comunicaciones y Electrónica del Níquel Sistema de Mayor Envergadura Indicador de Eficiencia Control de Supervisión y Adquisición de Datos Tour and Andersson Modelo Termo-Hidráulico �ANEXOS �ANEXOS ANEXO 1 TRABAJOS DESARROLLADOS POR EL AUTOR RELACIONADOS CON EL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN Tesis de maestría: Disminución del consumo energético en los Circuitos Secundarios de Agua Fría de la Climatización Centralizada en hoteles. Maestría en Electromecánica, ISMM, 2004. Publicaciones en revistas como autor principal: 1. Climatización distribuida en hoteles: alternativa para el uso racional de la energía eléctrica. Revista Retos Turísticos, número 3, volumen 6, p.10-16, 2007. ISSN 1681-9713. 2. Aplicación del toolbox - matlab en la estimación de Gestión Total Eficiente de Energía en Moa, Holguín, Cuba. Revista Ingeniería, Investigación y Desarrollo, Universidad Politécnica y Tecnológica de Colombia, número 2, volumen 7, p.39-44, 2009. ISSN 1900-771X. 3. Predicción del consumo de electricidad y Gas LP en un hotel mediante redes neuronales artificiales. Revista Energética, Instituto de Energía de la Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, número 42, p.21-28, julio - diciembre 2009. ISSN 0120-9833. 4. Caudal variable en la climatización centralizada de hoteles (parte 1). Revista Retos Turísticos, Universidad de Matanzas, número 3, volumen 9, p.42-49, 2010. ISSN 1681-9713. 5. Carga térmica y consumo energético en edificación turística con climatización centralizada a flujo variable. Revista Universidad, Ciencia y Tecnología, Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”, Venezuela, número 61, volumen 15, p.196-202, 2011. ISSN 1316-4821. 6. Caudal variable en la climatización centralizada de hoteles (parte 2). Revista Retos Turísticos, Universidad de Matanzas, número 1, volumen 11, p.3-10, 2012. ISSN 1681-9713. 7. Análisis y síntesis de la operación de circuitos secundarios de agua fría en climatización centralizada. Revista Ingeniería Mecánica, Instituto Superior José Antonio Echavarría, La Habana, Cuba, número 2, volumen 15, mayo - agosto 2012, p. 83-94. ISSN 1815-5944. 8. Aspectos relacionados con el control del flujo secundario de agua en climatización centralizada. Revista Ingeniería Investigación y Tecnología, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de México, número 3, volumen XIII, p.307-313, julio - septiembre 2012. ISSN 1405-7743. Publicaciones en eventos científicos como autor principal (2005-2013): 1. Diagnósticos Energéticos y su influencia en la gestión empresarial en hoteles. III Convención “Entorno Agrario 2005”, Sancti Spiritus. ISBN 959-250-219-6. 2. Eficiencia energética mediante la climatización localizada en hoteles con habitaciones bungalow. 4to Taller Internacional de Energía y Medio Ambiente, Cienfuegos, 2006. ISBN 959-257-110-4. 3. Algunos aspectos de la Tecnología de la Gestión Total Eficiente de la Energía aplicados en hoteles de la provincia de Holguín. 5to Taller Internacional de Energía y Medio Ambiente, I �ANEXOS 2008, Cienfuegos. ISBN 978-959-257-186-0. 4. Evaluación del sistema de climatización de un restaurant buffet. 5to Taller Internacional de Energía y Medio Ambiente, 2008, Cienfuegos. ISBN 978-959-257-186-0. 5. Agua Caliente Sanitaria en hoteles: realidades y evaluación de las condiciones operacionales. 5to Taller Internacional de Energía y Medio Ambiente, 2008, Cienfuegos. ISBN 978-959257-186-0. 6. Caudal variable en la impulsión del agua fría de la climatización centralizada en hoteles. Convención Internacional de la Ingeniería en Cuba. 2008. Matanzas. ISBN 978-959-247058-3. 7. Caudal variable y carga de enfriamiento anual: oportunidades para el ahorro de energía en la climatización centralizada de hoteles. 6to Taller Internacional de Energía y Medio Ambiente, Cienfuegos, 2010. ISBN 978-959-257-231-7. 8. Circuitos Secundarios de Agua Fría en la climatización centralizada de hoteles: pruebas de explotación desde computadora. 6to Taller Internacional de Energía y Medio Ambiente, Cienfuegos, 2010. ISBN 978-959-257-231-7. 9. Ajuste del controlador y red neuronal artificial multivariable para circuitos secundarios de agua fría en climatización centralizada. III ENERMOA, Fórum Tecnológico Especial de Energía, 2010, Moa. ISBN 978-959-16-1216-8. 10. Aspectos termo-hidráulicos en la operación de circuitos secundarios de agua fría a caudal variable en climatización centralizada. III ENERMOA, Fórum Tecnológico Especial de Energía, 2010. ISBN 978-959-16-1216-8. 11. Análisis y síntesis de la operación de circuitos secundarios en la climatización centralizada a flujo variable: aspectos termo-hidráulicos. X Congreso Internacional de Ingeniería Hidráulica y VI Seminario Internacional de Ingeniería Hidráulica, 2011. ISBN 978-959-247-082-8. 12. Análisis y síntesis para la optimización energética de la operación en climatización centralizada a flujo variable. I Conferencia Internacional de la Universidad de Sancti Spiritus, YAYABOCIENCIA 2011. ISBN 978-959-250-703-6. 13. Carga térmica en climatización centralizada a flujo variable. I Conferencia Internacional de la Universidad de Sancti Spiritus, YAYABOCIENCIA 2011. ISBN 978-959-250-703-6. 14. Climatización Centralizada a flujo variable: optimización energética de la operación. XXXIII Convención Panamericana de Ingenierías, 2012, La Habana, ISBN 978-959-247-094-1. 15. Selección de modelos de cargas térmicas basados en redes neuronales artificiales y la ocupación que minimiza el trabajo de compresión. 7mo Taller Internacional de Energía y Medio Ambiente, Cienfuegos, 2012. ISBN 978-959-257-323-9. 16. Climatización centralizada a flujo variable: optimización energética de la operación. 7mo Taller Internacional de Energía y Medio Ambiente, Cienfuegos, 2012. ISBN 978-959-257323-9. 17. Análisis y síntesis de la operación de circuitos secundarios de agua fría en climatización centralizada. 16 Convención Científica de Ingeniería y Arquitectura, VIII Seminario Euro Latinoamericano de Sistemas de Ingeniería, 2012. La Habana. ISBN 978-959-261-405-5. 18. Aspectos relacionados con el control del flujo secundario de agua en climatización centralizada. 16 Convención Científica de Ingeniería y Arquitectura, VIII Seminario Euro Latinoamericano de Sistemas de Ingeniería, 2012. La Habana. ISBN 978-959-261-405-5. II �ANEXOS 19. Algunas respuestas termo-hidráulicas y energéticas de un sistema de Climatización Centralizado en un edificio de un hotel. IV ENERMOA, Fórum Tecnológico Especial de Energía, Moa, 2012. ISBN 978-959-16-2067-5. 20. Análisis sistémico de la operación de los circuitos secundarios de agua fría en climatización centralizada de hoteles. VI Conferencia Científica Internacional, Holguín, 2013. ISBN 978959-16-2138-2. 21. Optimización operacional de redes hidráulicas para la climatización centralizada a flujo variable en hoteles. XI Congreso Internacional de Ingeniería Hidráulica, Ciego de Ávila, 2013. ISBN 978-959-247-106-1. 22. Respuestas termo-hidráulicas en un sistema de climatización centralizado todo-agua en un hotel turístico. Jornada Internacional de Ingeniería Mecánica, Eléctrica, Industrial y ramas a fines, La Habana, 2013. ISBN 978-959-247-110-8. Trabajos de diploma tutorados (2002-2013): 1. Estudio del sistema de Climatización Centralizado del Hotel “LTI Costa Verde Beach Resort”, 2002. 2. Bases para la Gestión Energética en los Sistemas de Suministro Eléctrico en instalaciones Hoteleras, 2003. 3. Variadores de Velocidad en los sistemas de Climatización Centralizados en Hoteles, 2003. 4. Estudio de los sistemas secundarios de agua fría de la climatización centralizada en hoteles, 2004. 5. Análisis de los regímenes de explotación de los sistemas de impulsión de agua fría y caliente en el hotel Blau Costa Verde, 2007. 6. Diagnostico energético del hotel Miraflores, 2007. 7. Gestión energética en el hotel Miraflores, 2008. 8. Redes hidráulicas en la climatización centralizada de hoteles, 2008. 9. Herramientas para predicción energética aplicadas en el hotel Blau Costa Verde, 2009. 10. Componentes de la climatización centralizada en hoteles: propuestas para racionalizar el consumo energético, 2009. 11. Sistema automático de medición para variables termo-hidráulicas en la climatización centralizada del hotel Blau Costa Verde, 2009. 12. Comportamiento del motor de inducción en la climatización centralizada de hoteles, 2009. 13. Aspectos relacionados con el control de los circuitos secundarios de agua fría de la climatización centralizada en el Hotel Blau Costa Verde, 2010. 14. Procedimiento para estimar y reducir el consumo de electricidad en un circuito secundario de agua fría en la climatización centralizada, 2010. 15. Evaluación del sistema de climatización del hotel Miraflores su incidencia en la calidad del aire y en el consumo energético, 2010. 16. Red hidráulica y requerimientos de potencia eléctrica en climatización centralizada a flujo variable, 2011. 17. Evaluación termo-energética de la operación de un circuito secundario de agua fría a flujo variable en climatización centralizada, 2012. 18. Propuesta de una estrategia de control para los circuitos secundarios de agua fría a flujo III �ANEXOS variable de la climatización del hotel Blau Costa Verde, 2013. 19. Sistema CAD para el diseño de los circuitos secundarios de agua fría en la climatización centralizada de hoteles turísticos, 2013. Tesis de maestría tutoradas: 1. Pronóstico del consumo de energía eléctrica en el hotel Porto Santo. Maestría en Electromecánica, 2010. 2. Gestión Energética en el Hotel Playa Pesquero. Maestría en Eficiencia Energética, 2011. 3. Procedimiento para el diseño de Sistemas Secundarios de Climatización Centralizada por Agua Fría. Maestría en CAD/CAM, UHo, 2011. 4. Pronóstico de la demanda de energía eléctrica mediante algoritmos genéticos. Maestría en Eficiencia Energética, 2011. Registro CENDA: La disminución del consumo energético en circuitos secundarios de agua fría de la climatización centralizada de hoteles, 2007. Premios CITMA provincial de Innovación Tecnológica: 1. La Automatización Industrial y el uso racional de la energía en el sector empresarial como fuente para el incremento de la eficiencia energética”, 2002 (coautor). 2. Soluciones y herramientas para la gestión energética en el sector de los servicios, 2007 (autor principal). Proyectos de investigación (2007-2013): 1. Proyecto ramal del MES (7.14) desarrollado entre la Universidad de Cienfuegos, la Universidad Central de las Villas y el Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa, “Eficiencia energética de sistemas de climatización centralizados tipo todo-agua”, participante. 2. Proyecto territorial de investigación – desarrollo e innovación tecnológica (PTCT 17/08), “Modelación, simulación y control de los circuitos de impulsión de agua fría y agua caliente en hoteles para las condiciones de explotación en Cuba”, coordinador. 3. Proyecto para estancia de estudios avanzado de posgrado en el Instituto de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Baja California, México. “Eficiencia energética en los sistemas de climatización centralizados por agua helada en hoteles”, coordinador. 4. Proyecto Empresarial 1711, entre la Empresa de Automatización Integral y la Universidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez, “Procedimiento tecnológico para el proceso de supervisión y control energético en hoteles cubanos”, participante. 5. Proyecto Universitario, “Energía y Turismo: una mirada desde el mantenimiento y la explotación hotelera” (PU1232), coordinador. IV �ANEXOS ANEXO 2 CONEXIONES BÁSICAS DE LOS SISTEMAS DE CLIMATIACIÓN CENTRALIZADOS TODO-AGUA Figura 1. Sistema de Climatización Centralizado Todo-Agua [7]. Las flechas azules indican los fluidos del agua fría y las rojas el sistema de ACS. Figura 2. Red hidráulica mallada con retorno directo empleada en los CSAF a) Esquema general simplificado [46] b) unidades conectadas horizontalmente [92] y c) unidades conectadas verticalmente [92]. V �ANEXOS Figura 3. Configuración estándar de los SCCAH a flujo variable [57]. Figura 4. Sistema de distribución con bombas individuales para cada zona [57]. VI �ANEXOS ANEXO 3 CARACTERÍSTICAS OPERACIONALES Y PARÁMETROS DE LAS UNIDADES TERMINALES (FAN-COIL) Las unidades terminales más utilizadas en los SCCAH son los fan-coil. Estas unidades para las condiciones tropicales solo trabajan para climatizar, por lo que se le denomina de dos tubos. Estas unidades terminales pueden trabajar asociadas a sistemas a flujo constante (válvulas de control de tres vías) o en sistemas a flujo variable (válvulas de control de dos vías). En la Figura 1 aparece una vista general de los fan-coil básicos modelos FBHA de FRIOCLIMA. Estas unidades son las más utilizadas en Cuba en toda su variedad de capacidades. Figura 1. Unidades terminales básicas fan-coil modelos FBHA [77]. Unidades terminales emplazadas en el hotel caso de estudio (FCX 42 y FCX 50) Figura 2. Unidades terminales de la familia FCX [170]. VII �ANEXOS Tabla 1. Datos técnicos de las unidades terminales de diferentes capacidades [170]. Figura 3. Caída de presión en las unidades terminales con relación al flujo [170]. VIII �ANEXOS ANEXO 4 ESPECIFICACIONES DE LAS VÁLVULAS PARA EL EQUILIBRADO DE LAS REDES HIDRÁULICAS Figura 1. Módulo de equilibrado formado por un ramal con varios terminales [87]. Figura 2. Válvulas de equilibrado y reguladores de presión [86]. Tabla 1. Relación Kv y número de vueltas de las válvulas STA-DR DN 15, 20 y 25 [86]. IX �ANEXOS y = 0,0453x5 - 0,6301x4 + 2,9999x3 - 5,6705x2 + 4,6923x - 1,0592 R² = 0,9994 5 4 Kv 3 2 1 0 0 1 2 Vueltas 3 4 5 Figura 3. Relación Kv y número de vueltas de la válvula STA-DR DN 25. Tabla 2. Relación Kv y número de vueltas de diferentes válvulas de equilibrado con diámetros nominales desde 10 hasta 50 mm [86]. y = -0.3295x4 + 2.8558x3 - 7.2646x2 + 9.6435x - 1.5884 2 R = 0.9996 25 Kv 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 vueltas Figura 4. Relación Kv y número de vueltas de la válvula STAD DN 40. X �ANEXOS Tabla 3. Relación Kv y número de vueltas de diferentes válvulas de equilibrado con diámetros nominales desde 20 hasta 80 mm [86]. 140 y = -0,119x4 + 1,6287x3 - 4,3968x2 + 6,6918x + 0,1514 R² = 0,9991 120 100 Kv 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 Vueltas Figura 5. Relación Kv y número de vueltas de la válvula STAF DN 80. XI �ANEXOS ANEXO 5 SISTEMA AUTOMÁTICO DE MEDICIÓN UTILIZADO EN LA INSTALACIÓN EXPERIMENTAL El SCADA escogido fue el EROS, un sistema de supervisión y control de procesos que se destaca por la facilidad con que puede ser operado y configurado, ofreciendo funcionalidades predeterminadas (estadísticas, alarmas, recetas, datos históricos). Posee una capa de red poderosa, que a través del protocolo TCP-IP, habilita la comunicación entre diferentes computadoras que ejecutan el EROS, lo que permite la operación remota. La estructura de red en estrella que se implementó en el hotel consta de los elementos que se aprecian en la Figura 1. Figura 1. Estructura general del sistema automático de medición. De forma general el sistema mide las variables presentes en la siguiente Tabla 1. Tabla 1. Principales variables medidas con el SCADA EROS en un CSAF y en el SCCAH. Nº Nombre de la variable Símbolo Unidad 1 Presión de envío del circuito secundario de agua fría pecsaf Bar 2 Temperatura de envío del circuito secundario de agua fría Tecsaf o 3 Temperatura de retorno del circuito secundario de agua fría Trcsaf o 4 Presión de retorno del circuito secundario de agua fría prcsaf Bar 5 Temperatura ambiente Tamb o 6 Temperatura de envío del circuito primario de agua caliente Tecpac o 7 Temperatura de retorno del circuito primario de agua caliente Trcpac o 8 Temperatura de envío de agua caliente Teac o 9 Temperatura de retorno de agua caliente Trac o C C C C C C C XII �ANEXOS Para la medición de esta variable se emplearon termo-resistencias PT 100 con convertidor en el cabezal, con rangos de medición 0 a 100°C y de 0 a 600°C. En el caso de la presión se utilizó el transmisor SITRANS P, Modelo DS III, Tipo: 7MF-4433-1DA00-1AA1-Z con rango de 1- 15 bar. Para la visualización de las variables se diseñó la ventana que se muestra en la Figura 2 donde aparece el flujo tecnológico y visualiza las magnitudes. La resolución de la visualización de los gráficos de las variables puede se de 1, 3, 5, 10, 30 s y de 1, 3, 6 min. Figura 2. Ventana principal del SAM. Las variables posee un conjunto de etiquetas que permiten: ponerlas visibles; reflejarlas con una línea gruesa; y visualizar los valores puntuales, mínimos, máximos y filtrado según desee el operador. La comunicación del sistema es mediante Ethernet de tecnología 10 BaseT con una velocidad de transmisión de 10 Mbps y la frecuencia de muestreo empleada por el sistema fue de 250 ms. A continuación se presentan determinadas pruebas realizadas con el SAM. XIII �ANEXOS kW 0 0 1 18 35 52 69 86 103 120 137 154 171 188 205 222 239 256 273 290 Habitaciones Ocupadas Figura 3. Desempeño del controlador del VV ante el cambio de consigna de 5 a 4,5 bar. 6000 70 60 5000 50 4000 40 3000 30 2000 20 1000 10 Habitaciones ocupadas kW Figura 4. Prueba escalonada de cierre y apertura completa de patinejos y su efecto en la potencia del motor de inducción operando a presión constante el CSAF. En esta prueba se comprobó el efecto del cambio de la cantidad de habitaciones ocupadas en la potencia de la bomba. Para ello por cuestiones de accesibilidad, se mantuvieron cerrados los patinejos tres, cuatro, seis y siete (Patinejos EF, GH, KL y MN de la Figura 3.2) de los nueve existentes, y el resto se fue conectando y desconectando escalonadamente (uno, dos, cinco, ocho y nueve, que representen los patinejos AB, CD, IJ, OP y RQ de la Figura 3.2). Las pruebas se realizaron a presión constante de 4,5 bar de presión (45,9 mca) con el correspondiente control del variador de velocidad. Figura 5. Comportamiento promedio de la temperatura ambiente durante 25 días. XIV �ANEXOS ANEXO 6 METODOLOGÍA E INFORMACIONES UTILIZADAS POR EL SIMULADOR DE CARGAS TÉRMICAS Los aspectos conceptuales y los procedimientos de cálculo que se utilizan en el presente trabajo están basados en la obra “Comportamiento Térmico de Edificios” [65], en la cual se resaltan los epígrafes relacionados con los parámetros climatológicos y de la construcción, las ganancias de calor y la potencia enfriamiento. Los aspectos teóricos se sustentan principalmente en manuales de la Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE por sus siglas en inglés). Estos conceptos y procedimientos, así como la metodología que proponen en el método de Funciones de Transferencia, han sido adaptados a las condiciones y requerimientos regionales, instrumentados con sistemas computacionales e integrados con datos climatológicos y parámetros técnicos y económicos locales, de tal forma que permiten construir paquetes de simulación para casos específicos. El método de las funciones de transferencia es considerado uno de los más precisos para el cálculo térmico. Otros métodos están considerados como simplificaciones del mismo. La metodología requiere del uso de funciones de transferencia por conducción y de factores de ponderación, de coeficientes para el cálculo de transmitancia y absorbancia en vidrio y de coeficientes normalizados para funciones de transferencia al aire del espacio, entre otros. Estos factores y coeficientes son obtenidos de bases de datos y de manuales de ASHRAE. Esta metodología ha sido aplicada a casos específicos, y sus resultados parciales y totales han sido validados mediante medición y monitoreo de campo. El esquema metodológico pretende adecuar los resultados proporcionados por esta metodología a las particularidades constructivas y económicas de cada región. En la Figura 1 se describe gráficamente la metodología general orientada a la evaluación de aislamientos para una zona geográfica particular pero su esquema general es válido para cualquier alternativa a analizar en referencia al uso del equipamiento de climatización. Los procedimientos de cálculo establecidos por el Método de Funciones de Transferencia por Conducción (MFTC) son ampliamente utilizados (en diferente grado) por una buena parte de los simuladores comerciales, en especial por aquellas firmas dedicadas a proyectar sistemas de acondicionamiento ambiental, bufetes de ingeniería, proveedores y fabricantes de equipos de aire acondicionado. Sin embargo, la metodología se puede adaptar para considerar las condiciones de las zonas de interés. XV �ANEXOS Figura 1. Esquema metodológico del simulador térmico de edificios de la UABC [65]. Generalidades para el cálculo de las cargas térmicas mediante el simulador térmico de edificios de la UABC. Los cálculos fundamentales que realiza el simulador se concentran en determinar: - Ganancias instantáneas de calor - Potencia de enfriamiento - Rapidez de retiro de calor Ganancia instantánea de calor: Es la rapidez a la cual el calor entra o es generado en el espacio en un instante de tiempo dado. Se clasifica por la manera en la cual el calor entra al espacio y puede ser sensible o latente. XVI �ANEXOS Potencia (o carga) de enfriamiento: Se define como la rapidez a la cual el calor debe ser removido desde el recinto para mantener la temperatura del aire del mismo a un valor constante. Rapidez de retiro de calor: Es la rapidez a la cual la energía es removida del espacio acondicionado por el sistema de climatización. Dentro de las hojas de cálculo con que cuenta el simulador térmico se destacan: - Data2: Hoja de cálculo de los datos. - GVP4SW: Ganancias instantáneas de calor por ventanas y pisos. - GT4SW: Ganancias instantáneas de calor por el techo. - GS4SW: Ganancias instantáneas de calor por la pared sur. - GO4SW: Ganancias instantáneas de calor por la pared oeste. - GN4SW: Ganancias instantáneas de calor por la pared norte. - GE4SW: Ganancias instantáneas de calor por la pared este. - MEX1TH: Cálculo de la temperatura ambiente horaria de un día a la vez. - MEX2TAS: Temperaturas aire – sol. - HG: Horas grado de la localidad. - RCAA: Retiro de calor del aire acondicionado. - SCR4W: Hoja de cálculo principal donde a través de macros y la iteración con las demás hojas de cálculo es posible obtener el RCAA, el RCAAmax, la Carga de enfriamiento horaria y máxima además de la capacidad frigorífica necesaria para las condiciones máximas de CE. - CE4SW: Resumen del cálculo de la carga de enfriamiento en todas las variantes - Resultados: Distribución de la carga de enfriamiento de la zona a analizar así como el comportamiento de la facturación eléctrica debida a la climatización. Parámetros fundamentales correspondientes al edificio en análisis del caso de estudio Datos que se introducen en Data2: Área de zona: En esta tabla se introducen las dimensiones de la Zona en cada una de las paredes norte, sur, este y oeste de las cuales se especifican si tienen asolamiento directo o constituye una pared interior. Tipo de muro: A partir de estos datos se determinan las resistencias térmicas de cada muro. El más común es el de tipo 5 (Block concreto pesado de 4" con 2", 3", 4" de aislamiento exterior (R = 8.6, o R = 11.9 o R = 15.2), Ladrillo común de 4" con 1" o 2" de aislamiento interior, Block de concreto pesado de 8" sin aislar (R = 2.3) XVII �ANEXOS Tabla .1 Parámetros de los materiales de los muros [65] Material de muros Resistencia externa Cartón de yeso (prefabricado) Acabado interior mortero 1.5 cm Aislamiento, 2" de poliestireno Acabado exterior 1" de mortero cemento-arena Block de concreto pesado de 8 pulgadas Ladrillo 8" Resistencia interna Código ASHRAE A0 A6 E1 B6 E1 C8 C9 E0 R °F ft h/btu 0.33 0 0.12 0 0.2 1.11 0 0.69 2 Tipo de Clima: Se elige el clima seco o el húmedo. Eficiencia del Sistema de Climatización (SEER), kBtu/kW·h: La eficiencia seleccionada es la 7 debido al tiempo de trabajo pronunciado con que cuentan las unidades terminales, fan-coil. Dimensiones del techo: En este caso además se definen la absortividad en 0,75 y la emitancia en 0.9 de la superficie. Se calcula la resistencia térmica a partir de la selección adecuada del tipo de material según las tablas. Coeficientes de ponderación del espacio: Se eligen en tablas y toman como referencia el tipo de construcción quedando definidos estos factores para la conducción, para la radiación solar, la iluminación y las personas. Tabla 2. Coeficientes de ponderación de los espacios V0 V1 V2 W1 W2 V0 V1 V2 W1 W2 Zona sencilla Solar Iluminación 0.50938 0.76250 -0.50975 -0.83070 0.07234 0.15957 -1.23424 -1.15317 0.30621 0.24454 Planta alta sencilla Conducción Solar Iluminación 0.75762 0.64714 0.77412 -0.82615 -0.66489 -0.83530 0.19592 0.15042 0.18820 -1.18756 -1.20650 -1.16479 0.31495 0.33917 0.29180 Conducción 0.74638 -0.85521 0.17795 -1.24007 0.30918 Personas 0.74364 -0.80510 0.15283 -1.15317 0.24454 Personas 0.72296 -0.77445 0.17888 -1.18756 0.31495 XVIII �ANEXOS V0 V1 V2 W1 W2 V0 V1 V2 W1 W2 V0 V1 V2 W1 W2 V0 V1 V2 W1 W2 V0 V1 V2 W1 W2 Planta intermedia sencilla Conducción Solar Iluminación Personas 0.65175 0.44732 0.67638 0.64621 -0.53539 -0.32159 -0.64743 -0.51349 0.06284 0.04671 0.13093 0.05649 -0.95883 -1.03459 -1.08659 -0.94695 0.13803 0.20703 0.24647 0.13616 Planta baja sencilla Conducción Solar Iluminación Personas 0.68978 0.51355 0.65949 0.63528 -0.72759 -0.54853 -0.75400 -0.72078 0.12275 0.10957 0.16741 0.16062 -1.13188 -1.22374 -1.24573 -1.21626 0.21682 0.29833 0.31855 0.29138 Planta alta perimetral CONDUCC. SOLAR ILUMINAC PERSONAS 0.66899 0.41021 0.67804 0.67019 -0.67904 -0.32679 -0.71093 -0.67932 0.12434 0.04249 0.15065 0.14730 -1.14230 -1.26216 -1.16748 -1.16007 0.25659 0.38807 0.28524 0.29824 Planta intermedia perimetral Conducción Solar Iluminación Personas 0.56769 0.36541 0.59787 0.55662 -0.52299 -0.25218 -0.72240 -0.47314 0.09305 0.03508 0.19604 0.06678 -1.07790 -1.03582 -1.34898 -1.01246 0.21565 0.18413 0.42049 0.16272 Planta baja perimetral Conducción Solar Iluminación 0.61675 0.42929 0.56869 -0.68518 -0.46375 -0.63699 0.13231 0.09600 0.12348 -1.20074 -1.27867 -1.21902 0.26462 0.34021 0.27419 Personas 0.57748 -0.63235 0.11875 -1.20074 0.26462 Estos tipos de construcción se traducen en: - Una sola planta, todos muros exteriores - Planta alta, todos muros exteriores - Planta intermedia, todos muros exteriores - Planta baja, todos muros exteriores - Planta alta, al menos un muro exterior - Planta intermedia, al menos un muro exterior XIX �ANEXOS - Planta baja, al menos un muro exterior Tabla 3. Ocupación e Iluminación. Hora Personas Iluminación % usado Hora Personas Iluminación % usado 1 2 10% 13 0 10% 2 2 10% 14 0 10% 3 2 10% 15 0 10% 4 2 10% 16 0 10% 5 2 10% 17 2 60% 6 2 10% 18 2 60% 7 2 60% 19 0 10% 8 0 10% 20 0 10% 9 0 10% 21 0 10% 10 0 10% 22 0 10% 11 2 10% 23 2 40% 12 0 10% 24 2 20% Se introducen los equipos que se encuentran dentro del espacio a climatizar con sus respectivos parámetros de potencia, cantidades y el horario que regularmente trabajan. Tabla 4. Fuentes de emisión de calor latente. Fuentes Lámparas Televisor Refrigerador Secador de pelo Bombillo del baño Bombillo de aplique baño Bombillo del pasillo Potencia (W) 15 50 78 900 13 12 12 Cantidad 3 1 1 1 2 2 1 Datos de la localidad Tabla 5. Valores máximos y mínimos de temperatura ambiente para un año promedio. Día 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tmin Tmax Día Tmin Tmax Día Tmin Tmax Día Tmin Tmax Día Tmin Tmax 24.7 22.0 21.2 22.5 23.5 22.6 24.1 24.1 24.1 24.2 24.0 23.2 24.2 24.6 24.4 24.6 24.7 23.4 25.2 24.7 24.6 25.2 24.0 25.9 25.8 24.6 23.6 27.7 27.3 27.3 25.5 24.7 26.9 28.0 28.1 27.7 25.6 27.4 27.0 27.7 26.1 25.9 26.6 26.6 25.5 27.1 27.0 23.8 23.9 25.4 26.1 26.4 25.4 25.6 74 75 76 77 78 79 80 81 82 27.3 27.8 27.5 26.6 25.5 26.7 26.3 26.0 26.5 147 148 149 150 151 152 153 154 155 29.0 29.7 28.8 28.7 28.2 28.7 29.5 29.5 30.1 220 221 222 223 224 225 226 227 228 31.0 30.7 31.1 31.6 31.6 31.8 31.0 31.4 30.1 293 294 295 296 297 298 299 300 301 29.9 29.8 29.6 29.8 29.3 29.6 29.6 29.6 28.4 XX �ANEXOS 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 23.4 24.4 21.9 21.1 24.5 24.4 24.5 24.9 25.4 25.6 25.4 25.0 25.4 25.2 24.8 25.0 25.0 24.9 23.4 23.2 22.8 23.6 24.7 22.3 24.0 25.4 23.7 24.3 24.6 22.1 24.8 24.3 24.0 24.5 21.6 21.1 23.0 23.5 23.7 23.4 21.3 24.2 24.7 22.1 24.6 24.6 24.0 24.3 21.3 23.6 25.3 25.5 25.6 26.1 26.8 26.8 26.8 26.8 26.4 26.8 26.9 27.9 27.0 27.1 26.7 27.2 27.2 26.9 26.4 26.8 25.0 24.6 25.1 25.7 26.5 27.4 27.2 27.1 27.0 26.3 26.3 26.8 26.8 26.6 26.6 26.4 27.9 28.2 27.8 27.2 25.8 25.7 25.1 26.2 26.9 27.4 27.0 26.8 27.0 27.8 27.7 27.1 27.4 27.5 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 22.8 22.0 24.0 24.3 24.5 24.7 25.0 23.0 23.8 24.7 25.3 25.0 25.1 25.1 24.0 22.0 25.1 25.0 25.4 24.8 25.1 22.4 22.6 22.9 23.6 24.4 25.0 25.0 22.4 22.0 22.0 20.5 24.3 24.8 24.2 25.8 25.0 23.6 25.0 24.7 24.0 23.5 25.6 24.4 24.7 24.4 25.2 23.8 24.9 24.4 23.2 24.3 27.4 26.2 24.8 26.1 26.2 27.5 27.2 26.1 26.6 26.4 26.5 26.8 26.8 27.7 28.5 28.5 28.1 28.3 28.2 27.7 27.8 28.2 27.1 24.6 26.2 26.6 28.4 28.2 28.9 27.6 28.0 28.3 27.8 27.8 28.5 28.0 28.2 28.2 27.9 28.6 27.5 28.5 28.7 28.8 28.8 28.7 30.4 30.1 29.4 29.9 27.0 28.5 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 26.4 27.4 26.6 26.8 26.2 25.3 25.3 25.8 24.6 25.3 25.9 24.9 26.2 26.6 26.2 27.6 27.2 27.3 27.9 28.0 28.1 27.6 26.0 26.5 26.4 26.9 26.2 26.3 26.3 27.7 28.0 27.9 28.0 27.9 27.8 27.9 27.9 28.0 27.7 27.7 28.0 27.8 27.0 27.9 26.9 27.9 27.0 26.1 26.2 28.0 28.0 27.9 29.5 29.7 28.4 29.5 29.6 29.3 29.6 29.3 29.1 29.4 29.2 29.8 30.0 29.8 29.8 30.4 30.2 30.0 30.1 29.9 30.4 29.5 30.6 29.5 30.5 30.3 30.3 30.3 30.4 30.1 29.7 30.1 29.7 29.9 30.4 30.5 30.2 30.2 30.2 30.2 30.4 30.5 30.4 30.2 29.6 30.2 29.7 30.5 30.6 30.2 30.5 30.7 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 27.0 28.1 27.4 27.3 27.5 27.3 25.5 25.2 27.1 27.0 28.3 27.9 27.3 27.2 26.4 25.9 26.1 27.6 26.5 25.5 25.3 25.3 23.5 27.6 28.7 28.2 26.1 26.3 28.2 26.9 25.7 24.2 24.4 24.7 25.1 25.9 26.2 26.3 27.7 26.1 25.9 25.8 26.2 26.6 25.3 24.5 25.2 25.3 26.1 26.3 25.2 25.7 29.4 30.7 30.3 30.5 31.0 30.7 31.0 30.0 30.7 30.5 30.7 30.4 30.2 30.5 30.4 30.2 29.2 29.8 31.6 30.3 31.2 31.0 31.6 30.7 30.7 30.7 30.8 31.1 32.0 30.2 29.8 30.3 30.0 30.3 30.6 30.4 30.9 30.2 30.7 30.5 30.4 30.9 31.0 30.0 28.8 30.4 30.0 29.8 29.5 29.9 29.9 29.8 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 26.0 25.1 26.0 25.5 24.9 23.8 23.9 25.7 26.2 26.5 26.0 25.5 24.9 24.7 26.4 26.5 26.5 24.3 22.5 25.6 25.5 24.2 24.6 25.1 25.2 24.9 25.1 24.2 23.3 25.3 24.9 22.9 22.6 24.0 23.9 24.6 22.7 21.7 23.4 24.4 25.5 25.5 25.3 25.7 23.1 24.9 24.5 25.6 24.0 22.9 24.9 24.7 26.9 26.6 26.6 27.2 27.5 28.6 27.7 27.4 27.6 27.8 27.0 26.7 29.0 28.0 27.7 27.6 27.5 27.6 27.7 27.0 26.8 26.5 26.5 26.6 26.7 25.9 26.4 26.0 26.5 26.9 26.5 26.9 27.1 26.9 27.3 26.4 26.2 25.7 26.4 25.7 26.1 26.8 27.0 27.2 26.0 26.4 26.5 26.8 26.3 26.2 26.5 26.3 XXI �ANEXOS 23.3 25.1 24.9 24.9 23.9 22.3 23.6 23.4 24.6 23.3 22.7 24.1 Temperatura (Grados Celsius) 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 27.3 28.4 27.9 26.4 26.5 27.5 27.3 27.2 27.3 27.4 27.1 26.4 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 24.4 24.9 25.1 24.2 25.3 25.5 24.5 25.2 26.0 24.8 25.3 25.0 27.6 28.1 29.2 28.7 29.8 29.2 29.6 29.8 29.5 29.4 28.7 28.4 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 26.8 25.3 26.4 27.0 27.9 28.0 28.2 27.2 28.2 28.0 27.9 27.3 31.1 31.2 31.0 30.7 30.9 31.3 30.0 30.1 30.4 31.2 31.9 31.4 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 25.6 25.9 26.2 25.7 25.9 25.5 26.0 25.9 26.2 26.3 26.2 24.7 30.2 29.5 29.4 28.8 29.1 30.1 29.3 28.7 29.6 29.9 29.9 29.3 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 23.7 23.8 23.2 23.0 23.4 23.2 24.5 25.3 25.2 25.0 24.0 23.1 26.8 27.6 27.0 26.2 26.2 26.6 26.7 26.2 26.4 26.6 25.3 26.2 34 Temperatura mínima 32 Temperatura máxima 30 28 26 24 22 20 18 1 20 39 58 77 96 115 134 153 172 191 210 229 248 267 286 305 324 343 362 Día Figura 2. Gráfico de las temperaturas mínimas y máximas. Climatología local Se desarrolló un modelo que permite calcular la temperatura ambiental horaria para cualquier día del año a partir de las temperaturas máxima y mínima. Dicho modelo se obtuvo correlacionando registros históricos reportados y ha mostrado confiabilidad en su manejo [65]. El modelo consiste en una función de Fourier que adquiere las siguientes expresiones:  2πt   2πt  Tˆ (t ) = m + A cos ; t = 1,2,3...24  + Bsen  24   24  (1) T max − T (t ) Tˆ (t ) = T max − T min (2) Donde: t: hora del día; adimensional m, A, B : parámetros de ajuste de la función de Fourier; adimensional Tmax: temperatura máxima; oC Tmin: temperatura mínima; oC XXII �ANEXOS Los parámetros de ajuste para el caso de estudio situado en la Playa Pesquero del municipio Rafael Freyre de la Provincia de Holguín, Cuba son: Tabla 6. Datos de la localidad y de la función de Fourier para estimar las temperaturas A B <m> 0,4013772 0,2310791 0,5702869 Latitud Longitud LST 21,80 79,99 70,00 XXIII �ANEXOS ANEXO 7 RNA24hFinal Genera y prepara toda la data obtenida de la simulación térmica del edificio, para el proceso de aprendizaje de las RNA % % % % ------------------------------------------------------------------------Programa para cargar los datos de la modelación térmica del edificio para ser usados en la modelación con redes neuronales artificiales. ------------------------------------------------------------------------clear,clc % Function CCE format short g % "CCE_termica", CCE-Variable; Fichero con el que salvó la carga térmica % completa (24 columnas, 365 días 59 matrices) load CCE_termica % Cargar ocupación promedio ocp = xlsread('Datos Finales.xls','Hoja1','bm6:ds370'); % Cargar temperatura ambiente durante un año promedio cada 3 horas Tamb8horas = xlsread('Datos Finales.xls','Hoja2','a1:h365'); % Cargar temperatura ambiente durante un año promedio Tamb24horas =xlsread('Tamb24horasF.xls','Hoja1','a1:x365'); % Cargar los valores de las horas, meses y dia. Horas24 = xlsread('24horas','Hoja1','a1:x365'); Meses = xlsread('Meses', 'Hoja1', 'a1:x365'); Dia = xlsread('Dia', 'Hoja1', 'a1:x365'); % Para determinar el valor máximo de las CT del año CCEMax = max(CCE,[],2); % Máximo de Qt(CCE) de cada hab. cada día del año for H=1:59 CCEMax1(:,H)=[CCEMax(:,:,H)]; % Matriz de máximo de CCE por cada % habitación los 365 días end CTmaxE = max(CCEMax1(:,H)); CTmaxEdif = max(CCEMax1(:,32)); % Para preparar las horas en valores PU para la modelación en RNA Horas24pu = Horas24/24; Hpu = permute(Horas24pu,[2 1]); Hpu_columnapu = reshape(Hpu,[],1); % Matriz de carga de enfriamiento en un % vector columna Hpu_filapu = reshape(Hpu,1,[]); % Matriz de carga de enfriamiento en una % fila en BTU/h % Para preparar las temperaturas ambientes para la modelación en RNA Tamb24horasmax = max(Tamb24horas(:)); Tamb24horaspu = Tamb24horas/Tamb24horasmax; Tambpu = permute(Tamb24horaspu,[2 1]); Tambpu_columna = reshape(Tambpu,[],1); Tambpu_fila = reshape(Tambpu,1,[]); % Para preparar los datos de los meses para la modelación en RNA Mesespu = Meses/12; M = permute(Mesespu,[2 1]); Mesespu_columna = reshape(M,[],1); XXIV �ANEXOS Mesespu_fila = reshape(M,1,[]); %Para preparar los datos de los días para la modelación en RNA Diapu = Dia/365; D = permute(Diapu,[2 1]); Diapu_columna = reshape(D,[],1); Diapu_fila = reshape(D,1,[]); % Matrices de entrada de datos a las RNA ERNA = [Tambpu_fila; Hpu_filapu; Mesespu_fila]; ERNA1 = [Tambpu_fila; Hpu_filapu]; ERNA2 = [Tambpu_fila; Hpu_filapu; Mesespu_fila; Diapu_fila]; ERNA3 = [Tambpu_fila; Hpu_filapu; Diapu_fila]; ERNA4 = [Tambpu_fila; Diapu_fila]; CT1_24h =CCE(:,:,1); CT1_24hpu =CCE(:,:,1)/CTmaxEdif; X1pu = permute(CT1_24hpu,[2 1]); CT1_columnapu = reshape(X1pu,[],1); CT1_filapu = reshape(X1pu,1,[]); . . . CT59_24h =CCE(:,:,59); CT59_24hpu =CCE(:,:,59)/CTmaxEdif; X59pu = permute(CT59_24hpu,[2 1]); CT59_columnapu = reshape(X59pu,[],1); CT59_filapu = reshape(X59pu,1,[]); % valores en BTU Total= CT1_24h + CT2_24h + CT3_24h + CT4_24h + CT5_24h + CT6_24h +... CT7_24h + CT8_24h + CT9_24h + CT10_24h + CT11_24h + CT12_24h + CT13_24h +... CT14_24h + CT15_24h + CT16_24h + CT17_24h + CT18_24h + CT19_24h +... CT20_24h + CT21_24h + CT22_24h + CT23_24h + CT24_24h + CT25_24h +... CT26_24h + CT27_24h + CT28_24h + CT29_24h + CT30_24h + CT31_24h +... CT32_24h + CT33_24h + CT34_24h + CT35_24h + CT36_24h + CT37_24h +... CT38_24h + CT39_24h + CT40_24h + CT41_24h + CT42_24h + CT43_24h +... CT44_24h + CT45_24h + CT46_24h + CT47_24h + CT48_24h + CT49_24h +... CT50_24h + CT51_24h + CT52_24h + CT53_24h + CT54_24h + CT55_24h +... CT56_24h + CT57_24h + CT58_24h + CT59_24h; % valores en kW Total1=Total/12000*3024/360; Find_Good _RNA3 Función que automatiza el proceso aprendizaje durante la búsqueda de la mejor RNA que se aproxime a los datos con los cuales se entrena. % Función para la automatización del aprendizaje de las RNA… function [Good_net,DE]=Find_Good_RNA(P,T,Epoch) % Inicializando datos Good_net=0; Er_save=0; % Ciclo con diferentes porcentajes de los datos aleatorios for kk = 0.2:0.1: 0.5 XXV �ANEXOS % Calculando los datos aleatorios que participarán en el entrenamiento Dmed=sort(fix(rand(1,length(T)*kk)*length(T)-1)); Dmed(find(Dmed==0))=[]; Te=T(:,Dmed); Pe=P(:,Dmed); fprintf('------------------------------------- ------------ \n'); fprintf('Se escojerán aleatoramente para el entrenamiento \n'); fprintf('un %3.0f',kk*100);fprintf('porcentaje de los datos \n'); fprintf('-------------------------------------------------- \n'); % Ciclo con diferentes tipos de entrenamientos TFnc ={'trainlm','trainRP','traingdm','traingda'}; for c= 1: length(TFnc) % Ciclo con diferentes tipos de función de transferencia. FncTF = {'tansig', 'logsig'}; for m = 1 : length(FncTF) % Ciclos con diferentes cantidades de neuronas en la capa intermedia for k = 3 :1: 50 fprintf('----------------------------------------------------\n'); fprintf(' RNA %2.0f',k); fprintf(' Neuronas en la capa. Itmedia\n'); fprintf([' Se utilizará fun. de transferencia (' FncTF{m} ')\n']); fprintf([' Se utilizará el tipo de entrenamiento(' TFnc{c} ')\n']); fprintf('---------------- ------------------------------------\n'); % Crea la RNA con las características deseadas net=newff(P,T,[k 1],{FncTF{m}, FncTF{m}, 'purelin'},TFnc{c}); net.trainFcn=TFnc{c}; net.trainparam.showwindow=false; % Ciclo variando los pesos iniciales de la RNA escogida for i = 1 : Epoch net=init(net); fprintf('RNA %3.0f',i);fprintf(' Entrenando\n'); net=train(net,Pe,Te); fprintf('Entrenamiento finalizado \n'); fprintf('Calculando el error\n'); CT_RNA=sim(net,P); R=corrcoef(T,CT_RNA); R=abs(min(R)); R=abs(R(1)*100); fprintf('Coeficiente de Correlación %3.2f',R); fprintf(' %% \n'); if R -(k/30) > Er_save Good_net=net; fprintf('--> La mejor RNA ha sido cambiada <---\n',i); Er_save=R; DE=Pe; end end end end end end XXVI �ANEXOS Comprobación_RNA Comprueba los coeficientes de correlación de los mejores modelos basados en RNA de la carga térmica de enfriamiento de los locales del edificio y el error cuadrático medio de los modelos. Ambos resultados se introducen en una sola variable. % % % % % % ------------------------------------------------------------------------Programa para determinar los coeficientes de correlación de los mejores modelos basados en RNA de la carga térmica de enfriamiento de los locales del edificio y el error cuadrático medio. Ambos resultados se introducen en una sola variable. ------------------------------------------------------------------------load ( 'CTnet1.mat' ); R = CalCoefCorr(Good_net, ERNA3, CT1_filapu); R1 = R; C1=sim(Good_net,ERNA3); e1=mse(CT1_filapu-C1); CT1=C1'; . . . load ( 'CTnet59.mat' ); R = CalCoefCorr(Good_net, ERNA3, CT59_filapu); R59 = R; C59=sim(Good_net,ERNA3); e59=mse(CT59_filapu-C59); CT59=C59'; RT=[R1; R2; R3; R4; R5; R6; R7; R8; R9; R10;... R11; R12; R13; R14; R15; R16; R17; R18; R19; R20;... R21; R22; R23; R24; R25; R26; R27; R28; R29; R30;... R31; R32; R33; R34; R35; R36; R37; R38; R39; R40;... R41; R42; R43; R44; R45; R46; R47; R48; R49; R50;... R51; R52; R53; R54; R55; R56; R57; R58; R59] CTRNA = [CT1 CT2 CT3 CT4 CT5 CT6 CT7 CT8 CT9 CT10... CT11 CT12 CT13 CT14 CT15 CT16 CT17 CT18 CT19 CT20... CT21 CT22 CT23 CT24 CT25 CT26 CT27 CT28 CT29 CT30... CT31 CT32 CT33 CT34 CT35 CT36 CT37 CT38 CT39 CT40... CT41 CT42 CT43 CT44 CT45 CT46 CT47 CT48 CT49 CT50... CT51 CT52 CT53 CT54 CT55 CT56 CT57 CT58 CT59]; CTREAL= [CT1_columnapu CT2_columnapu CT3_columnapu CT4_columnapu... CT5_columnapu CT6_columnapu CT7_columnapu CT8_columnapu CT9_columnapu ... CT10_columnapu CT11_columnapu CT12_columnapu CT13_columnapu CT14_columnapu... CT15_columnapu CT16_columnapu CT17_columnapu CT18_columnapu CT19_columnapu... CT20_columnapu CT21_columnapu CT22_columnapu CT23_columnapu CT24_columnapu... CT25_columnapu CT26_columnapu CT27_columnapu CT28_columnapu CT29_columnapu... CT30_columnapu CT31_columnapu CT32_columnapu CT33_columnapu CT34_columnapu... CT35_columnapu CT36_columnapu CT37_columnapu CT38_columnapu CT39_columnapu... CT40_columnapu CT41_columnapu CT42_columnapu CT43_columnapu CT44_columnapu... CT45_columnapu CT46_columnapu CT47_columnapu CT48_columnapu CT49_columnapu... CT50_columnapu CT51_columnapu CT52_columnapu CT53_columnapu CT54_columnapu... CT55_columnapu CT56_columnapu CT57_columnapu CT58_columnapu CT59_columnapu]; ECMT = [e1; e2; e3; e4; e5; e6; e7; e8; e9; e10; e11; e12; e13; e14; e15; ... e16; e17; e18; e19; e20; e21; e22; e23; e24; e25; e26; e27; e28; e29; e30;... e31; e32; e33; e34; e35; e36; e37; e38; e39; e40; e41; e42; e43; e44; e45;... e46; e47; e48; e49; e50; e51; e52; e53; e54; e55; e56; e57; e58; e59]; Final = [RT ECMT]; XXVII �ANEXOS Pesos_bias Permite extraer los pesos y las polarizaciones de los modelos RNA ya obtenidos, los cuales son preparados en ficheros txt para ser usados en la aplicación “OcupaHotel MTH” %-------------------------------------------------------------------% Programa para extraer los valores de los pesos y las polarizaciones % de los modelos de las RNA para variables del WorkSpace... %-------------------------------------------------------------------load('CTnet1.mat') IW1h1 = Good_net.IW{1}; LW2h1 = Good_net.LW; LW3h1 = Good_net.LW{3,2}; b1h1 = Good_net.b{1}; b2h1 = Good_net.b; b3h1 = Good_net.b{3}; . . . load('CTnet59.mat') IW1h59 = Good_net.IW{1}; LW2h59 = Good_net.LW; LW3h59 = Good_net.LW{3,2}; b1h59 = Good_net.b{1}; b2h59 = Good_net.b; b3h59 = Good_net.b{3}; %---------------------------------------------------------------------% Para obtener los datos de los pesos y las polarizaciones de las RNA y % convertirlos en textos separados por tabuladores. %---------------------------------------------------------------------AG1 = fopen('IWh1.txt','wt'); fprintf(AG1,'%10.8f,%10.8f,%10.8f\n',IW1h1'); fclose(AG1); . . . AG59 = fopen('IWh59.txt','wt'); fprintf(AG59,'%10.8f,%10.8f,%10.8f\n',IW1h59'); fclose(AG59); %-----------------------------% Pesos de las capa intermedia. %-----------------------------A1 = fopen('LW2h1.txt','wt'); fprintf(A1,'%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%1 0.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f',L W2h1'); fclose(A1); . . . A59 = fopen('LW2h59.txt','wt'); fprintf(A59,'%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,%10.8f,% 10.8f',LW2h59'); fclose(A59); %------------------------% Pesos de la última Capa. %------------------------B1 = fopen('LW3h1.txt','wt'); fprintf(B1,'%10.8f',LW3h1'); XXVIII �ANEXOS fclose(B1); . . . B59 = fopen('LW3h59.txt','wt'); fprintf(B59,'%10.8f',LW3h59'); fclose(B59); %----------------------------------% Polarizaciones de la primera Capa. %----------------------------------C1 = fopen('b1h1.txt','wt'); fprintf(C1,'%10.8f\n',b1h1'); fclose(C1); . . . C59 = fopen('b1h59.txt','wt'); fprintf(C59,'%10.8f\n',b1h59'); fclose(C59); %----------------------------------% Polarizaciones de la segunda Capa. %----------------------------------X1 = fopen('b2h1.txt','wt'); fprintf(X1,'%10.8f',b2h1'); fclose(X1); . . . X59 = fopen('b2h59.txt','wt'); fprintf(X59,'%10.8f',b2h59'); fclose(X59); %----------------------------% Polarizaciones Tercera Capa %----------------------------Z1 = fopen('b3h1.txt','wt'); fprintf(Z1,'%10.8f',b3h1'); fclose(Z1); . . . Z59 = fopen('b3h59.txt','wt'); fprintf(Z59,'%10.8f',b3h59'); fclose(Z59); Get_CT Función que se le especifican los datos de entrada y el número de la habitación y devuelve el resultado de la carga térmica de enfriamiento. %---------------------------------------------------------------------------% Función a la que se le introducen los datos de entrada al modelo % especificado en RNA y el número de la habitación y devuelve el resultado % de la carga térmica de enfriamiento %---------------------------------------------------------------------------function [CT]=Get_CT(Data,Hab) NHab=int2str(Hab); FileName=['CTnet' NHab '.mat']; load (FileName); CT=sim(Good_net,Data); end XXIX �ANEXOS procinps Función para preparar las variables antes de entrar a la simulación de la RNA % ---------------------------------------------------% Función que realiza el procesamiento de las entradas % ---------------------------------------------------function [p]=procinps(net,x) % Obtención de los valores máximos y mínimos de entradas de la RNA ymax=1; ymin=-1; xmax=net.inputs{1}.processSettings{3}.xmax; xmin=net.inputs{1}.processSettings{3}.xmin; % Calcula los rangos de entrada Q = size(x,2); oneQ = ones(1,Q); rangex = xmax-xmin; rangex(rangex==0) = 1; % Avoid divisions by zero rangey = ymax-ymin; %% Cálculo de los valores de entradas modificados p = rangey * (x-xmin(:,oneQ))./rangex(:,oneQ) + ymin; end procOuts Función para preparar las variables antes de salir de la simulación de la RNA % --------------------------------------------------% Función que realiza el procesamiento de las salidas % --------------------------------------------------function [p]=procOuts(net,y) % Obtención de los valores máximos y mínimos de salidas de la RNA. ymax=1; ymin=-1; xmax=net.outputs{3}.processSettings.xmax; xmin=net.outputs{3}.processSettings.xmin; % Calcula los rangos de la salida Q = size(y,2); oneQ = ones(1,Q); rangex = xmax-xmin; rangey = ymax-ymin; x = rangex(:,oneQ).* (y-ymin)*(1/rangey) + xmin(:,oneQ); %% Cálculo de los valores de salidas modificados p = rangex(:,oneQ).* (y-ymin)*(1/rangey) + xmin(:,oneQ); end XXX �ANEXOS RNA59 Programa que demuestra los cambios internos que sufren las variables antes de entrar y salir a la simulación de una RNA. % % % % % --------------------------------------------------------------------------Programa para probar resultados simulados mediante las expresiones matemáticas de los modelos en RNA y por la instrucción de simulación, llamando a la estructura de un modelo RNA ya creado. --------------------------------------------------------------------------clc % -------------------------------------------------------------------------% Carga el modelo RNA de cualquier habitación y se obtienen los pesos y bias % -------------------------------------------------------------------------load('CTnet25.mat'); T = CT25_filapu; IW11 LW21 LW32 b1 = b2 = b3 = = Good_net.IW{1,1}; = Good_net.LW{2,1}; = Good_net.LW{3,2}; Good_net.b{1}; Good_net.b; Good_net.b{3}; S=[]; P=ERNA3; n=1000; ERNA31=ERNA3(:,[1:n]); % --------------------------------------------------% Cálculo de las RNA con las fórmulas convencionales % --------------------------------------------------for I=1:n; p=procinps(Good_net,P(:,I)); layer1=tansig(IW11*p+b1); % Capa Calculada con la formula layer2=tansig(LW21*layer1+b2); layer3=purelin(LW32*layer2+b3); S(I)=procOuts(Good_net,layer3); end %-----------------------------------------------------------------% Cálculo de las RNA con las instrucciones de simulación de MATLAB %-----------------------------------------------------------------C1=sim(Good_net,ERNA31); % % % % ----------------------------------------------------------------------Graficar datos de carga térmica de enfriamiento por ambos métodos y los valores reales de las mismas ----------------------------------------------------------------------plot(C1,'k'); % Datos simulados mediante instrucción hold all plot(T([1:n]),'b') % Datos reales de la simulación térmica inicial. plot(S,'r') % Datos del modelo RNA corridos mediante ecuación. XXXI �ANEXOS ANEXO 8 CONFIGURACIÓN GENERAL DE LOS SCCAH A FLUJO VARIABLE Y PROPIEDADES TERMOFÍSICAS DEL AGUA Figura 1. Configuración de los SCCAH a flujo variable en relación a los CSAF: a) configuración sencilla; b) configuración compleja [46]. Tabla .1 Propiedades termo-físicas del agua para temperaturas admisibles en los CSAF [60]. Temperatura (K) 273,15 275 280 285 290 295 300 285,45 Temperatura (oC) 0 1,85 6,85 11,85 16,85 21,85 26,85 12,30 Volumen específico Calor específico Densidad 3 (m /kg) (kJ/kg·K) (kg/m3) 0,001 4,217 1000 0,001 4,211 1000 0,001 4,198 1000 0,001 4,189 1000 0,001001 4,184 999,000999 0,001002 4,181 998,003992 0,001003 4,179 997,0089731 0,0010009 4,194 999,144852 *: Los valores de la última fila corresponden a los valores promedios. XXXII �ANEXOS ANEXO 9 EJEMPLO DE CAPACIDAD Y POTENCIA EN UN COMPRESOR Y GRÁFICO DE PROPIEDADES DEL REFRIGERANTE FREÓN 22 Figura 1. Ejemplo de curvas típicas de capacidad y potencia de un compresor [47]. XXXIII �ANEXOS Figura 2. Gráfico de presión contra entalpía del refrigerante Freón 22 [167]. XXXIV �ANEXOS ANEXO 10 SEUDO-CÓDIGO DEL ALGORITMO PARA OBTENER EL CÓDIGO Oc DADO EL NÚMERO DE ORDEN DE LA COMBINACIÓN c Procedimiento INICIADATOS Tipo de variable vg: arreglo de enteros {Vector de enteros} Variables principales v : arreglos de vg {Matriz de enteros} s : cadena de caracteres Datos de Entrada D : total de habitaciones listas o disponibles HAO: total de habitaciones a seleccionar c : número de la combinación que se quiere ver el código A. Asignar a la variable v una longitud HAO+1 o sea, eso significa que v contiene HAO+1 vectores del tipo vg B. Asignar a v[0] una longitud D+1 o sea que v[0] es un vector de D+1 enteros. C. Para i = 1 hasta i = HAO, asignar a v[i] longitudes iguales a: D-i+2 Por ejemplo, si D = 10 y HAO = 3 v[0] = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0] v[1] = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0] v[2] = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0] v[3] = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0] D. Para j = 1 hasta j=D hacer v[1, j] = 1 y entonces queda en el ejemplo: v[1] = [0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1] E. Si k>1 entonces para j=1 hasta j=D-1 hacer v[2,j]=j y queda para el ejemplo: v[2]=[0,1,2,3,4,5,6,7,8,9] F. Para i = 3 hasta i = HAO hacer v[i,1] = 1 Para j = 2 hasta j=D–i+1 hacer: h=0 Para r = 1 hasta r = j hacer: h = h + v[i-1,r] v[i,j]=h G. Hacer: s1 = 0; s2 = 0; i = 0 y S = ’’ (cadena vacía de caracteres) Repetir: s1 = s1 + v[k,i] s2 = s2 + v[k,i+1] Hasta que: (s1 < c) y (c ≤ s2) Aquí sale un valor de i que será utilizado en los pasos G o H. s1 + s 2 Si c ≤ entonces ok = true. En otro caso ok = false 2 S=’’ G. Si ok = true entonces: XXXV �ANEXOS Mientras longitud de S < HAO - 1 hacer: S = S + ’1’ Para j =1 hasta j = i - 1 hacer: S = ’0’ + S S = ’1’ + S Mientras longitud de s < D hacer S=’0’+S H. Si ok = false entonces Mientras longitud de s < i -1 hacer: S = S +’0’ Para j = 1 hasta j = HAO hacer: S = ’1’+ S Mientras longitud de s < D hacer: S = ’0’ + S I. h = 0 t=1 Para j = D hasta j = 1 hacer h = h + S[ j ] * t t=t*2 Valores de Salida. s1: número de orden de la secuencia compacta inicial s2: número de orden de la secuencia compacta final ok: si es True: comienza en s1. si es False: comienza en s2 h: número decimal que representa a la cadena binaria desde donde se comienza Ejemplo: Procedimiento 1 n = 10 HAO = 3 C=5 v[0] = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0] v[1] = [0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1] v[2] = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] v[3] = [0, 1, 3, 6, 10, 15, 21, 28, 36] Como c=5, entonces: s1 = 0 + 1 + 3 = 4 s2 = 1 + 3 + 6 = 10 Además, se establece que: ok = true porque c = 5 ≤ (4 + 10)/ 2 = 7 Siendo ok=true, entonces se determina s: s = ‘‘ s = ‘11’ s = ‘0011’ s = ‘10011’ s = ‘0000010011’ Ahora se calcula h: h=0 l=1 h = 1*1 = 1 l=2 h = 1 + 1*2 = 3 l=4 h = 3 + 0*4 = 3 l=8 h = 3 + 0*8 = 3 l = 16 h = 3 + 1*16 = 19 l = 32 Luego: h =19 XXXVI �ANEXOS ANEXO 11 PROCEDIMIENTO GENERA-CÓDIGO Entrada: D: total de habitaciones disponibles HAO: total de habitaciones a seleccionar c: número de la combinación que se quiere ver el código h: cadena desde donde se comienza s1: Número de orden de la secuencia compacta inicial s2: Número de orden de la secuencia compacta final ok: Si es True: comienza en s1. Si es false: comienza en s2 h: Número decimal que representa a la cadena binaria desde donde se comienza A - Si ok = true entonces Repetir i=h res = 0 Repetir r = i mod 2 res = res + r i = i div 2 Hasta que i < 2 res = res + i Si res = HAO, entonces: s1 = s1 + 1 h = h+1 Hasta que: s1 = c S =’’ x=h-1 j=0 Repetir r = x mod 2 Si r = 1 entonces: S=’1’+S. En caso contrario: S=’0’+S j=j+r x = x div 2 Hasta que: x < 2 j=j+x S = CadenaDeCaracteresDe(x) + S Si j = HAO entonces Mientras longitud de S < D, hacer: S = ‘0’+ S B. Si ok = false entonces Repetir i=h res = 0 Repetir r = i mod 2 res = res + r i = i div 2 Hasta que: i < 2 res = res + i XXXVII �ANEXOS Si res = HAO, entonces: s2 = s2 – 1 h = h-1 Hasta que: s2 = c S = ‘‘ x = h+1 j=0 Repetir r = x mod 2 Si r = 1 entonces: S = ‘1’ + S. En caso contrario: S = ‘0’ + 1 j=j+r x = x div 2 Hasta que: x < 2 j=j+x S = CadenaDeCaracteresDe(x) + S Si j = x entonces Mientras longitud de s < n, hacer: S = ‘0’+ S C. Salida: La cadena de caracteres S que contiene el código Nota: • A div B: el resultado es el cociente de la división entera de A entre B donde A y B son números enteros. Por ejemplo: 5 div 2 = 2 • A mod B: el resultado es el residuo de la división entera de A entre B. Por ejemplo: 5 mod 2 =1 Ejemplo: Procedimiento 2 n = 10 HAO = 3 c=5 h = 19 s1 = 4 s2 = 11 i = h = 19 res = 0 r = i mod 2 =19 mod 2 = 1 res = res + r = 0 +1 = 1 i = i div 2 = 19 div 2 = 9 r = i mod 2 = 9 mod 2 = 1 res = res + r = 1 + 1 = 2 i = i div 2 = 9 div 2 = 4 r = i mod 2 = 4 mod 2 = 0 res = res + r = 2 + 0 = 2 XXXVIII �ANEXOS i = i div 2 = 4 div 2 = 2 r = i mod 2 = 2 mod 2 = 0 res = res + r = 2 + 0 = 2 i = i div 2 = 2 div 2 = 1 res = res + i = 2 + 1 = 3 Como res = HAO = 3, entonces: s1 = s1 + 1 = 4 + 1 = 5 h = h +1 = 19 +1 = 20 Como s1 = c = 5, entonces: S = ‘‘ x = h - 1 = 20 -1 = 19 j=0 r = x mod 2 = 19 mod 2 = 1 Como r = 1 entonces: S = ‘1’ + S = ‘1’ j=j+r=0+1=1 x = x div 2 = 19 div 2 = 9 r = x mod 2 = 9 mod 2 = 1 Como r = 1 entonces: S = ‘1’ + S = ‘11’ j=j+r=1+1=2 x = x div 2 = 9 div 2 = 4 r = x mod 2 = 4 mod 2 = 0 Como r = 0 entonces: S = ‘0’ + S = ‘011’ j=j+r=2+0=2 x = x div 2 = 4 div 2 = 0 r = x mod 2 = 2 mod 2 = 0 Como r = 0 entonces: S = ‘0’ + S = ‘0011’ j=j+r=2+0=2 x = x div 2 = 2 div 2 = 1 j=j+x=2+1=3 S = IntToStr(x) + S = ‘10011’ S = ‘0000010011’ {Resultado} XXXIX �ANEXOS ANEXO 12 ALGORITMO PARA LAS MEJORAS ALEATORIAS, LOS CRUZAMIENTOS Y LAS MUTACIONES EN EL ALGORITMO GENÉTICO Figura 1. Algoritmo para las mejoras aleatorias de la población. Figura 2. Algoritmo para los cruzamientos y las mutaciones. XL �ANEXOS ANEXO 13 INFORMACIONES DEL CIRCUITO SECUNDARIO DE AGUA FRÍA CASO DE ESTUDIO El hotel donde se encuentra el CSAF caso de estudio es de administración conjunta entre la cadena española Blau y la cubana Gaviota S.A. El hotel es de 4 estrellas y posee un total de 305 habitaciones. El sistema constructivo empleado está constituido por una solución estructural. La estructura es de pórtico hormigonado in situ, con entrepisos y cubiertas viguetas y bovedillas. Los muros exteriores son de bloques de 0,15 m y los tabiques interiores son ligeros de yeso-cartón con armadura de perfiles canal de acero galvanizado y aislamiento acústico de lana de roca, exceptuando closet y patinejos que se levantaron con bloques de 0,10 m. La solución de impermeabilización es con enrajonado y soldadura en las partes planas y mantas asfálticas. Las habitaciones cuentan con una distribución convencional en planta, los diferentes niveles están compuestos por: - Primer nivel (19 habitaciones): cada una de las habitaciones se agrupan en, 11 típicas con un área de 35,75 m2, cuatro culatas con un área de 41,10 m 2 y cuatro intercomunicadas con 35,9 m2 . - Segundo Nivel (22 habitaciones): cada una de las habitaciones se agrupan en 14 típicas con un área de 35,75 m2; cuatro culatas con un área de 41,10 m2 y cuatro intercomunicadas con un área de 35,9 m2. - Tercer Nivel (18 habitaciones): cada una de las habitaciones se agrupan en 14 típicas con un área de 35,75 m2 y cuatro intercomunicadas con un área de 35,9 m2. Se usa el falso techo de yeso en la parte del vestíbulo y en el baño. La carpintería interior es de madera pintada en color azul y la de la terraza es de aluminio en el mismo color. De forma general el color que predomina en la habitación es el azul en diferentes tonalidades combinados con amarillo. En las siguientes figuras se pueden apreciar los planos de planta de las habitaciones según el nivel, y una panorámica de las habitaciones típicas. XLI �ANEXOS Figura 1. Primer nivel (tomado del expediente técnico del hotel). Figura 2. Segundo nivel (tomado del expediente técnico del hotel). Figura 3. Tercer nivel (tomado del expediente técnico del hotel). XLII �ANEXOS a) b) c) d) Figura 4. Imágenes de las habitaciones: a) interior de las habitaciones, b) entrada de las habitaciones donde se aprecia la succión y la descarga de aire de las unidades terminales c) vista parcial del baño y d) puerta corrediza de cristal y cortinas del balcón. El sistema de climatización en la actualidad cuenta con tres unidades enfriadoras trabajando en paralelo, una es de la marca FRIOCLIMA modelo CHAWT 1602 con una capacidad frigorífica de 456 kW para una potencia de 167 kW y dos enfriadoras de la marca GREE de 250 kW de capacidad y 77 kW de potencia eléctrica cada una. El CPAF está compuesto por cuatro bombas de 50 m3/h, 12 m de altura de carga y una potencia de 3,45 kW cada una (tres bombas trabajan en paralelo de forma continua y una es reserva). El CSAF lo componen 14 bombas, las cuales se encuentran ubicadas en parejas por cada una de las siete zonas (la que está funcionando se le denomina principal y la otra reserva). En la figura 8 se presenta el SCCAH del hotel, las enfriadoras se representan mediante una sola unidad. XLIII �ANEXOS Figura 5. Esquema general simplificado del SCCAH del hotel Blau Costa Verde (tomado de la Automática del hotel). Las características específicas de las bombas de la zona 6, su motor de inducción y el variador de velocidad se exponen a continuación: Bomba centrífuga Figura 6. Curvas para diferentes velocidades de la bomba centrífuga [175]. XLIV �ANEXOS Las bombas centrífugas de los CSAF de las zonas poseen un eje vertical y bocas de aspiración e impulsión en línea. Datos de chapa del motor de inducción ‫ـ‬ Modelo AM132 – SZA2 ‫ـ‬ IP 55 ‫ـ‬ 50 Hz : Δ/Y 400/690 V 7.5 kW ‫ـ‬ 60 Hz : Δ 460 V 8.8 kW ‫ـ‬ cos ϕ : 0.89/0.90 2890/3490 rpm ‫ـ‬ 50 Hz 380 – 420/ 655 – 725 V 14.6/ 8.4 A ‫ـ‬ 60 Hz 440 – 480 V 14.1 A Variador de velocidad A continuación se presentan informaciones del variador de velocidad que incluyen las pruebas de ajustes como operación necesaria para la puesta a punto de la instalación. Se determinó que la ganancia proporcional (GP) y el tiempo de integración (TI) que permiten el mejor desempeño del controlador son GP=1 y TI=1,3 s, con tiempos de establecimiento de la presión entre 25 s y 31 s para el arranque y un error máximo de 1 kPa. La Figura 8 corrobora estas informaciones. Figura 7. Variador de velocidad Altivar 31empleado en el CSAF caso de estudio [52]. XLV �ANEXOS 510 Presión (kPa) 490 500 kPa P-1 T-1 470 500 kPa P-1 T-1,6 450 450 kPa P-1 T-1 500 kPa P-1 T-1,3 430 500 kPa P-1 T-0,01 410 500 kPa P-1 T-0,40 390 500 kPa P-1 T-0,80 500 kPa P-1 T-1,50 370 350 0 10 20 30 40 50 Segundos Figura 8. Pruebas de ajuste del controlador PI del VV ALTIVAR 31 [97]. Algunos componentes de la red hidráulica. a) b) c) d) e) f) Figura 9. Componentes de la red hidráulica: a) válvula de equilibrio STAF, b) válvula de equilibrio STA-DR; válvula de equilibrio STAD d) válvula de control de dos vías on/off; e) fan-coil de la familia FCX y f) entrada a un patinejo. XLVI �ANEXOS Datos de los nodos y tramos de la red hidráulica de los patinejos AB y CD resultado de la validación del modelo matemático de la red en EPANET. Tabla 1. Tramos de la red hidráulica Tramo Longitud Diámetro Caudal Velocidad Tramo Longitud Diámetro Caudal Velocidad <m> <mm> <l/s> <m/s> <m> <mm> <l/s> <m/s> 1-2 0,65 76,2 2,16 0,47 C-C3 2,25 38 1,07 0,94 3-4 98,9 76,2 2,16 0,47 C3-C31 2,5 12,7 0,37 2,94 2-3 2,35 76,2 2,16 0,47 C31-C32 4,05 12,7 0,20 1,57 4-5 11,8 76,2 2,16 0,47 C31-C33 5,4 12,7 0,17 1,37 5-6 7 76,2 2,16 0,47 C3-C2 3,1 25,4 0,70 1,38 6-7 3,1 76,2 2,16 0,47 C2-C1 3,1 19,05 0,34 1,19 7-A 81 76,2 2,16 0,47 C2-C21 2,5 12,7 0,36 2,82 12-13 2,35 76,2 2,16 0,47 C21-C22 4,05 12,7 0,19 1,5 11-12 98,9 76,2 2,16 0,47 C21-C23 5,4 12,7 0,17 1,32 A-A3 2,25 25,4 1,09 2,15 C1-C11 2,5 12,7 0,34 2,69 A3-A2 3,1 25,4 0,71 1,4 C11-C12 4,05 12,7 0,18 1,44 A2-A1 3,1 19,05 0,35 1,22 C11-C13 5,4 12,7 0,16 1,25 B2-B3 3,1 25,4 0,71 1,4 D32-D31 3,85 12,7 0,20 1,57 B1-B2 3,1 19,05 0,35 1,22 D33-D31 6,38 12,7 0,17 1,37 A3-A31 2,5 12,7 0,38 2,99 D31-D3 1,65 12,7 0,37 2,94 A31-A33 5,4 12,7 0,18 1,39 D22-D21 3,85 12,7 0,19 1,5 A31-A32 4,05 12,7 0,20 1,6 D23-D21 6,38 12,7 0,17 1,32 A2-A21 2,5 12,7 0,36 2,88 D21-D2 1,65 12,7 0,36 2,82 A21-A22 4,05 12,7 0,19 1,53 D2-D3 3,1 25,4 0,70 1,38 A21-A23 5,4 12,7 0,17 1,35 D1-D2 3,1 19,05 0,34 1,19 A1-A11 2,5 12,7 0,35 2,74 D12-D11 3,85 12,7 0,18 1,44 A11-A12 4,05 12,7 0,18 1,46 D13-D11 6,38 12,7 0,16 1,25 A11-A13 5,4 12,7 0,16 1,28 D11-D1 1,65 12,7 0,34 2,69 B32-B31 3,85 12,7 0,20 1,6 D3-DV1 1,05 38 1,07 0,94 B33-B31 6,38 12,7 0,18 1,39 DV2-D 1,2 38 1,07 0,94 B31-B3 1,65 12,7 0,38 2,99 B3-BV1 1,05 25,4 1,09 2,15 B22-B21 3,85 12,7 0,19 1,53 D-B 8 76,2 1,07 0,23 B23-B21 6,38 12,7 0,17 1,35 10-11 11,8 76,2 2,16 0,47 B21-B2 1,65 12,7 0,36 2,88 9-10 7 76,2 2,16 0,47 B12-B11 3,85 12,7 0,18 1,46 8-9 3,1 76,2 2,16 0,47 B13-B11 6,38 12,7 0,16 1,28 B -8 81 76,2 2,16 0,47 B11-B1 1,65 12,7 0,35 2,74 B4-B 1,2 25,4 1,09 2,15 A-C 8 76,2 1,07 0,23 BV2-B4 0,01 25,4 1,09 2,15 XLVII �ANEXOS Tabla 2. Nodos de la red hidráulica Nodo Cota Presión Cota Piez. <mca> <m> A <m> 12,05 21,98 33,99 C 12,05 21,97 7 12,05 22,31 6 15,15 5 Nodo Cota Presión Cota Piez. <m> <mca> <m> A12 5,10 23,17 28,26 33,98 B12 5,10 21,30 26,39 34,32 B13 5,10 21,68 26,77 19,22 34,33 A13 5,10 23,12 28,21 15,15 19,25 34,36 C32 11,30 17,74 29,03 4 3,35 31,10 34,41 B31 11,30 13,31 24,60 3 3,35 31,50 34,81 B21 8,20 16,64 24,83 2 0,50 34,36 34,82 B11 5,10 19,98 25,07 1 0,50 34,36 34,82 C33 11,30 17,68 28,97 8 12,05 3,86 15,87 C31 11,30 19,33 30,62 11 3,35 12,47 15,78 C3 11,30 22,62 33,90 12 3,35 12,07 15,38 C2 8,20 25,33 33,52 13 3,35 12,06 15,37 C1 5,10 28,00 33,09 14 3,35 11,71 15,06 C21 8,20 22,31 30,50 E0 0,50 - - C11 5,10 25,25 30,34 A3 11,30 22,06 33,34 C22 8,20 20,85 29,04 B3 11,30 11,08 22,36 C23 8,20 20,78 28,97 B 12,05 4,19 16,20 C12 5,10 23,90 28,99 A2 8,20 24,75 32,94 C13 5,10 23,86 28,95 A1 5,10 27,41 32,50 D32 11,30 15,68 26,97 B2 8,20 14,56 22,75 D33 11,30 16,11 27,40 B1 5,10 18,10 23,19 D22 8,20 18,86 27,05 A31 11,30 18,65 29,94 D23 8,20 19,28 27,47 A21 8,20 21,60 29,79 D12 5,10 22,10 27,19 A11 5,10 24,56 29,65 D13 5,10 22,46 27,55 A32 11,30 17,00 28,29 D31 11,30 14,17 25,46 A33 11,30 16,95 28,24 D21 8,20 17,48 25,67 A22 8,20 20,09 28,28 D11 5,10 20,83 25,92 A23 8,20 20,01 28,20 D3 11,30 12,01 23,29 D 12,05 4,2 16,21 D2 8,20 15,48 23,67 BV1 12,05 10,02 22,05 D1 5,10 19,01 24,10 BV2 4,52 16,55 DV1 12,05 11,22 23,25 B32 12,05 11,30 14,88 26,17 DV2 12,05 4,22 16,25 B33 11,30 15,32 26,61 9 15,15 0,75 15,86 B22 8,20 18,08 26,27 10 15,15 0,72 15,83 B23 8,20 18,52 26,71 B4 12,05 4,52 16,55 XLVIII �ANEXOS ANEXO 14 VENTANAS DE LA APLICACIÓN “OCUPAHOTEL MTH” Figura 1. Modelación y simulación hidráulica: ventana para datos y cálculo de la red hidráulica. Figura 2. Modelación y simulación térmica. XLIX �ANEXOS Figura 3. Ventana para las opciones combinatorias de la ocupación y la optimización. L �ANEXOS ANEXO 15 INFORMACIONES CLIMATOLÓGICAS DE LA LOCALIDAD Grados Celsius 29 28 27 26 Hora 25 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 Figura 1. Comportamiento medio anual de la temperatura ambiente horaria. Grados Celsius 31 30 29 28 27 26 25 24 23 Días 22 1 25 49 73 97 121 145 169 193 217 241 265 289 313 337 361 Figura 2. Comportamiento de la temperatura ambiente promedio diaria durante un año. La humedad relativa presenta un rango promedio de valores entre 72 % y 82 %. Los valores superiores a 80 % se presentan entre las 10:00 pm y la 7:00 am. Otras variables climatológicas asociadas y de las cuales en alguna medida depende el intercambio térmico son: las lluvias, la velocidad del viento predominante y la nubosidad. Los valores promedio históricos mensuales se presentan en la Figura 3. Estos valores son el resultado del análisis de más de 30 años. LI �ANEXOS 35 Temperaturas maximas medias (ºC) 30 Temperaturas mínimas medias (ºC) 25 Temeperatura medias (ºC) 20 Temperatura maxima absoluta (ºC) Temperatura mínima absoluta (ºC) 15 Total de días con lluvias 10 Rapidez del viento predominante (Km/h) 5 DIC NOV OCT SEP AGO JUL JUN MAY ABR MAR FEB 0 ENE Nubosidad Meses Figura 3. Comportamiento de los valores promedios mensuales históricos de la temperatura ambiente, días con lluvias, rapidez del viento y nubosidad. 180 160 140 Total de lluvias mensuales(mm) Humedad Relativa (%) 120 100 80 60 40 Meses 20 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Figura 4. Comportamiento de los valores promedios mensuales históricos de la humedad relativa y del total de lluvias mensuales. LII �ANEXOS Figura 5. Certificación de los datos climatológicos utilizados en la investigación. Figura 6. Temperatura ambiente promedio cada seis horas. LIII �ANEXOS ANEXO 16 RESULTADOS FUNDAMENTALES DE LA MODELACIÓN CON RNA DE LA CARGA Habitación Neuronas en capa intermedia Coeficiente de correlación Error Habitación Neuronas en capa intermedia Coeficiente de correlación Error Habitación Neuronas en capa intermedia Coeficiente de correlación Error TÉRMICA DE ENFRIAMIENTO DE LAS 59 HABITACIONES DEL EDIFICIO 6101 6102 6103 6104 6105 6106 6107 6108 6109 6110 6111 6112 6114 6115 6116 6117 6118 6119 6120 6201 15 11 13 16 10 11 20 14 12 25 9 13 12 20 12 23 16 10 10 13 0.92 0.95 0.91 0.91 0.94 0.92 0.89 0.90 0.92 0.91 0.93 0.93 0.90 0.90 0.93 0.91 0.90 0.93 0.93 0.93 0.000893 0.000480 0.000459 0.000436 0.000505 0.000933 0.000902 0.000472 0.001019 0.000904 0.001037 0.000991 0.000468 0.001038 0.000490 0.000447 0.000476 0.000496 0.000943 0.000900 6202 6203 6204 6205 6206 6207 6208 6209 6210 6211 6212 6214 6215 6216 6217 6218 6219 6220 6221 6222 15 17 27 16 14 23 11 30 14 8 11 6 6 14 13 12 10 17 16 11 0.95 0.90 0.91 0.95 0.95 0.91 0.90 0.96 0.95 0.97 0.96 0.97 0.97 0.94 0.90 0.94 0.93 0.90 0.90 0.93 0.000481 0.000461 0.000419 0.000495 0.000464 0.000436 0.000472 0.000418 0.000448 0.001955 0.001786 0.002058 0.002047 0.000459 0.001088 0.000477 0.000496 0.000462 0.000483 0.000502 6223 6301 6302 6303 6304 6305 6306 6307 6308 6309 6310 6311 6312 6314 6315 6316 6317 6318 6319 - 19 11 9 9 12 13 13 7 8 9 8 4 7 10 9 6 6 9 8 - 0.94 0.96 0.95 0.96 0.96 0.95 0.95 0.96 0.96 0.96 0.96 0.97 0.97 0.96 0.96 0.97 0.97 0.96 0.95 - 0.000877 0.001453 0.001173 0.001126 0.001125 0.001102 0.001115 0.001166 0.001161 0.001077 0.001811 0.001960 0.001163 0.001105 0.001071 0.001202 0.001215 0.001118 0.001816 - LIV �ANEXOS ANEXO 17 EJEMPLO DE LA LITERATURA QUE SE RESUELVE CON EL MÉTODO DEL GRADIENTE IMPLEMENTADO EN LA APLICACIÓN “OCUPAHOTEL MTH” La red mostrada en la Figura 1 tiene una válvula en la tubería 2-3, la cual se encuentra parcialmente cerrada y produce una pérdida menor local de 10.0 V2/2g, la presión en el punto 1 es 100 mca. Se puede suponer que en todos los tubos, salvo en el tramo 2-3 las pérdidas menores son despreciables. Los demás datos se muestran en la Figura 1. Figura 1. Red hidráulica para resolver mediante el Método del Gradiente [78]. Figura 2. Resultados del cálculo de la red en una versión de la aplicación OcupaHotel MTH. LV �ANEXOS ANEXO 18 COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS ENTRE EL EPANET Y LA APLICACIÓN OCUPAHOTEL MTH, TENIENDO EN CUENTA LAS OPERACIONES DEL ALGORITMO DE OPTIMIACIÓN DE LA VELOCIDAD DE LA BOMBA Caudales Tramo 1-2 3-4 2-3 4-5 5-6 6-7 7-A 12-13 11-12 A-A3 A3-A2 A2-A1 B2-B3 B1-B2 A3-A31 A31-A33 A31-A32 A2-A21 A21-A22 A21-A23 A1-A11 A11-A12 A11-A13 B31-B3 B21-B2 B11-B1 A-C C-C3 C3-C31 C31-C32 C31-C33 C3-C2 C2-C1 C2-C21 Caudal Esperado (l/s) 2,16 2,16 2,16 2,16 2,16 2,16 2,16 2,16 2,16 1,09 0,71 0,35 0,71 0,35 0,38 0,18 0,20 0,36 0,19 0,17 0,35 0,18 0,16 0,38 0,36 0,35 1,07 1,07 0,37 0,20 0,17 0,70 0,34 0,36 Caudal Calculado (l/s) 2,1600 2,1600 2,1600 2,1600 2,1600 2,1600 2,1600 2,1600 2,1600 1,0910 0,7116 0,3469 0,7116 0,3469 0,3795 0,1767 0,2027 0,3647 0,1909 0,1709 0,3469 0,1849 0,1620 0,3795 0,3647 0,3469 1,0690 1,0690 0,3721 0,1984 0,1737 0,6968 0,3401 0,3568 CE-CC (l/s) 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 -0,0010 -0,0016 0,0031 -0,0016 0,0031 0,0005 0,0000 -0,0027 -0,0047 0,0029 0,0000 0,0031 0,0000 0,0000 0,0005 -0,0047 0,0031 0,0010 0,0010 -0,0021 0,0016 -0,0037 0,0032 0,0000 0,0032 Error Porcentual (%) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,09 0,22 0,90 0,22 0,90 0,14 0,00 1,36 1,31 1,50 0,00 0,90 0,00 0,00 0,14 1,31 0,90 0,09 0,09 0,58 0,78 2,18 0,45 0,01 0,89 LVI �ANEXOS C21-C22 C21-C23 C1-C11 C11-C12 C11-C13 D31-D3 D21-D2 D2-D3 D1-D2 D11-D1 D3-D B3-B D-B 10-11 9-10 8-9 B -8 0,19 0,17 0,34 0,18 0,16 0,37 0,36 0,70 0,34 0,34 1,07 1,09 1,07 2,16 2,16 2,16 2,16 0,1896 0,1672 0,3401 0,1815 0,1586 0,3721 0,3568 0,6968 0,3401 0,3401 1,0690 1,0910 1,0690 2,1600 2,1600 2,1600 2,1600 0,0004 0,0028 0,0000 -0,0015 0,0014 -0,0021 0,0032 0,0032 0,0000 0,0000 0,0010 -0,0010 0,0010 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,19 1,67 0,01 0,83 0,90 0,58 0,89 0,45 0,01 0,01 0,09 0,09 0,09 0,00 0,00 0,00 0,00 Figura 1. Gráfico de los errores porcentuales de los caudales para ocupación máxima. Presiones Nodo 2 3 4 5 6 7 A A3 A2 A1 Presión Esperada (mca) 34,36 31,5 31,1 19,25 19,22 22,31 21,98 22,06 24,75 27,41 Presión Calculada (mca) 34,283 31,424 31,021 19,172 19,144 22,231 21,901 21,981 24,675 27,336 PE-PC (mca) 0,077 0,076 0,079 0,078 0,076 0,079 0,079 0,079 0,075 0,074 Error Porcentual (%) 0,22 0,24 0,25 0,41 0,40 0,35 0,36 0,36 0,30 0,27 LVII �ANEXOS A31 A21 A11 B B3 B2 B1 B31 B21 B11 C C3 C2 C1 C31 C21 C11 D D1 D2 D3 D31 D21 D11 8 9 10 11 12 13 14 18,65 21,65 24,56 4,19 11,08 14,56 18,1 13,31 16,64 19,99 21,97 22,62 25,33 28 19,33 22,31 25,25 4,2 19,01 15,48 12,01 14,17 17,48 20,83 3,86 0,75 0,72 12,47 12,07 12,06 11,71 18,573 21,528 24,481 4,1018 11,001 14,487 18,026 13,234 16,563 19,910 21,892 22,542 25,252 27,929 19,259 22,236 25,181 4,111 18,952 15,430 11,960 14,109 17,420 20,766 3,772 0,659 0,630 12,382 11,979 11,969 11,614 0,077 0,122 0,079 0,0882 0,079 0,073 0,074 0,076 0,077 0,08 0,078 0,078 0,078 0,071 0,071 0,074 0,069 0,0891 0,058 0,05 0,05 0,061 0,06 0,064 0,0885 0,09119 0,08973 0,088 0,091 0,091 0,096 0,41 0,56 0,32 2,11 0,71 0,50 0,41 0,57 0,46 0,40 0,36 0,34 0,31 0,25 0,37 0,33 0,27 2,12 0,31 0,32 0,42 0,43 0,34 0,31 2,29 12,16 12,46 0,71 0,75 0,75 0,82 Figura 2. Gráfico de los errores porcentuales de las presiones para ocupación máxima. LVIII �ANEXOS ANEXO 19 TODAS LAS VARIANTES DE SOLUCIONES PARA LA BÚSQUEDA EXHAUSTIVA DEL CASO DE ESTUDIO Orden Comb.(Bi) Código(Oi) 6 22 00010101 7 23 00010110 5 20 00010011 37 134 10000101 38 135 10000110 36 132 10000011 12 38 00100101 13 39 00100110 11 36 00100011 1 8 00000111 42 146 10010001 43 147 10010010 18 51 00110010 17 50 00110001 3 14 00001101 44 149 10010100 19 53 00110100 9 27 00011010 8 26 00011001 14 42 00101001 4 15 00001110 IEG(kW) 6319 6318 6223 6222 6120 6119 6317 6316 6221 6220 6118 6117 0,4089319 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0,4175959 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0,4179847 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0,4193218 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0,4193718 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0,4195616 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0,4196415 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0,4198251 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0,4200362 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0,4215017 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0,4244466 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0,4245746 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0,425207 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0,4252187 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0,4300518 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0,4335497 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0,433956 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0,4355009 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0,4355091 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0,4372264 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0,4393614 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 LIX �ANEXOS 2 47 46 39 40 15 27 28 51 52 32 31 10 48 23 22 21 41 16 29 33 50 45 20 12 163 162 138 139 43 82 83 194 195 99 98 29 165 71 70 68 141 45 85 101 177 153 57 00001011 10100010 10100001 10001001 10001010 00101010 01010001 01010010 11000001 11000010 01100010 01100001 00011100 10100100 01000110 01000101 01000011 10001100 00101100 01010100 01100100 10110000 10011000 00111000 0,4395342 0,4444975 0,444672 0,445874 0,4460035 0,4467208 0,4510428 0,4512264 0,4522439 0,4526132 0,4531641 0,4532141 0,4536345 0,4536543 0,4548363 0,4548994 0,4550741 0,4551546 0,4558724 0,460166 0,4620933 0,4691371 0,4705373 0,4710298 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 LX �ANEXOS 53 24 25 55 35 26 30 34 49 56 54 197 74 75 209 113 77 89 105 169 225 201 11000100 01001001 01001010 11010000 01110000 01001100 01011000 01101000 10101000 11100000 11001000 0,4710777 0,4735402 0,4736775 0,4766822 0,4773174 0,4828343 0,4886337 0,4905957 0,4921669 0,498635 0,4998051 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 LXI �ANEXOS ANEXO 20 EXPRESIONES DE LA BOMBA CENTRÍFUGA Y DE LA RED HIDRÁULICA PARA LA OCUPACIÓN PATRÓN DEL CASO DE ESTUDIO Figura 3.17. Expresiones de las leyes de proporcionalidad de la bomba centrífuga en valores porcentuales en correspondencia con la ocupación patrón. Tabla 1. Expresiones de la bomba para la ocupación patrón de las habitaciones. Escalón 6221 6118 6120 6220 6222 6117 6119 6319 Q (m3/s) 0 0,00379 0,00991 0 0,00384 0,01006 0 0,00384 0,01006 0 0,00407 0,01063 0 0,00418 0,01092 0 0,00434 0,01135 0 0,00434 0,01135 0 0,00439 0,01149 H (m) 19,90 16,99 0 20,48 17,49 0 20,48 17,49 0 22,89 19,54 0 24,15 20,61 0 26,09 22,28 0 26,09 22,28 0 26,76 22,84 0 Ecuación de la Bomba H = -202 395,0075· Q2 + 19,9029221 H = -202 395,0075·Q2 + 20,48355631 H = -202 395,0075·Q2 + 20,48355631 H = -202 395,0075·Q2 + 22,89454064 H = -202 395,0075·Q2 + 24,14777311 H = -202 395,0075·Q2 + 26,09553469 H = -202 395,0075·Q2 + 26,09553469 H = -202 395,0075·Q2 + 26,75978478 LXII �ANEXOS 6317 6223 6318 6316 0 0,00451 0,01179 0 0,00467 0,01222 0 0,00484 0,01265 0 0,00500 0,01308 28,12 24,00 0 30,21 25,79 0 32,38 27,64 0 34,63 29,56 0 H = -202 395,0075·Q2 + 28,11608104 H = -202 395,0075·Q2 + 30,21196229 H = -202 395,0075·Q2 + 32,38317844 H = -202 395,0075·Q2 + 34,62972948 Tabla 2. Expresiones de la Red Hidráulica para la ocupación patrón de las habitaciones. Escalón 6221 6118 6120 6220 6222 6117 6119 6319 6317 6223 6318 6316 Q (m3/s) 0 0,00016 0,00032 0 0,00032 0,00064 0 0,00048 0,00096 0 0,00064 0,00128 0 0,0008 0,0016 0 0,00096 0,00192 0 0,00116 0,00232 0 0,00136 0,00272 0 0,00156 0,00312 0 0,00176 0,00352 0 0,00196 0,00372 0 0,00216 0,00392 H (m) 15,15 19,90 33,10 15,15 19,90 36,09 15,15 19,80 36,77 15,15 22,20 44,91 15,15 23,40 50,09 15,15 25,90 57,50 15,15 25,80 57,16 15,15 25,70 60,76 15,15 26,90 63,39 15,15 29,60 72,61 15,15 30,90 74,57 15,15 33,70 76,56 Ecuaciones de la Red Hidráulica H = 165 097 656,2500020·Q2 + 3 271,8750000·Q + 15,1500000 H = 55 844 726,5625000·Q2 – 3 026,5625000·Q + 15,1500000 H = 26 727 430,5555559·Q2 – 3 141,6666667·Q + 15,1500000 H = 19 112 548,8281251·Q2 – 1 216,4062500·Q + 15,1500000 H = 14 408 593,7500001·Q2 – 1 214,3750000·Q + 15,1500000 H = 11 310 221,3541667·Q2 + 340,1041667·Q + 15,1500000 H = 7 693 965,5172414·Q2 + 256,0344828·Q + 15,1500000 H = 6 626 027,2491349·Q2 – 1 254,0441176·Q + 15,1500000 H = 5 083 620,9730440·Q2 - 398,3974359·Q + 15,1500000 H = 4 610 182,0764463·Q2 + 96,3068182·Q + 15,1500000 H = 4 510 041,3699204·Q2 - 803,9667993·Q + 15,1500000 H = 4 020 782,8712293·Q2 - 96,9280389·Q + 15,1500000 LXIII �ANEXOS ANEXO 21 ANÁLISIS ECONÓMICO DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL PROCEDIMIENTO EN EL HOTEL BLAU COSTA VERDE Figura 1. Descripción de los trabajos de ingeniería y la asignación de los recursos por tareas. LXIV �ANEXOS Tabla 1. Gastos específicos: Transporte, (distancia, Km).(2).(0,98$/l)/(índice Km/l=7).(cantidad de viajes) Diesel Sub-Total Alimentación y Hospedaje Hospedaje Desayuno Almuerzo Comida Sub-Total Total CUC/Viajes 56,00 CUC/día 7,00 1,50 4,00 4,00 16,50 Viajes 4 Cantidad 5 5 5 5 20 CUC 224,00 224,00 días 15 15 15 15 CUC 525,00 112,50 300,00 300,00 1237,50 2699,00 LXV �ANEXOS Tabla 2. Flujo de caja del proyecto: Implementación del procedimiento para la optimización de la operación del SCCAH del Hotel Blau Costa Verde. Escenario 1: cuando se opera el SCCAH empleando el modelo termo–hidráulico, optimizando el sistema solo variando la ocupación. DESCRIPCIÓN Costos de operaciones del hotel en energía eléctrica 2014 2015 2016 2017 2018 2019 TOTAL Costos sin inversión (2) M$ 334.490 334.490 334.490 334.490 334.490 334.490 2.006.940 Costos con inversión (1) 297.180 M$ 297.180 297.180 297.180 297.180 297.180 08.360 1.783.080 M$ (26.130) (26.130) (26.130) (26.130) (26.130) (26.130) (223.860) Incremento de los Costos (1-2) Resumen estado de resultado del proyecto, CUC$x'000 ESTADO DE RESULTADO Ingresos Costo de Operación Utilidad de Operaciones Depreciación Valor Residual Costos Financieros Utilidades Brutas Reservas para contingencias (5 %) Utilidades Imponibles Impuestos Sobre Utilidades Utilidad Neta 2014 37.310 10.035 27.275 188 2015 2016 2017 2018 2019 37.310 37.310 37.310 37.310 37.310 10.035 10.035 10.035 10.035 10.035 27.275 27.275 27.275 27.275 27.275 188 188 188 M$ M$ M$ M$ M$ M$ M$ M$ M$ 27.088 27.088 27.088 27.088 27.088 27.088 1.354 1.354 1.354 1.354 1.354 1.354 25.733 25.733 25.733 25.733 25.733 25.733 M$ M$ 9.007 16.727 9.007 16.727 9.007 16.727 9.007 16.727 9.007 16.727 9.007 16.727 Total 223.860 60.208 163.652 750 162.902 8.145 154.757 54.165 100.592 LXVI �ANEXOS UM:MCUC Utilidad Neta del Proyecto Más Depreciación Valor Residual Más Reservas para Contingencias Efectivo Neto Aumento o disminución capital de trabajo Inversiones M$ M$ M$ M$ M$ M$ M$ 2014 16.727 188 2015 2016 16.727 16.727 188 188 2017 16.727 188 2018 16.727 - 2019 16.727 - 1.354 18.269 1.354 18.269 1.354 18.269 1.354 18.269 1.354 18.269 1.354 18.269 10.806 10.806 40.205 Flujo de Caja Neto del Proyecto M$ (29.399) 10.806 10.744 10.744 Flujo de Caja Acumulado M$ (21.936) (3.668) (14.601) 32.869 51.076 69.282 Tasa Interna de Retorno,(TIR) 78.67% Tasa de Descuento Valor Actualizado Neto, (VAN) Periodo de Recuperación 0,0% 0,0% 41.9% 64,6% 0,0% 5,0% 10,0% 15,0% 74,2% 78,7% 0 0 0 0 TOTAL 100.592 750 8.145 64.711 40.205 69.282 $69.282 $54.340 $42.941 $24.118 2 Años 2 meses 0 0 2.40924 1 1 0 0 0 LXVII � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Tesis Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Procedimiento para la optimización energética de la operación de los sistemas de climatización centralizados todo-agua en hoteles Creator An entity primarily responsible for making the resource Reineris Montero Laurencio Publisher An entity responsible for making the resource available Editorial Digital Universitaria de Moa Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 2013 Type The nature or genre of the resource Tesis doctoral https://repoedum.ismm.edu.cu/files/original/02aa3a7b8a2ff8fa4e001e81ca2850ed.pdf 244db0080514d18642a7124349e5d0bb PDF Text Text Tesis de maestría PROPUESTA METODOLÓGICA PARA EL DESARROLLO DE HABILIDADES INFORMACIONALES EN LOS ESTUDIANTES DE LA CARRERA DE COMUNICACIÓN SOCIAL EN LA SUM, MOA Adys Dalmau Muguercia �A Aymee y Armando, mis hijos A mis padres A Armando, por su impaciencia Diciembre, 2010 �A mis amigos que me han apoyado moral y espiritualmente, a los que han colaborado, ellos saben quiénes son y cuánto les agradezco. A los que han revisado, cuestionado, sugerido y criticado, gracias, todas sus acciones fueron muy constructivas y oportunas. A todos Gracias �Resumen Las habilidades informacionales constituyen uno de los elementos fundamentales a tener en cuenta en la formación de los estudiantes. Al respecto es importante que los educadores instruyan a los estudiantes en la utilización de los diferentes recursos informativos y promuevan la necesidad de utilizar el conocimiento generado. La propuesta metodológica que se desarrolla en el trabajo incorpora la formación de habilidades a partir de una propuesta de acciones por el profesor desde las diferentes asignaturas de la carrera, encaminada a preparar al estudiante de Licenciatura en Comunicación Social, para una mejor actuación en su actividad profesional. La propuesta contribuye a formar un profesional con conocimientos, actividad práctica y actitudes que promuevan el uso de la información científicotecnológica en todas sus actividades. 3 �Abstract The informational abilities are fundamental parts to taking into account in the students formation. In relation to these abilities it is important that the educators teach to students about the utilization of different informative resources and to promote the necessity of utilization of the generated knowledge. The methodological proposition developed in this work built-in the skill formation starting with a set of actions by the instructor from the subjects of the curriculum and oriented to prepare the student of Social Communication Career toward a better actuation in its professional activity. The aforementioned proposition contributes to the formation of a graduate with knowledge, practical activity and aptitudes promoting the use of the technological and scientific information in its entire set of activities. �ÍNDICE INTRODUCCIÓN CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN I.1- GENERALIDADES SOBRE LA FORMACIÓN PARA LA SOCIEDAD DE LA INFORMACIÓN Y EL CONOCIMIENTO 1.2- LA ALFABETIZACIÓN INFORMACIONAL (ALFIN). EVOLUCIÓN DEL TÉRMINO 1.2.1 La Alfabetización Informacional (ALFIN) en la Educación Superior 1.3- PRESUPUESTOS TEÓRICOS PARA EL PROCESO DE DESARROLLO DE LAS HABILIDADES 1.3.1 -Saber usar la información: tema transversal en el currículo 1.4- LAS HABILIDADES INFORMACIONALES EN EL PROCESO DE FORMACIÓN 1.4.1. El Plan de Estudio de la Carrera de Comunicación Social CONCLUSIONES PARCIALES CAPÍTULO I CAPÍTULO II PROPUESTA METODOLÓGICA PARA EL DESARROLLO DE HABILIDADES INFORMACIONALES EN ESTUDIANTES DE LA CARRERA DE COMUNICACIÓN SOCIAL II.1. LA COMUNICACIÓN SOCIAL. CARACTERIZACIÓN DE LA PROFESIÓN II.2 CARACTERIZACIÓN DE LA CARRERA DE COMUNICACIÓN SOCIAL EN EL INSTITUTO SUPERIOR MINERO METALÚRGICO DE MOA II.2.1 El Modelo Pedagógico en la modalidad Semipresencial II.2.2 Características del modelo II.2.3 Marcos para el desarrollo de habilidades �II.2.4 Proceso de formación de habilidades en la carrera II.3 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS II.3.1 Discusión de los resultados II.4. PROPUESTA METODOLÓGICA II.4.1. Procedimiento para la implementación de la propuesta II.5. SOCIALIZACIÓN DE LA PROPUESTA EN EL CLAUSTRO DE LA CARRERA CONCLUSIONES PARCIALES DEL CAPÍTULO CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS 1 ANEXO 2 ANEXO 3 ANEXO 4 ANEXO �INTRODUCCIÓN El complejo mundo en que vivimos, con una mayor agudización en los problemas de orden social, económico, político y ecológico, se proyecta con fuerza a la globalización e internacionalización del quehacer humano. Cada persona está obligada a ser más eficiente, para enfrentar los grandes retos del tercer milenio. Las relaciones entre la Educación y la Sociedad han sido analizadas ampliamente como base objetiva del proceso de educación del individuo, con la finalidad de lograr su integración al medio y en el proceso de desarrollo social, entendiéndola como factor de su progreso económico y científico técnico, además como factor de desarrollo de la cultura, de los valores éticos, y en definitiva, del crecimiento espiritual de la humanidad. De acuerdo con lo anterior, la escuela debe responder a los intereses y necesidades de la sociedad a la que pertenece y esta deberá cambiar como respuesta a los cambios sociales. En correspondencia con los requerimientos de la sociedad, la institución educativa deberá organizar sus recursos para lograr los objetivos, esto es, encauzar los recursos de la mejor manera posible para formar el tipo de hombre que la sociedad requiere. Lo anterior presupone la utilización de modelos educativos que orienten el aprendizaje hacia el desarrollo de un pensamiento amplio y un modo de actuar inteligente y creativo, es decir, el desarrollo de competencias profesionales como factor esencial para el desenvolvimiento y la actuación de los individuos en la sociedad. La actividad educacional requiere de un alto desarrollo de la ciencia y la tecnología para proyectar con adecuadas bases teóricas y prácticas los modelos educativos, de modo que estos aporten los fundamentos epistemológicos y metodológicos para alcanzar el aprendizaje que se requiere en la época actual. El docente debe tener claridad en los objetivos educacionales que se persiguen y al planificar sus actividades, llevar a la práctica y evaluar las experiencias de aprendizaje más apropiadas para lograr la formación del tipo de hombre que la sociedad demanda. La producción y uso de documentos en las actividades académicas y científicas presenta nuevas formas de diseño encaminadas a favorecer la utilización de las tecnologías de la información y la comunicación en la producción y circulación de los documentos, la orientación hacia estas formas de presentación de la información incide en la organización de la vida 1 �académica y en la naturaleza de los servicios bibliotecarios, pues requiere del conocimiento de los individuos, para interactuar con los nuevos soportes informativos. La información ha sido un importante elemento social que ha acompañado al ser humano en su devenir histórico. Procede del vocablo latino informatio, que significa noción, idea, representación. Ha sido conceptualizada por diversos autores y se le han dado diversos significados según el contexto en que sea utilizada. Vizcaya (2004)1 brinda varios conceptos de información, of recidos por diferentes especialistas, de ellos relacionamos los siguientes: ƒ ƒ ƒ Jungeleussen refiere “es el cúmulo de signos a los que alguien les imprime un significado al enunciarlo y al que un intérprete le imprime también un significado”. Para Shereider “La información es conocimiento transformado, su forma representa dicho conocimiento”. Kufer de Hanania “Es la expresión material del conocimiento para que este sea utilizado”. La información es analizada y entendida según los propósitos de quien la emite y quién la recepciona. Según Buckland 2 puede ser analizada como: proceso, objeto y conocimiento: como proceso es la acción de informar, de transmitir, de comunicar conocimientos; como objeto son datos y documentos que se consideran información, precisamente porque tienen la propiedad de transmitir conocimiento, comunicar información e instruir y como conocimiento es el resultado del proceso, es el conocimiento (noticias, inteligencia) comunicado o transmitido concerniente a un hecho, sujeto o suceso. Las definiciones analizadas muestran la información como transmisión de conocimientos en un contexto específico y para fines definidos. La información no es una mera recolección de datos, en su estructuración se va generando conocimiento que va tomando sentido en dependencia de los diversos usos que se le dé, y como consecuencia se genera una nueva información. De ahí que, en la definición ofrecida por Buckland se entiende la información como conocimiento, a partir de la evolución del concepto desde su surgimiento y su significación a través del tiempo. El hombre desde la antigüedad se preocupó por buscar vías para plasmar los conocimientos, utilizó diferentes soportes para que quedaran registrados y pudieran ser utilizados por las generaciones futuras. Las piedras, las tabletas de arcilla, el barro cocido utilizado en Mesopotamia; el papiro, utilizado por los egipcios; el pergamino, fueron los primeros soportes del conocimiento. La 1 Vizcaya A., D. (2004). Comp. Fundamentos de la Organización de la información. La Habana. Editorial Félix Varela. P. 33-38 2 Notas de clase de un postgrado sobre Gestión de Información, recibido en la Universidad de La Habana, 1990 2 �aparición del papel constituye una verdadera revolución en su época por las facilidades que aportó con respecto a los materiales utilizados anteriormente, y solo ha sido superada por la aparición de los nuevos soportes tecnológicos devenidos de la introducción de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC), que han multiplicado considerablemente la generación de documentos. Tal cúmulo de información es necesario recolectarla, procesarla, analizarla, diseminarla, transmitirla y añadirle valor. Según algunos argumentos citados por Núñez Jover (2007)3: 1. Crece aceleradamente el ritmo de producción de conocimientos. Se asume que el 90 % de los científicos que han existido están vivos… Desde 1750 las revistas científicas se han venido multiplicando por factor de 10 cada 50 años y doblando cada 15 años…. 2. Se reduce el tiempo necesario para transformar el conocimiento básico en ciencia aplicada y esta en tecnología. El desarrollo de un país depende cada vez más del uso intensivo de la información y el conocimiento. La información científica constituye una herramienta para el trabajo en la docencia y en la investigación. La necesidad de adquirir habilidades para identificar, localizar, acceder y usar la información es útil no solo en los procesos docentes, de investigación sino también para elevar el nivel cultural y resolver tareas de la vida cotidiana. Las habilidades informacionales pueden ser desarrolladas por la vía curricular, extracurricular y laboral e investigativa con actividades diseñadas para el desarrollo del uso de la información y la tecnología asociada al manejo de la misma. El desarrollo de las habilidades informacionales en los estudiantes de la carrera Comunicación Social en las condiciones de la universalización es de importancia vital. La información constituye una herramienta necesaria para el desarrollo del objeto de la profesión, centrado en la capacidad de realizar tareas dirigidas al perfeccionamiento de los procesos de comunicación interna y externa en los organismos del estado, empresas, instituciones, organizaciones políticas, de masas y sociales, a fin de contribuir al logro de sus objetivos en la búsqueda de eficiencia económica; la adecuada vinculación con la sociedad sobre bases éticas que aseguren la conservación, el enriquecimiento de nuestro patrimonio social y cultural; la educación, la orientación comunitaria y ambientalista de la población, para el fortalecimiento de la identidad y los valores de la cultura nacional. 3 Núñez Jover, J. (2007). ¿Vivimos en la sociedad del conocimiento? En: La Ciencia y la tecnología como procesos sociales. Lo que la educación científica no debería olvidar. : La Habana. Editorial Félix Varela, 1999. p. 86 3 �En la carrera de Comunicación Social se tratan de manera insuficiente el desarrollo de las habilidades para trabajar con la información, elemento que se puso de manifiesto en los controles a clases realizados y en la entrevista realizada a los estudiantes. Donde se han observado las siguientes carencias: ƒ ƒ ƒ ƒ limitaciones en el uso y empleo de soportes documentales; restricciones de los profesores y tutores en la orientación de la bibliografía, limitadas por lo general al libro de texto; no se estimula la integración, evaluación y validación de información y conocimiento; dificultad para comunicar y generar nueva información. La ausencia de aspectos propios a la alfabetización informacional en el proceso de formación, la falta de preparación en las enseñanzas precedentes para trabajar con la información, entre otras, constituyen elementos a considerar en el insuficiente desarrollo de habilidades informacionales en los estudiantes. Si este profesional es el encargado de propiciar el desarrollo de procesos de comunicación interna y externa en las organizaciones, las insuficiencias en el manejo de la información limitan las posibilidades de los estudiantes en correspondencia con los modos de actuación del profesional en las diversas esferas en que ha de enfrentarse una vez graduado. Esta situación reafirma la necesidad de crear y organizar un sistema de acciones didácticas, en el contexto del modelo educativo y del encargo social para la universalización, que contribuya a la mejor formación de los estudiantes de Comunicación Social, a fin de que sean en el futuro, profesionales más útiles a la sociedad, más integrales y con mejores modos de actuación. Problema científico: ¿Cómo contribuir al proceso de desarrollo de habilidades informacionales en la carrera de Licenciatura en Comunicación Social de la Sede Universitaria Municipal de Moa? El presente estudio define como objeto de investigación el proceso docente educativo en la carrera de Comunicación Social y circunscribe su campo de acción en el proceso de desarrollo de habilidades informacionales en la formación profesional de los licenciados en Comunicación Social en la Sede Universitaria Municipal de Moa. 4 �El Objetivo General que orienta el estudio es: ƒ Elaborar una propuesta metodológica para el desarrollo de habilidades informacionales en los estudiantes de la carrera de Licenciatura en Comunicación Social de la Sede Universitaria Municipal de Moa. Los objetivos específicos que se proponen están relacionados con: ƒ ƒ ƒ Identificar los fundamentos teóricos que sustentan el desarrollo de habilidades informacionales. Caracterizar la carrera de Comunicación Social de la Sede Universitaria Municipal de Moa. Formular acciones que contribuyan a la conformación de la propuesta metodológica. Idea a defender: La elaboración de una propuesta metodológica, que contemple acciones para utilizar la información, contribuirá al desarrollo de las habilidades informacionales en los estudiantes de la carrera de Licenciatura en Comunicación Social. En lo referente a la disponibilidad bibliográfica acerca del tema, se debe destacar que son amplias las fuentes consultadas en materia de las Ciencias de la Educación y en Alfabetización Informacional. De forma general se revisó bibliografía impresa y de Internet, la mayoría de reciente publicación y toda con plena vigencia en su contenido. Se trabajó con algunos textos de destacados autores, así como con grupo de ponencias, artículos (nacionales e internacionales) editados en los últimos años. Esta situación también fue corroborada por los profesores y expertos que colaboraron con la investigación, al reconocer y manifestar la ausencia de trabajos recientes que aborden los problemas en la alfabetización informacional en Moa. Métodos de investigación Este trabajo ha estado basado, desde el punto de vista de la Metodología de la Investigación en la perspectiva del paradigma de investigación cualitativo propiciando, de esta forma, un proceso de investigación enriquecido con las ventajas que este ofrece. Los principales métodos y técnicas utilizados fueron los siguientes: Del nivel Teórico Histórico lógico permitió estudiar los precedentes cronológicos del proceso de desarrollo de las habilidades informacionales, sus etapas principales y sus conexiones históricas fundamentales. A través de este método se analizaron 5 �las concepciones del proceso y las tendencias más significativas en relación con el proceso de desarrollo de las habilidades informacionales. Análisis y síntesis imprescindible para profundizar en el conocimiento de las partes y descubrir las interrelaciones entre los objetos. Para formular conclusiones y recomendaciones. Enfoque Sistémico-Estructural permitió determinar las necesidades y regularidades en el proceso de desarrollo de las habilidades informacionales en la formación profesional de los estudiantes, a través de la integración de los fundamentos teóricos y metodológicos para la elaboración de la propuesta metodológica. Del nivel Empírico Análisis documental para la construcción del capítulo teórico y la caracterización del estado actual de la temática de estudio. La observación directa se utilizó para conocer en la práctica cómo se está orientando la bibliografía y determinar sus insuficiencias. Entrevista no estructurada a los estudiantes con el fin de conocer sus opiniones sobre la importancia de la investigación, así como de su nivel de desarrollo de las habilidades informacionales. Entrevista no estructurada a profesores para constatar sus opiniones acerca de la situación con la formación y desarrollo de las habilidades informacionales. Métodos Estadísticos: Se utilizó la estadística descriptiva. Se realizó un muestreo aleatorio simple tomando como muestra 36 estudiantes del tercero y cuarto años de la carrera de Comunicación Social y 11 profesores de la SUM de Moa, para un total de 47 personas, a 9 de estos profesores, se les realizó además controles a clase. Significación práctica: El aporte práctico y novedoso del trabajo consiste en la propuesta de un conjunto de procedimientos y orientaciones al profesor, que pueden ser utilizadas para potenciar el desarrollo de las habilidades informacionales en los estudiantes de la carrera de comunicación Social de la sede Universitaria Municipal de Moa, basada en un enfoque del trabajo que permita, desde las asignaturas, la aplicación de estos. Por primera vez se realiza una propuesta que integra estas habilidades como herramientas a formar en estos profesionales. La misma puede ser extendida a otras carreras. 6 �Estructura del informe La estructura del informe está definida de la manera que sigue: consta de una introducción, donde se abordarán los elementos generales que caracterizan la situación problémica, la necesidad de su estudio y el diseño de la investigación. En el Capítulo 1 se tratan los fundamentos teóricos de la investigación a través del análisis bibliográfico, se comienza por los presupuestos relacionados con la formación de los individuos para la sociedad de la información, se abordan referentes históricos sobre la formación de habilidades informacionales, las teorías que la sustentan y la viabilidad de diseñar estrategias metodológicas que favorezcan el desarrollo del proceso de enseñanza y aprendizaje mediante el desarrollo de habilidades para el trabajo con la bibliografía. En el Capítulo 2 se realiza la propuesta metodológica para la formación de habilidades informacionales que contribuyan al desarrollo de la cultura informacional en los estudiantes de Comunicación Social de la SUM Moa, abordando sus antecedentes, su vigencia en el Plan de Estudios y la responsabilidad del colectivo de profesores con la implementación de la misma. Se arriba, finalmente, a las conclusiones de la investigación y se proponen algunas recomendaciones. Aparecen las referencias y citas bibliográficas acotadas bajo el estilo de la APA (American Psichologycal Association), así como anexos, en los que aparecen materiales relacionados con el presente trabajo. 7 �CAPÍTULO I La formación de habilidades informacionales en el contexto de la sociedad de la información: una necesidad para la formación Introducción Se analizan los referentes teóricos conceptuales que sustentan la necesidad de formar habilidades informacionales en los estudiantes universitarios para su desempeño en la sociedad de la información y el conocimiento. Se recogen aspectos relacionados con la globalización y su incidencia en la actividad informativa, la necesidad de la formación de los individuos para el aprendizaje permanente. Se fundamentan los criterios para formar estas habilidades en los estudiantes. 1.1- Generalidades sobre la formación para la sociedad de la información y el conocimiento “La globalización de la información imprime mayor intensidad a los flujos de información, propicia el desarrollo de sistemas electrónicos más ágiles y la creación de ambientes tecnológicos modernos; promueve, además, el uso constante de la información como fuente productiva y generadora de conocimiento. La globalización no solo se plantea como un medio para compartir el saber que otros han desarrollado y experimentado, sino como un complemento insustituible a la labor académica, un medio para resguardar la misión sociocultural de las comunidades, al preservar su producción intelectual y permitir que los pueblos se reencuentren y compartan su creación científica, literaria y social, es decir, su identidad cultural” Miranda (2000)4. La influencia de la globalización abarca todos los sectores de la sociedad, al que no escapa la información como recurso de importancia capital. Su uso se ha convertido en un elemento estratégico para la mayor parte de las actividades que se desarrollan en las organizaciones. La toma de decisiones efectiva está condicionada, por lo general, por el acceso oportuno a la información y la capacidad para procesarla y convertirla en conocimiento útil. El análisis de la información como conocimiento ha sido abordado por diferentes autores, en el proceso de agregación de valor a la información Taylor (1982), Páez (1992), Ponjuán (1994). 4 Miranda A, Echevarria A. (2000) La biblioteca global y la identidad centroamericana. Extraído el 4 de febrero, 2009 de http://www.ifla.org/IV/ifla66/papers/152- 163 s.htm 8 �El conocimiento se ha definido con diferentes puntos de vista, desde su relación con la información y los datos hasta la capacidad de hacer cosas con éxito. Alavi y Leider citado por Peluffo (2002)5 han identificado seis puntos de vista para la definición del conocimiento. Estos son: a) En relación con datos e información: “Datos son hechos, números sin procesar. Información son datos procesados o interpretados. Conocimiento es la información personalizada”. El foco está centrado en las personas y su necesidad de información. b) Como estado de la mente: “el conocimiento es el estado de conocer y comprender”. c) Como objeto: “Los conocimientos son objetos que se pueden almacenar y manipular”. d) Como proceso: “El Conocimiento es un proceso de aplicación de la experiencia” e) En cuanto al acceso a la información: “El Conocimiento es una condición de acceso a la información”. Y ofrecen la siguiente definición de conocimiento “es la capacidad para relacionar de forma altamente estructurada, datos, información y conocimiento de un determinado objeto que permiten actuar efectivamente sobre éste en base a un determinado valor y contexto.” En la literatura consultada cuando se refiere a la construcción del conocimiento, la mayoría de los autores, se apoyan en la llamada pirámide informacional donde la base del conocimiento está en los datos que cuando se estructuran y adquieren significación, se convierten en información, esta una vez internalizada y contextualizada se convierte en conocimiento útil para la toma de decisiones. Páez Urdaneta (1992) citado por Ponjuán (1998) refiere los conceptos de generación, organización, transferencia y aprovechamiento de la información, mediante la llamada pirámide informacional que está formada por cuatro niveles, donde se conceptualizan términos asociados a la construcción y uso del conocimiento: Datos – Información – Conocimiento – Inteligencia. La representación de estos cuatro conceptos en la pirámide implica una jerarquización definida por las variables calidad vs. cantidad. Páez Urdaneta 5 Paluffo, A.M .& Catalón, C. (2002). Introducción a la gestión del conocimiento en el sector público. Santiago de Chile: CEPAL-ECLAC. p. 20 9 �propone el concepto de información como materia asociada a la definición de datos. Fig.1 Pirámide informacional (Páez Urdaneta, 1992) En la base de la pirámide los datos, que se convierten en información, están en conocimiento y este en inteligencia. Proponen el concepto de información como materia asociada a la definición de datos que se ofrece a continuación: Datos: registros icónicos, simbólicos (fonémicos o numéricos) o sígnicos (lingüísticos, lógicos o matemáticos) por medio de los cuales se representan hechos, conceptos o instrucciones. Información: Datos o materia informacional, relacionada o estructurada de manera actual o potencialmente significativa Páez analiza aquí el concepto de conocimiento, lo asocia a la información como comprensión, y lo define como: Conocimiento: estructuras informacionales que, al internalizarse, se integran a sistemas de relacionamiento simbólico de más alto nivel y permanencia. Inteligencia: estructuras del conocimiento que siendo relevantes, permiten la intervención ventajosa de la realidad. contextualmente Para considerar la relación información - conocimiento este autor refiere que la información es la materia prima y el conocimiento es el recurso mental mediante el cual se le agrega valor a la información. El proceso de construcción del conocimiento, siguiendo la posición teórica de estos autores, se fundamenta en la transferencia de información como repuesta intensiva a un proceso humano, el conocimiento es útil tanto en las actividades formalizadas, como en el uso de la información en forma de productos y servicios, que es salida de estos sistemas. 10 �Se parte de la concepción que los datos mediante procesos organizacionales pueden ser agrupados, clasificados y formateados. En cada uno de los procesos se les va agregando y los convierten en información. La información mediante procesos de análisis (separación, evaluación, validación, comparación) que le agregan valor, se convierte en conocimiento informativo. Este a su vez mediante procesos evaluativos (opciones, ventajas, desventajas) pasa a constituir el conocimiento productivo y este mediante procesos decisionales de agregación de valor como pareamiento de metas, negociación o selección se transforma en conocimiento que conduce a la acción. A continuación representamos el proceso de agregación de valor propuesto por Taylor: Datos Agrupación Clasificación Selección Separación Evaluación Comparación Opciones Ventajas desventajas Pareamiento de metas Negociación Compromiso Fig.2 Esquema de agregación de valor de Taylor 11 �Estos procesos de agregación de valor, llevan a la superación del nivel informacional de un individuo, lo que infiere que si un individuo alcanza la cima de la pirámide informacional está en mejores condiciones para tomar decisiones acertadas, al obtener información de mayor valor en términos de análisis de contenidos. Si bien este procedimiento de agregación de valor a la información es un tema recurrente en los procesos organizacionales, no lo hemos visto referido en la literatura consultada desde la perspectiva de las ciencias pedagógicas, pero consideramos que en el proceso de la construcción del conocimiento esta posición es acertada y está en correspondencia con el enfoque de la pedagogía que sitúa al estudiante y al profesor como agentes activos que construyen significados, en respuesta a situaciones educativas específicas. Coloca al profesor como guía del proceso y ofrece al estudiante la posibilidad de conducir una buena parte del proceso de aprendizaje. El conocimiento constituye la primera fuente de productividad económica, en este escenario mundial donde la tecnología, la interactividad, la virtualidad, la creatividad y la inteligencia confluyen y se manifiestan para caracterizar la sociedad de la información y el conocimiento. Después de la Segunda Guerra Mundial hay dos factores de desarrollo industrial que marcan la sociedad que se comienza a gestar: la aparición de las Nuevas Tecnologías de la Información y la explosión documental. Esta nueva sociedad que emerge, como uno de los cambios más significativos que el mundo experimenta, es la denominada “Sociedad de la Información”. Esta denominación a juicio de diversos autores Ponjuán (1998), Cubillo (1996), Cabral (1992), responde a la creciente y determinante importancia que la información representa para los individuos en la sociedad, independientemente del área geográfica en que se encuentren, nivel de escolarización, nivel cultural, es decir, aquellos que se encuentren en ambientes de mayores perspectivas de desarrollo, estarán más expuestos a consumir más y mejor información. Ponjuán (1998) define la sociedad de la información como “cualquier conglomerado humano cuyas acciones de supervivencia y desarrollo esté basado predominantemente en el uso, distribución, almacenamiento y creación de recursos de información y conocimientos, mediatizados por las Nuevas Tecnologías de la Información y las Comunicaciones”.6 La autora considera que la sociedad enfrenta un crecimiento y expansión en la generación y uso de la información que algunos lo ven como el advenimiento de un nuevo tipo de sistema social y otros lo ven como la informatización de las relaciones existentes. 6 Ponjuán Dante G. (1998) Gestión de información en las organizaciones. Principios, conceptos y aplicaciones. La Habana: Universidad de la Habana. 12 �La información ha adquirido nuevas propiedades, se transmite de forma instantánea, se separa de sus soportes tradicionales. La industria de la información, que se desarrolla y crece constantemente a la vez, se convierte en un elemento divisor y excluyente para la sociedad, de hecho todas estas condicionantes permean, en alguna medida, las relaciones sociales y la aplicación y uso de las TIC, modifica la naturaleza, el comportamiento, la organización, el manejo y la recuperación de la información. Según Nick Moore citado por Ponjuán (1998)7, las sociedades de la información tienen tres características principales: ƒ La información se utiliza como un recurso económico. Las organizaciones hacen un mayor uso de la información para elevar su eficacia y posición competitiva, con frecuencia mediante mejorías en la calidad de los bienes y servicios que producen. ƒ Es posible identificar un mayor uso de la información. Las personas utilizan la información en forma intensiva en sus actividades en el rol de consumidores. También utilizan la información como ciudadanos para ejercer sus derechos civiles y responsabilidades. Además los sistemas de información que se desarrollan, extenderán el acceso público a la cultura y a la educación. ƒ Se desarrolla un sector de información dentro de la economía cuya función es satisfacer la demanda general de servicios y facilidades informacionales. Una parte significativa del sector se ocupa de la infraestructura tecnológica: redes de telecomunicaciones y computadoras. También se reconoce la necesidad de desarrollar la industria que genera la información que fluye por las redes: los proveedores de contenidos de información. Por otra parte Ferroni (2004)8 citando a J. Cubillo plantea: En un esclarecedor artículo J. Cubillo analiza tres tipos de Sociedad de la información: a) “La sociedad de información plena. . . los que puedan y deseen pagar podrán tener acceso ilimitado a múltiples opciones” b)”La sociedad de la información (en la que) se entremezclan y operan tanto el mercado como algunas políticas de subsidio al acceso a Internet....en principio ibidem 6 8 Ferroni, B.J. (2004). Alfabetización información:¿asumen los bibliotecarios que es parte de su misión incluir a TODOS en la Sociedad del Conocimiento. Extraído el 3 de abril, 2009 de http://www.ifla.org/IV/ifla70/prog04.htm. 7 13 �no intenta excluir a organizaciones y sistemas sobre la base de su poder adquisitivo”. c)”Un grupo de actores, muy débil en cuanto a su capacidad de acceso, uso y generación de información digital... (y a la empresa). . . Encontraríamos los grupos, más marginados de la sociedad... Sus accesos a la Red son mediatizados a través de telecentros municipales. . .cibercafés... la computadora de la escuela rural o de la biblioteca pública...” Siguiendo este planteamiento se presenta uno de los problemas fundamentales de la Sociedad de la Información y del conocimiento que es la “brecha digital”9 En la Declaración de Principios de Ginebra (2003)10 se expresa el deseo y compromiso de “construir una sociedad de la información basada en la persona, integradora y orientada al desarrollo, en la que todos puedan crear, consultar, utilizar y compartir la información y el conocimiento, para que las personas, las comunidades y los pueblos puedan emplear plenamente sus posibilidades en la promoción de su desarrollo sostenible y en la mejora de su calidad de vida, sobre la base de los propósitos y principios de la carta de las Naciones Unidas con pleno respeto y en defensa de la Declaración Universal de Derechos Humanos” La Declaración de Principios de la Cumbre Mundial de la Sociedad de la Información (2003)11 se pronunció por lograr una sociedad de la información donde: "es imprescindible establecer y desarrollar el acceso a la información y al conocimiento, así como integrar a todas las partes interesadas, con las posibilidades que ofrecen los diferentes programas existentes con vista a acrecentar, tanto las competencias como las posibilidades de acceso de los usuarios y la diversidad de opciones existentes, así como para posibilitar que dichos usuarios desarrollen las soluciones que mejor se ajusten a sus necesidades de información". Este tema es ampliamente discutido en la literatura y desde la teoría no existe referente sobre una posición acabada, si bien las tecnologías de la información y las comunicaciones han generado transformaciones para la vida en la sociedad y tienen incidencia en lo económico, ocupacional, cultural, Es una expresión que hace referencia a la diferencia socioeconómica entre aquellas comunidades que tienen accesibilidad a Internet y aquellas que no, aunque tales desigualdades también se pueden referir a todas las nuevas tecnologías de la información y la comunicación (TIC), como el computador personal, la telefonía móvil, la banda ancha y otros dispositivos. Como tal, la brecha digital se basa en diferencias previas al acceso a las tecnologías. Extraído el 23 de abril de 2009 de http://es.wikipedia.org/wiki/Brecha_digital 10 Declaración de Principios. Ginebra. (2003). Extraído el 3 de noviembre, 2007de http://www.itu.int/dms_pub/itu- s/md/03/wsis/doc/S03-WSIS-DOC-0004! !MSW-S.doc 11 Cumbre Mundial de la Sociedad de la Información (2003). Declaración de principios para la construcción de la sociedad de la información. Extraído el 7 de noviembre, 2007 de http://bvs.sld.cu/revistas/aci/vol13_3_05/aci03305.htm 9 14 �político, educacional, etc., queda claro que estos cambios estructurales en la sociedad modifican criterios, puntos de vistas y posiciones teóricas y epistemológicas. Las transformaciones sociales afectan muchos campos de la actividad humana, a la vez que crean nuevas oportunidades, generan diversos problemas que repercuten en la sociedad. La información es un recurso relevante en el desarrollo científico y técnico de la sociedad, las personas que tienen que tomar decisiones profesionales, administrativas y personales, muchas veces se ven abrumados por la cantidad de información que se genera, el exceso puede conducir a la incertidumbre, si las personas no están preparadas para interactuar con ella. Las exigencias del mercado en torno a contar con profesionales eficientes en distintos ámbitos para la toma de decisiones y la formación permanente, presionan al sistema de educación superior a conferir a los estudiantes las competencias requeridas para la gestión de la información. En este contexto, la razón específica de la creciente importancia formativa para la gestión de información, se relaciona con que dada la enorme cantidad de información disponible en diferentes formatos, soportes y niveles de calidad, las habilidades informacionales –es decir, la capacidad de delimitar la necesidad de información, acceder a ella, seleccionarla, evaluarla y usarla adecuadamente– constituyen un sostén fundamental para la formación integral y el aprendizaje a lo largo de la vida. Todos estos procesos pasan por la gestión de información definida, para este trabajo como el proceso de encontrar la información adecuada, para la persona indicada, en el momento preciso, en la forma correcta, al costo adecuado, en el tiempo oportuno, para la toma de decisión correcta. Ante el volumen actual de información que circula alrededor de las personas, necesaria para resolver problemas en su vida profesional, laboral, docente, personal, el carácter multidisciplinar de la información potencia la necesidad de desarrollar habilidades para la autogestión de la información como vía de adquisición del conocimiento. Para lograr la eficiencia en estos procesos es necesaria la actualización permanente, la gestión de información deviene factor esencial para el logro de estos objetivos. Los sistemas educativos no están exentos a estos cambios que exige el entorno y debe asimilarlos en función de mejorar el proceso docente. La introducción en la esfera educativa de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC), tanto como soporte y transmisor de los conocimientos científicos como medio de enseñanza para la simulación de procesos, laboratorios virtuales, entre otras, generan cambios en los procesos de instrucción y, a la vez deben garantizar la formación de los individuos para asimilar los cambios. 15 �La instrucción de las habilidades para el uso de la información debe ser una responsabilidad tanto de los profesionales que laboran en las bibliotecas y otras instituciones, que son los intermediarios en la información, como de los docentes. Representa un reto y debe ser un compromiso para los educadores, responder a las demandas formativas de los momentos actuales, para lograr ciudadanos comprometidos con el proyecto social y el desarrollo cultural y económico del país. En la formación del profesional, además de instruir al estudiante y ponerlo en contacto con el objeto de su profesión, desde los primeros años de la carrera, y así lograr el imprescindible nexo con los modos de actuación de la profesión, se les aseguran las habilidades necesarias para su desempeño profesional, social y cultural. La universidad tiene la responsabilidad de formar al hombre para vivir en sociedad, para ser un hombre útil comprometido con la realidad y apto para actuar sobre ella y transformarla. Los procesos de formación en la actualidad están mediados por el uso de las TIC y constituyen, junto a las instituciones de información, las vías fundamentales para acceder a toda esa gama de conocimientos que se ha puesto al alcance de todos. No obstante la existencia de múltiples vías para su acceso hace difícil mantenerse alerta sobre la información disponible, cuándo usarla, y dónde encontrarla de forma rápida y efectiva. El surgimiento de las tecnologías para el manejo de información, así como los discos compactos y la integración de INTERNET, configuran un universo de posibilidades para consultar información digitalizada. Sin embargo, este desarrollo no se ha acompañado de un esfuerzo suficiente para que los sujetos obtengan los conocimientos y habilidades suficientes para aprovechar los beneficios de la información independientemente del soporte que la sustente. La revolución en el campo de la informática y las telecomunicaciones ha originado instrumentos y herramientas para mejorar la eficiencia del trabajo intelectual. Los países, empresas y ciudadanos informatizados tienen mayores ventajas que los que se rezagan en este campo, ellos tienen el control de las principales fuentes de información (bases de datos, agencias de noticias, etc.), demandan, de hecho transformaciones en la esfera educativa, de ahí que las metodologías utilizadas en las instituciones educativas y los diseños de obtención del conocimiento de los estudiantes necesiten ser modificados y adaptados a las nuevas exigencias. El nuevo paradigma tecnológico12 tiene entre sus características el requerimiento de información y el conocimiento como base de la sociedad que 12 S e g ú n C a s t e l l ( 2 0 0 2 ) “al hablar de sociedad del conocimiento —en otros casos, sociedad de la información — nos estamos refiriendo a la constitución de este nuevo paradigma tecnológico. 16 �se gesta. Al referirse a este Peluffo (2002) toma en consideración los siguientes elementos: • Importancia del conocimiento como factor de crecimiento y de progreso, en donde la educación es el proceso clave siempre y cuando esté orientada al desarrollo del “aprender a aprender”. • Desarrolo de procesos de apropiación social del conocimiento, en donde la sociedad, los individuos u organizaciones se apropian del conocimiento que se convierte en un “bien público”, que al acumularse e interrelacionarse permiten a las instituciones, organizaciones públicas o privadas, responder a las oportunidades y desafíos que el entorno les of rece. • La capacidad de generar procesos dinámicos de aprendizaje social como elemento clave para crear o fortalecer competencias en las personas, comunidades o regiones que les permite saber actuar sobre el contexto de manera exitosa. • La Gestión Estratégica del Conocimiento por medio de un pensamiento estratégico y prospectivo en que tenga por objetivo orientar los esfuerzos en el proceso de generación del conocimiento y del cambio social y organizacional para desencadenar procesos sustentables de desarrollo. Siguiendo esta línea de pensamiento se puede inferir que no solo hay que desarrollar la tecnología, sino también aumentar la capacidad de las personas e instituciones en la adquisición, generación, difusión y uso del conocimiento más efectivamente para producir desarrollo social y crecimiento económico. La investigación, la ciencia, la tecnología y la educación se convierten en acciones priorizadas; el reconocimiento de que la información y el conocimiento constituyen el capital fundamental en las organizaciones y que las profesiones dependen cada vez más del conocimiento que se encuentre y aplique en la solución de los problemas profesionales, es una realidad. No se requiere saber acerca de todo, es suficiente con ser hábiles para gestionar la información sin importar la fuente, el soporte, o el lugar en que se encuentre. Este punto de vista le asigna al estudiante la responsabilidad Dicho paradigma tiene dos expresiones tecnológicas concretas y fundamentales: una es Internet. Internet no es una energía más; es realmente el equivalente a lo que fue primeramente la máquina de vapor y luego el motor eléctrico en el conjunto de la revolución industrial. La otra es la capacidad de ingeniería genética, el concomitante ADN o la capacidad de recodificar los códigos de la materia viva y, por tanto, ser capaz de procesar y manipular la vida” Extraído el 7 de noviembre, 2009 de http://www. uoc.edu/culturaxxi/esp/articles/castells0502/castells0502.html 17 �del desarrollo de habilidades para organizar, localizar, manipular y recuperar información así como usarla de manera eficaz en la solución de problemas. Existe un criterio cada vez más generalizado que el aprendizaje es un proceso continuo a lo largo de toda la vida y no un proceso a corto plazo. La capacidad del autoaprendizaje y la posibilidad de “aprender a aprender” a través del uso de la información se ha convertido en un requisito esencial para el futuro desempeño profesional y como ciudadanos. La formación de habilidades informacionales, para interactuar en la sociedad de la información y para asumir los nuevos retos educacionales en la formación de profesionales, también se le conoce como “alfabetización informacional o (ALFIN). Dadas las tendencias actuales de contextualizar los procesos informacionales se evidencia la necesidad de formular propuestas que permitan el desarrollo de habilidades informacionales conducentes a: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ Identificar necesidades de información Acceder y usar la información Evaluar información Crear nuevos conocimientos Comunicar información 1.2- La Alfabetización Informacional (ALFIN). Evolución del término Según Benito (2007)13 “Nos hallamos inmersos en la llamada sociedad de la información, en la que se están transformando y ampliando los conceptos de lectura y escritura, obligándonos a adaptar nuestras capacidades y saberes, para no quedarnos descolgados de numerosas posibilidades en los principales ámbitos de la vida. Es un nuevo proceso de selección, que algunos autores denominan darwinismo social, donde ya no dependemos de la fuerza para sobrevivir, sino de la formación; una formación cuyo fin último está ligado al desarrollo personal, a la empleabilidad y a la relación interpersonal”. El autor al referirse al darwinismo social contempla los procesos de selección y adaptación que implican que la persona más informada será la más capaz de adaptarse, de sobrevivir, de tener oportunidades en el mercado laboral y transmitir el conocimiento. 1 3 Benito Morales, Félix. (2007). Cuestiones previas a un proyecto ALFIN. XIV Jornadas Bibliotecarias de Andalucía. Antequera 15 al 17 de marzo de 2007. 18 �En el supuesto anterior se está llamando a una nueva formación, que rompe con la tradicional educación de usuarios. El término formación ha sido utilizado indistintamente para referirse a educación, instrucción, orientación; inclusive en algunos casos lo relacionan directamente con la alfabetización. Para este trabajo se entiende por formación la capacidad del individuo de establecer sus propias relaciones al aprehender y acumular experiencias que le posibilitan adquirir paulatinamente la independencia necesaria para la toma de decisiones, haber adquirido habilidades de pensamiento crítico y autónomo. La educación o formación de usuarios, que ha sido parte del trabajo desarrollado históricamente por las bibliotecas para lograr que los individuos accedan y usen los recursos bibliográficos que en ella se encuentran, ha centrado su objetivo en aprovechar mejor la información para su propio conocimiento y su actuación dentro de los servicios de la biblioteca. Desde la bibliotecología, especialistas del área relacionada con los usuarios han usado el vocablo sin distinción, mientras que otros, al procurar su aclaración, se apoyan en la psicología y especialmente en la pedagogía. Los cambios generados por la globalización han modificado y socavado las estructuras sociales en todas sus dimensiones, generando cambios en los modos de ser y de actuar de las personas, de ahí que los individuos deben ser capaces de aprender durante toda la vida y adaptarse a los cambios, cuestión que está modificando los sistemas educativos y los sistemas bibliotecarios por lo que se buscan nuevas formas para propiciar el aprendizaje. Las habilidades que exige la sociedad actual no están relacionadas solo con saber usar la biblioteca, sino dominar las habilidades y estrategias para informarse y usar la información, lo que implica conocer las fuentes, saber aplicar de modo inteligente los procedimientos para obtener información de ellas. Esta concepción abarcadora va más allá de la tradicional formación de usuarios, porque nos preocupa no solo la información documental, sino también las habilidades para comprender, usar y comunicar la información y lograr conocimiento. La idea de la Alfabetización informacional (INFORMATION LITERACY) surge a principios de los años 70, para referirse al conjunto de contenidos relativos a esta área, en el mundo anglosajón se utiliza principalmente "information literacy", y en el ámbito francófono,"maîtrise de l'information". Con la expresión "alfabetización informacional" traducimos literalmente la denominación anglosajona. El uso tradicional del término a l f a b e t i z a c i ó n como la capacidad de leer y escribir, la habilidad o competencia para realizar actividades mínimas o, 19 �también, un elemento de aprendizaje. Para este trabajo adquiere una mayor dimensión, más que limitarse a permitir que las personas sean funcionales y productivas, debe procurar la integración de habilidades tales como comprensión y expresión oral, lectura, escritura, y pensamiento crítico, incluir un conocimiento cultural amplio y añadir la presencia de las TIC. La alfabetización debe estimular la capacidad de pensamiento, de integración de conocimientos y la participación activa en la sociedad. En el mundo los proyectos de ALFIN han sido presentados a través de estándares, normas y programas, para adoptar una posición al respecto, se analizaron 4 estándares, 7 normas y 3 programas los cuales relacionamos a continuación: Estándares 1. North Dakota Standars and Benchmarks Library Technology Literacy 2. American Library Association and Association for Educational Communications and technology 3. Estándares Australianos para la Educación Superior 4. Los Estándares de la ALA para la Educación Superior Normas 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Los pasos Big 6 de Eiseber y Berkowski Las siete caras de la alfabetización informacional de Bruce Modelo de Ortoll para el entorno laboral Modelo Sconull para bibliotecas académicas del Reino Unido Modelo de Big Blue5 Modelo de OSLA Modelo Gavilán Programas 1. Programa Austin de la Universidad de Texas 2. Programa Tutorial basado en Internet Minneapolis-Estados Unidos 3. Guidelines for Library Media Programs in Lousiana Schools Sin embargo consideramos que para el caso específico de la carrera de Comunicación Social, una propuesta que considere el desarrollo de estas habilidades desde las asignaturas, es mucho más factible. Se tomó como referente las consideraciones de los estándares de la ALA para la educación superior. Por alfabetización informacional se entiende un proceso de aprendizaje mediante el cual se identifica una necesidad o define un problema; busca recursos aplicables; reúne y consume información; analiza e interpreta; sintetiza y comunica eficazmente a otras personas y evalúa el producto realizado. Una persona alfabetizada en información es aquella capaz de 20 �reconocer cuándo se necesita información y tiene la capacidad para localizar, evaluar, y utilizar eficientemente la información requerida ALA, (1989)14. La alfabetización informacional es mucho más que un paso lógico en la evolución de la instrucción, en el manejo de las bibliotecas o de bibliografía; es mucho más que enseñar cómo usar la biblioteca. El objetivo de la alfabetización en información es crear aprendices a lo largo de la vida, personas capaces de encontrar, evaluar y usar información eficazmente para resolver problemas o tomar decisiones, usando o sin usar una biblioteca. Tanto si la información viene de un ordenador, de un libro, de un órgano de gobierno, de una película, de una conversación, de un póster, o de cualquier otro posible recurso. “Inherente en el concepto de alfabetización en información está la capacidad de examinar y comprender lo que se ves en la página o en la pantalla de la televisión, en un póster, en un dibujo, en otras imágenes, así como en lo que oyes. Aspiramos a enseñar y posibilitar el aprendizaje tanto de habilidades documentales como de pensamiento Benito”, (2000)15. El origen del concepto de Alfabetización Informacional está en la aparición de la sociedad de información, caracterizada por el crecimiento rápido de la información disponible y los cambios del acompañamiento en la tecnología usada para generar, diseminar, tener acceso y para manejar esa información Rudolph, Smith y Argall, citado por Benito (2000) por su parte sugieren que “el término ha atravesado sucesivas etapas en su significado, al principio ser usuario competente (de bibliotecas) significaba pedir al bibliotecario que proporcionara materiales de la biblioteca, más tarde saber cómo estaba organizado el catálogo manual y cómo traducir las signaturas en sitios dentro de la biblioteca. En la actualidad el significado incluye la comprensión de un conjunto de elecciones acerca de medios y formatos en los que se proporciona la información y partiendo de esto solo aquellos que son competentes en el uso de la biblioteca pueden discriminar la información y proporcionarle un contexto en su búsqueda de conocimiento”. 16 Benito (2000) al definir la alfabetización informacional plantea tres puntos de vista con los cuales la autora de este trabajo coincide y están relacionados con: el usuario, las instituciones y desde el punto de vista teórico. 14 American Library Association (ALA). Presidential Committee on Information Literacy. Final Report. Extraído el 24 de septiembre, 2009 de http://www.ala.org/acrl/nili/ilt/1st.htm Benito Morales, F. et al. (2000) Estrategias y modelos para enseñar a usar la información. Extraído 23 de noviembre, 2009 de http:biblioteca.universia.net/html_bura/.../params/.../38113168.html 15 16 Ibidem 15 21 �Desde el punto de vista de los usuarios: El dominio (o proceso de aprendizaje) de una serie de competencias o habilidades, para obtener, evaluar, usar y comunicar la información. ƒ ƒ Desde el punto de vista de las instituciones educativas y documentales: El servicio y las actividades para lograr la enseñanza-aprendizaje de los conceptos, procedimientos y actitudes relativos al acceso y uso de la información. Desde el punto de vista teórico o de la investigación: Área disciplinar cuyo objetivo sería el desarrollo de normas, modelos pedagógicos, criterios de evaluación y estrategias políticas para la mejora de las competencias informacionales de los ciudadanos. Las habilidades para codificar, comprender y producir textos escritos ya no son suficientes; debe completarse y enriquecerse con el dominio de los medios documentales y tecnológicos que mediatizan hoy el acceso a la información. En materia de ALFIN se definen las aptitudes, habilidades y competencias, en los diferentes programas, unos abordan el aprendizaje desde los servicios que ofrecen las bibliotecas y otras instituciones de información, otros desarrollan cursos y programas de pregrado y postgrados. Es decir que existe diversidad de prácticas en cuanto al tratamiento de estas habilidades, sin embargo aunque se aboga porque estas habilidades estén integradas en el plan de estudio y en las asignaturas, los modelos existentes no lo abordan desde esta perspectiva, se desarrollan desde la biblioteca o a través de cursos de formación. Griffiths citado en Johnson, (1999)17 plantea que “la formación de estas aptitudes… constituye una responsabilidad compartida de todos los profesores y de todos los proveedores de información”…“una formación eficaz en aptitudes para el acceso y uso de la información depende de la cooperación entre los especialistas de la información y los expertos en las diferentes disciplinas para lograr unas innovaciones curriculares que favorezcan la consecución de tales habilidades”. La información se presenta cada día con mayor complejidad, por diversos factores entre los que se distinguen: ƒ el crecimiento exponencial de la literatura científica, ƒ la diversidad de soportes, las vías de acceso, los cambios sociales y cul turales, ƒ la mediatización tecnológica del conocimiento, 1 7 Informe preparado por el grupo de trabajo de SCONUL sobre Aptitudes para el acceso y uso de la información. Presidido por Hilary Johnson. Diciembre de 1999. Trad. De Cristóbal Pasadas Hureña. Biblioteca. Facultad de Psicología Universidad de Granada. 22 �la carencia de habilidades para interactuar con los diversos recursos informativos, entre otros. Entonces la responsabilidad tiene que ser compartida entre los profesores, que en el proceso de formación deben utilizar intensivamente los recursos informativos por los sistemas de información como parte de apoyo a la docencia. La propuesta que se presenta incluye acciones para el desarrollo de estas habilidades desde las asignaturas, por lo que es esencial la labor del profesor para lograr los objetivos propuestos. 1.2.1 La Alfabetización Informacional ( ALFIN ) en la Educación Superior Delors (1 996)18 en un informe de la UNESCO recomienda que la educación, para hacer frente a los retos del siglo XXI, se estructure en torno a cuatro aprendizajes fundamentales, que en el transcurso de la vida serán para cada persona, en cierto sentido, los pilares del conocimiento: 1. Aprender a conocer, es decir, adquirir los instrumentos para comprender el mundo que le rodea, favoreciendo el despertar de la curiosidad intelectual y estimulando el sentido crítico. Conviene compaginar una cultura general suficientemente amplia con la posibilidad de estudiar a fondo un reducido número de materiales. Esta cultura general sirve de pasaporte para una educación permanente, en la medida en que supone un aliciente y además sienta las bases para aprender durante toda la vida. 2. Aprender a hacer (en gran medida indisociable con el anterior), para poder influir sobre el propio entorno. Conviene no limitarse a conseguir el aprendizaje de un oficio y, en un sentido más general, adquirir una competencia que permita hacer frente a numerosas situaciones, algunas imprevisibles, y que facilite el trabajo en equipo. 3. Aprender a vivir juntos, para participar y cooperar con los demás en todas las actividades humanas. Se trata de aprender a vivir juntos conociendo mejor a los demás, su historia, sus tradiciones y su espiritualidad, y a partir de ahí, crear un nuevo espíritu que impulse la realización de proyectos comunes o la solución inteligente y pacífica de los inevitables conflictos, gracias justamente a esta comprensión de que las relaciones de interdependencia son cada vez mayores, y a un análisis compartido de los riesgos y retos del futuro. 1 8 Delors, J. (1996). La educación encierra um tesoro. Informe a la UNESCO de la Comisión Internacional sobre la educación para el siglo XXI: Santillana. 23 �4. Por último, aprender a ser, un proceso fundamental que recoge elementos de los tres anteriores. El informe Aprender a ser (1972) manifestaba en su preámbulo el temor a una deshumanización del mundo vinculada a la evolución tecnológica. La evolución general de las sociedades desde entonces y, entre otras cosas, el formidable poder adquirido por los medios de comunicación, han agudizado ese temor y dado más legitimidad a la advertencia que suscitó. Más que nunca, la función esencial de la educación es conferir a todos los seres humanos la libertad de pensamiento, de juicio, de sentimientos y de imaginación que necesitan para que sus talentos alcancen la plenitud y seguir siendo artífices, en la medida de lo posible, de su destino. Estas recomendaciones conservan una gran actualidad, puesto que el siglo XXI nos exigirá una mayor autonomía y capacidad de juicio junto con el fortalecimiento de la responsabilidad personal en la realización del destino colectivo. En Cuba los referentes sobre trabajos vinculados a ALFIN comienzan en la década del los 90 del pasado siglo, en sus inicios centrados al diseño de estrategias de búsqueda, trabajo con Bases de Datos, gestores bibliográficos y otras aplicaciones en los estudios de la ciencias. Este fue desarrollado por el Ministerio de Educación Superior19. Rodríguez, & Torricella (2008) 20 ofrecen una reseña sobre los estudios sobre ALFIN en Cuba y refieren estudios en la Universidad Central de Las Villas (1996-1997), como parte de programas de maestrías, doctorados y especialidades. Se realizan por la Universidad de La Habana varios trabajos de diploma Martí (2002), Rodríguez (2004), Barzaga (2005), Medina (2005), Ramos & Camacho (2006). En todos los casos la propuesta consiste en programas dirigidos a la formación de habilidades informacionales, no está el tratamiento desde la perspectiva que se refiere en este trabajo. La formación de habilidades queremos verla desde el contexto de las habilidades generales a lograr en la formación del profesional. En el contexto de la universalización de la Educación Superior en Moa, no existen referentes acerca del tema desde esta perspectiva. El tema ha sido tratado en los trabajos de Rodríguez (2004), en la Sede Universitaria Municipal de Plaza de la Revolución y en la Universidad de Matanzas, Marí, (2007), en propuestas para programas de formación de usuarios. El modelo pedagógico para la universalización de la educación superior propuesto, se basa en el criterio de la semipresencialidad, prevé un modelo de enseñanza – aprendizaje idóneo para formar personas que sean capaces de Lee Tenorio, F. (2007) Inicios de la alfabetización informacional en Cuba. Rodríguez C., L. & Torricella, R. (2008). La alfabetización informacional en los procesos de desarrollo de software. Propuesta de un programa para la Universidad de Ciencias Informáticas. Ciencias de la información. 39 (3). Sept.-dic. P. 6-7 19 20 24 �aprender a aprender durante toda su vida, y una de las herramientas fundamentales es el autoaprendizaje mediante la búsqueda constante del conocimiento y la información, no estamos pensando solo en el aprender a usar la computadora, sino aprender a buscar información en Internet, enseñarles a procesar, sintetizar y explorar el inmenso mundo del conocimiento que las tecnologías han puesto a la disposición de los ciudadanos. Según Benito, 199921 “es importante reconocer que la principal herramienta de comienzos del este nuevo milenio no son los ordenadores, sino el propio conocimiento, modelado por las estrategias cognitivas que facilitan la toma de decisiones y la solución de problemas, utilizando los recursos más apropiados, así como las disposiciones afectivas que promueven el interés para aprender a lo largo de la vida y la autoconfianza en las propias capacidades”. Según Gómez (2007)22 “A diferencia de la formación de usuarios tradicional, de la que se puede considerar una evolución, la ALFIN no se limita a preparar para usar una institución o sus servicios, ni pretende que el usuario se adapte a nuestros criterios técnicos u organizativos, ni se queda meramente en la instrucción bibliográfica, en las habilidades de búsqueda y localización de la información. La ALFIN pretende o aspira a incluir competencias no trabajadas usualmente en la formación de usuarios: evaluación de recursos, comprensión, utilización y comunicación de la información. Es decir, para usar la información en la toma de decisiones o generar conocimiento hay que entrar en habilidades cognitivas, e incluso en aspectos éticos. (…) pero en función de las necesidades de los individuos, de las posibilidades del contexto o de la colaboración con otros mediadores en procesos de aprendizaje, debemos ir más allá para incluir el uso reflexivo e intencional de la información para la creación de conocimiento.” A partir del análisis de los presupuestos anteriores se considera que si se integran las propuestas de ALFIN con las asignaturas y trabajos de los alumnos, de modo que lo enseñemos a informarse de manera concreta, es decir con ejemplos a sus fines de aprendizaje, esto puede ser un elemento de motivación para los estudiantes de manera que pueda construir su propio conocimiento a partir de sus nociones previas. 1.3 Presupuestos teóricos para el proceso de desarrollo de las habilidades La formación y desarrollo de habilidades ha transitado por diferentes tendencias pedagógicas: enseñanza tradicional, nueva escuela, tecnología 2 1 Benito Morales, F. (1999).Sociedad de la información y bibliotecas escolares. Primeras jornadas de Bibliotecas Escolares: Barcelona, 18 al 20 de marzo. 2 2 Gómez H. J.A. (2007). Alfabetización informacional: cuestiones básicas. Anuario ThinkEPI, v.1 p. 43-50 25 �educativa hasta la escuela de desarrollo integral o enseñanza desarrolladora. La orientación de esta se fundamenta en que el profesor deja de ser un mero transmisor de conocimientos a sus estudiantes, para convertir el proceso en un acto de elaboración, construcción y reconstrucción por parte de los estudiantes de conocimientos, modos de actuación y valores, así como otras cualidades de la personalidad, bajo su la orientación. Habilidad según el Diccionario Básico Escolar (2009)23 es la capacidad, inteligencia o aptitud que tiene alguien para hacer algo con facilidad. González y otros (2004)24 plantean que “el término habilidad, independientemente de las distintas acepciones que cobra en la literatura psico-pedagógica moderna, es generalmente utilizado como un sinónimo de saber hacer”. Los conocimientos y las habilidades constituyen la plataforma y el saber de la efectividad en la educación25, en la formación de los profesionales es de vital importancia determinar las habilidades que debe desarrollar el estudiante en su travesía por la carrera. En relación con la necesidad de formar estas habilidades en la educación superior consideramos atinado referir una reflexión de Área (2010)26 “Nuestro tiempo actual se caracteriza por el consumo masificado, por la participación social y por la configuración de redes de intercambio tanto de productos materiales como culturales. Sin sujetos, sin individuos preparados para afrontar de modo inteligente los desafíos del uso de la información que genera nuestra sociedad contemporánea, esta no podrá desarrollarse y crecer económicamente, no habrá participación democrática ni equilibrio social, ni producción y consumo de la cultura en sus múltiples manifestaciones: sean audiovisuales, literarias, artísticas…” “Hoy en día, los ciudadanos necesitamos mayor cantidad y calidad de educación, ya que los retos y contextos en los que tenemos que desenvolvernos y cohabitar son más variados y complejos. Precisamos ser más competentes que en décadas anteriores para poder emplear y apropiarnos de la información y la tecnología digital. Esta formación o, si se prefiere, alfabetización de los individuos ante los múltiples lenguajes y códigos Diccionario básico escolar (2009). Santiago de Cuba. Editorial Oriente. P. 516. González Maura, V. et al (2004). Psicología para educadores. La Habana. Editorial Pueblo y Educación. p. 116 25 La educación en el sentido más amplio es el proceso mediante el cual las sociedades propician no sólo su reproducción cultural sino su desenvolvimiento armónico, la convivencia y el bienestar presente y futuro para todos sus miembros, en la medida en que los socializa, los integra a sus ideales, tradiciones y cosmovisión cultural; a su saber acumulado, a sus normas y pautas de convivencia y a sus expectativas y proyectos de desarrollo futuro, sin que por ello los individuos pierdan su libertad para escoger un proyecto de vida personal y de realización profesional, en interacción y reciprocidad con la comunidad de que hacen parte. 26 Área M., M. (2010) ¿Por qué formar competencias en información y digitales en la educación superior? Revista Universidad y Sociedad del conocimiento p.3. Extraído de http:_ //rusc.uoc.edu. 23 24 26 �(textuales, icónicos, hipertextuales, audiovisuales, multimedia…) que adopta la información, debería ser una meta recurrente y permanente de todo el sistema educativo desde la educación infantil hasta la superior.” 1. La producción de conocimiento en todas las áreas del saber–científico, técnico, humanístico, artístico o social– en estas últimas décadas está en permanente crecimiento exponencial y es prácticamente inabarcable. Por ello, hoy en día, un universitario debería adquirir no sólo los conceptos, teorías y conocimientos básicos de una disciplina, sino también disponer de los criterios y estrategias intelectuales para encontrar nuevas informaciones que sean valiosas para su ámbito o campo de estudio, de investigación o de actividad profesional. 2. Existen cada vez mayores y numerosas fuentes que almacenan, organizan y difunden información en formato de bibliotecas digitales, bases de datos, portales web, publicaciones electrónicas, blogs, redes sociales, etc. Por ello, es relevante que un universitario disponga de los conocimientos y habilidades de uso de estas herramientas que le permiten la búsqueda de información especializada en bases de datos bibliográficas o sitios web relevantes para su campo de conocimiento. 3. Las teorías pedagógicas y del aprendizaje conciben al estudiante en interacción con otros sujetos a través de la acción. Hay que ofertar a los estudiantes las guías y los recursos necesarios para que pueda trabajar autónomamente para resolver situaciones problemáticas, desarrollar proyectos, estudiar casos, elaborar ensayos, etc. Pero para que este tipo de metodología sea exitosa hace falta una condición previa e imprescindible: que el alumnado esté formado en competencias informacionales y digitales. Sin estas, difícilmente podrá buscar, seleccionar, construir y difundir conocimiento elaborado personalmente. 4. Las formas de expresión y comunicación de las ideas, sentimientos, opiniones y conocimientos adoptan formas y lenguajes múltiples que se proyectan en textos escritos, en documentos audiovisuales o en archivos multimedia. Por ello, el saber expresarse o ser capaz de construir discursos en estos diversos lenguajes debería ser un tipo de competencia imprescindible en un alumno y docente universitario. Esta capacidad expresiva tendría que cultivarse en el seno de cualquier carrera o titulación de modo que formemos a los estudiantes como sujetos que están cualificados para comunicar y difundir sus ideas y conocimientos a través de cualquier forma expresiva y tecnología. 5. Desde hace una década, los espacios virtuales están ganando mayor protagonismo en la enseñanza universitaria y configuran modalidades educativas conocidas como e-learning, docencia virtual, educación semipresencial o b-learning y similar. Esta incorporación de las TIC a la docencia universitaria requiere que tanto alumnado como profesorado dispongan del dominio y las competencias del manejo de las 27 �herramientas de LMS (Learning Management System), así como de los distintos recursos que configuran la denominada web 2.0. En este sentido, cabe indicar que el estudio, análisis y reflexión sobre la conceptualización y enseñanza de este tipo de habilidades es un lugar común o espacio multidisciplinar abordado desde el campo de las ciencias sociales – como es la pedagogía y la psicología– donde señalan que el conocimiento debe ser construido por cada sujeto. Rico Y Silvestre (2002)27 son de la opinión que en el proceso de formación del conocimiento o la adquisición de una habilidad, se produce un desarrollo gradual de lo simple a lo complejo, es por ello que la valoración de los logros alcanzados por el estudiante es fundamental, como lo es la determinación de la complejidad de las acciones para la realización de una tarea o para la adquisición y desarrollo de nuevas habilidades. Estas autoras sostienen que el proceso de enseñanza aprendizaje tiene lugar en el transcurso de las asignaturas escolares,… “y en el proceso de asimilación de los conocimientos se produce la adquisición de procedimientos y estrategias, que en su unidad conformarán las habilidades tanto específicas de las asignaturas como de tipo más general, entre ellas las relacionadas con los procesos de pensamiento (análisis, síntesis, abstracción, generalización), entre otras”. La base del desarrollo de las habilidades radica en la función orientadora del docente, las acciones (relacionadas con el objetivo de la actividad) y las operaciones (condiciones en que se realizan las acciones) que se indiquen por el profesor deben responder a los objetivos que se propone y deben estructurarse de manera que se dé cumplimiento al mismo. De ahí la necesidad de que el profesor sea el guía principal en la conducción de las acciones que realizará el estudiante, por ello es medular establecer el esquema de la Base Orientadora de la Acción (BOA). López (2005) realiza un amplio análisis a partir de los clásicos del tema sobre la función de la BOA en la construcción de la habilidades y con el que se coincide en este trabajo y cito “N. F. Talízina (1985, 1988) amplía la estructura de etapas e insiste en el papel predominante de la acción orientadora del profesor en la etapa de motivación y de formación de la Base Orientadora para que los estudiantes tengan los elementos y las condiciones necesarias para apropiarse de la nueva acción, mientras que en las restantes etapas considera determinante la participación activa del estudiante, bajo la supervisión del profesor en su ejecución y en el control en este proceso desde sus inicios. Talízina insiste en que el profesor debe elaborar o establecer la BOA a realizar por los estudiantes y que en ella se presenta el contenido de la acción, 2 7 Rico P.& Silvestre M.(2002). Proceso de enseñanza aprendizaje. En: Compendio de Pedagogía. La Habana: Pueblo y Educación. p. 69 28 �así como las condiciones necesarias para su cumplimiento para permitir a estos que se formen una representación del contenido de la acción, y de aquello que puede servirle de apoyo para su correcto cumplimiento, incluyendo el orden de realización de las etapas que entran en la acción: orientación, ejecución y control. Las BOA pueden ser constituidas por el profesor de forma que el estudiante la recibe ya estructuradas o pueden ser construidas de conjunto por ambos actores del proceso (profesor y estudiante). En este sentido N. F. Talízina (1985) insiste en que la BOA fraccionada, que es característica de la enseñanza tradicionalista, necesita ser sustituida por la BOA generalizada o de tipo III que permita una correcta formación de la acción. Quintero, Triana y Loyola (2007)28 son de la opinión que como toda habilidad a formar y desarrollar en el alumno, se debe tener en cuenta la orientación de las acciones que deberá ejecutar el alumno bajo los principios elementales del proceso de enseñanza- aprendizaje: 1. La motivación hacia la actividad es el primer paso a desarrollar. 2. La base orientadora de las acciones con un elevado grado de despliegue, en la que se discutan los rasgos esenciales de las acciones a desarrollar con la finalidad de que el alumno se sienta protagonista de la actividad a realizar, como sujeto independiente y creador. 3. La materialización de las acciones, que cumple con el principio básico de las tareas referidas a su suficiencia, deben ser variadas y diferenciadas, y realizadas con determinada frecuencia. 4. El contenido de las tareas a desarrollar, que puede estar asistido por las tecnologías de la computación o por las vías tradicionales, pues lo que importante es que adquiera el conocimiento. Para la propuesta que se presenta para el desarrollo de habilidades informacionales en los estudiantes de la carrera de Comunicación Social de la SUM de Moa se construye teniendo en cuenta las debilidades existentes actualmente en el desarrollo de las habilidades informacionales. González (2004)29 refiere que “El aprendizaje de las diferentes formas de actividad ocurre en los sujetos de forma gradual: en un inicio se manifiesta la actuación de manera muy imperfecta, en la medida que el sujeto hace “suyas” las distintas acciones y operaciones, ocurre por consiguiente, una asimilación progresiva de las mismas, reflejándose también en la actividad” El desarrollo de habilidades es una exigencia determinada por el mundo actual, la sociedad de la información demanda un personal altamente 28 Quintero,N.,Triana, M. & Loyola A. (2007). Fundamentos teórico metodológicos para el diseño de estrategias educativas para la creatividad en la ingeniería gráfica. [versión Electrónica] Revista Recre@rte 7 , Julio. Extraído el 12 de enero, 2010 de http://www.iacat.com/Revista/recrearte07.ht 29 Ibídem 18. P.106 29 �calificado, especialistas capaces de dar solución a los problemas que la época contemporánea plantea. Muchas de las habilidades necesarias para ello comienzan a formarse ya en la educación preescolar (observación, descripción, comparación) y continúan su desarrollo desde los primeros grados, lo que constituye una tarea muy importante de la enseñanza. 30 El término habilidad es definido de diferentes formas por diversos autores, en el trabajo de Hernández Carballo (2000)31 se ofrecen una serie de definiciones entre las que se encuentran: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ Para A. A. Smirnov la habilidad es "saber hacer. Según A. Petrovsky es "el dominio de un complejo sistema de acciones psíquicas y prácticas necesarias para la regulación racional de la actividad con ayuda de los conocimientos y hábitos que la persona posee." B. A. Krutetski señala que es "el modo de realizar la actividad dominado por el hombre." V. González afirma que "las habilidades constituyen el dominio de operaciones (psíquicas y prácticas) que permiten una regulación racional de la actividad. C. Álvarez define la habilidad "como la dimensión del contenido que muestra el comportamiento del hombre en una rama del saber propio de la cultura de la humanidad. Es, desde el punto de vista psicológico, el sistema de acciones y operaciones dominado por el sujeto que responde a un objetivo." Es importante señalar que de forma general, estos autores coinciden en analizar la habilidad en estrecho vínculo con el modo en que el sujeto realiza su actividad, para lo cual necesita disponer de un sistema de acciones y operaciones que respondan al éxito del objetivo propuesto. De la misma forma Silvestre O., M. y Zilberstein T., J. (2002)32 citan a otros autores como Danilov y Statkin, para ellos la habilidad es “…un complejo pedagógico extraordinariamente complejo y amplio: es la capacidad adquirida por el hombre de utilizar creadoramente sus conocimientos y hábitos, tanto durante el proceso de actividad teórica como práctica”. Y para M. López, citado por Silvestre y otros…“constituye un sistema complejo de operaciones necesarias para la regulación de la actividad (…) se debe garantizar que los alumnos asimilen las formas de elaboración, los 3 0 Castro Ruz, F. (l98l). Discurso pronunciado en el acto de graduación del Destacamento Pedagógico Universitario "Manuel Ascunce Domenech" : La Habana, Empresa Impresoras Gráficas. 3 1 Hernández Carballo, M.J. (2000). Propuesta de un diseño curricular para el desarrollo de habilidades intelectuales. Tesis para optar por el título Académico de Master en Educación de Avanzada. La Habana. Instituto Superior Pedagógico Enrique José Varona. 3 2 Silvestre O.& M., Zilberstein T., J. (2002). Hacia una didáctica desarrolladora. La Habana. Editorial Pueblo y Educación. p. 74 30 �modos de actuar, las técnicas para aprender, las formas de razonar, de modo que con el conocimiento se logre también la formación y desarrollo de las habilidades, y refiere que los autores citados de una u otra forma coinciden en considerar que la habilidad se desarrolla en la actividad y que implica el dominio de las formas de la actividad cognoscitiva, práctica y valorativa, es decir “el conocimiento en acción”, esta es la tendencia de la mayoría de los autores que se adscriben al enfoque histórico – cultural”. En la definición dada por Silvestre y Zilberstein se plantea que la habilidad se desarrolla en la actividad e implica el dominio de las formas de la actividad cognoscitiva, práctica y valorativa, es decir el conocimiento en acción al considerar la habilidad como parte del contenido. Resulta necesario señalar que las habilidades caracterizan, en el plano didáctico, las acciones que el estudiante realiza en su interacción con el objeto de estudio. Es necesario plantear a los estudiantes los objetivos de modo tal que, aunque varíe el contenido, tengan la posibilidad de realizar un mismo tipo de acción u operación, de sistematizarla y lograr su desarrollo, en caso contrario, el nivel de asimilación de la actividad será insuficiente, lo que se expresará en índices más bajos de aprendizaje. No es posible, por tanto, pretender desarrollar habilidades en los estudiantes al margen del dominio de determinadas acciones. En el proceso de aprendizaje, se distinguen los conocimientos y las acciones o habilidades específicas que debe asimilar el estudiante como parte de los contenidos en las diferentes asignaturas. De la misma manera manifiestan un conjunto de habilidades cognoscitivas que sirven al alumno para acercarse al conocimiento general. Según los trabajos de Rico, Rico y Silvestre (2002)33 entre ellas están las relacionadas con los procesos del pensamiento (análisis, síntesis, abstracción y generalización). En todas las definiciones se considera que la actividad del individuo no puede verse fuera del contexto de relaciones con la sociedad, puesto que es en este marco donde se produce la actividad humana en general. De esta manera, en su interacción se incluye el intercambio con otros sujetos, cuestión que propicia auto transformación del sujeto en un mayor o menor grado. Álvarez, (1990)34 refiere: “Denominamos acción al proceso que se subordina a la representación de aquel resultado que habrá de ser alcanzado, es decir, el objetivo”. 3 3 Rico M. P. (2002). Algunas características de la actividad de aprendizaje y del desarrollo intelectual de los alumnos. En: Compendio de Pedagogía. La Habana. Editorial Pueblo y Educación. Álvarez de Zayas, C. M. (1990). Fundamentos Teóricos de la Didáctica de la Educación Superior, La Habana, apuntes para un libro de texto. p.155 34 31 �Se puede inferir entonces que: la estructura de la habilidad está conformada por un sistema de acciones y operaciones que manifiestan el dominio de determinados conocimientos. La habilidad constituye la posibilidad para el sujeto de poder realizar determinadas acciones y de esta forma llevar a cabo determinadas actividades. Álvarez (1999)35 clasifica las habilidades, según su nivel de sistematicidad en: 1. Las propias de la ciencia específica, 2. Las habilidades lógicas, también llamadas intelectuales o teóricas, las que se aplican en cualquier ciencia, tales como induccióndeducción, análisis-síntesis, generalización, clasificación, definición. 3. Habilidades propias del proceso docente en sí mismo, y de auto instrucción, tales como el tomar notas, la realización de resúmenes y de fichas, el desarrollo de los informes, la lectura rápida y eficiente, entre otras. Fuentes (2008)36 plantea “Sin pretender desarrollar una clasificación de las habilidades se asume la existencia de las habilidades, considerándolas como parte del contenido de una disciplina docente y que caracterizan en el plano didáctico las acciones que el estudiante realiza al interactuar con el objeto de la cultura. Desde este punto de vista, existen: 1. Habilidades específicas (vinculadas a una rama de la cultura o profesión). Constituyen el tipo de habilidad que el sujeto desarrolla en su interacción con un objeto de la cultura y que, en el proceso de enseñanza aprendizaje, una vez que son suficientemente sistematizadas y generalizadas, se concretan en métodos propios de los diferentes objeto de la cultura que se configuran como contenido. 2. Habilidades lógicas. Son las que le permiten al sujeto apropiarse, comprender, interpretar transformar el conocimiento. Guardan una estrecha relación con los procesos fundamentales del pensamiento, tales como el análisis-síntesis, abstracción-concreción, generalización, entre otros. Se desarrollan a través de las habilidades específicas. Están en la base del desarrollo de las habilidades, y en general de toda actividad cognoscitiva del sujeto. 3. Habilidades del procesamiento de la información y la comunicación. Son las que le permiten al sujeto procesar la información, y se incluyen aquellas que permiten obtener la información y reelaborar la información. Aquí se incluyen aquellas 35 ---- (1999). La escuela en la vida. La Habana: Editorial Pueblo y Educación. p. 71 36 Fuentes G. H.C.(2008). La formación de los profesionales en la contemporaneidad. Concepción holística configuracional en la educación superior. Santiago de Cuba. Centro de Estudios de Educación Superior. p. 272-273 32 �habilidades propias del proceso enseñanza-aprendizaje como tomar notas, hacer resúmenes, así como exponer los conocimientos tanto de forma escrita como oral. Entre estos grupos de habilidades existen nexos, pues las unas condicionan a las otras, formando parte de un gran sistema en el que las habilidades lógicas sirven de soporte, de ahí la relevancia que poseen en el núcleo de contenido. En la bibliografía revisada Álvarez (1999), López (2005), clasifican las habilidades siguiendo la denominación de Álvarez, que aunque incluyen habilidades para el tratamiento de la información, como habilidades para el procesamiento de la información y la comunicación solo la encontramos definida por Fuentes, en opinión de la autora es el término más acertado por el contenido que encierra la habilidad en sí, pues la denominación Habilidades propias del proceso docente en sí mismo, es muy general y no refiere la esencia de lo que se puede lograr en el estudiante. El formación y desarrollo de las habilidades de carácter general tanto docentes como intelectuales en los estudiantes, se potencian con el uso de la información, para hacer un uso adecuado de la misma se debe fortalecer desde la didáctica métodos y procedimientos que propicien el desarrollo de estas habilidades, en función de los objetivos de cada clase. Estos procedimientos deben profundizar hacia el interior del enseñar a aprender, promover el análisis, la síntesis , la abstracción, la generalización, la inducción, la deducción, la demostración, la búsqueda de las causas y las consecuencias, la búsqueda de la esencia, entre los elementos importantes que conduzcan a un pensamiento cualitativamente superior y que permita a la vez, no solo el desarrollo cognoscitivo, sino también el desarrollo de sentimientos, valores, convicciones, principios que identifiquen un profesional comprometido con su tiempo y con su realidad nacional. Saber usar la información es un elemento esencial para el logro de estos objetivos. De ahí que, utilizar métodos y procedimientos más generales y productivos que complementen los diferentes métodos y que de forma coherente integren la acción de las diferentes asignaturas que cursa el estudiante, es una necesidad en la formación del profesional. 1.3.1 Saber usar la información: tema transversal en el currículo La orientación y la estructura de los sistemas de educación y el progreso pedagógico exigen la incorporación y/o reconversión de las habilidades para usar la gran cantidad de información que se genera y su incorporación a la ciencia, la tecnología y la sociedad. 33 �La educación en el uso de la información, como la educación ambiental, para la paz, para la convivencia, entre otras, constituyen las denominadas líneas transversales. Que reciben este nombre por atravesar la verticalidad disciplinar. Es un imperativo en la sociedad actual aprender métodos para buscar, conservar y procesar la información que se produce. La recuperación y el manejo de la información consisten en la capacidad de identificarla, tener acceso a ella, usarla eficientemente para la obtención de los objetivos propuestos. En la estructuración curricular de la carrera de Comunicación Social una vez analizada la organización de los objetivos, contenidos y habilidades, se considera posible elegir los procesos necesarios para generar o cualificar las capacidades profesionales para el manejo de la información que se pretenden desarrollar. A través de la estructuración curricular se puede conseguir la articulación, jerarquización y convergencia de los referentes y fundamentos del currículo para ponerlos como un todo al servicio del desarrollo integral humano, dentro de la dinámica del proceso de formación y en el contexto social y cultural propio de estos estudiantes. La Association of College & Research Libraries Information Literacy Competency Standars ref iere que “La competencia informacional es común a todas las disciplinas, a todos los entornos de aprendizaje, a todos los niveles de educación. Permite a los aprendices dominar el contenido y ampliar sus investigaciones, ser más autónomos y asumir un mayor control en su propio aprendizaje. De ahí su carácter transversal e interdisciplinar”. El concepto de transdisciplinariedad es abordado por Sandi (2010)37 y refiere citando a Piaget que es “la etapa donde las relaciones interdisciplinarias pasan a un nivel superior que debiera ser la transdisciplinariedad, el cual no se limitará a reconocer las interacciones y reciprocidades entre las investigaciones especializadas, sino que buscará abordar y ubicar esos vínculos dentro de un sistema total sin fronteras estables entre las disciplinas”. Galvani (2006) citado por Sandi (2010) propone que en el camino para la educación transdisciplinaria debe contemplar al menos los siguientes aspectos: ƒ Solicitar una reflexión sobre la experiencia y una producción personal del saber. ƒ Acompañar el diálogo intersubjetivo, intercultural e interdisciplinario de culturas, generaciones y disciplinas. ƒ Organizar y religar las enseñanzas disciplinarias desde problemáticas globales. ƒ Introducir dentro de los programas de escolares, el conocimiento del conocimiento. Sandi S.,M.C. (2010) IV Congreso Internacional sobre transdisciplinariedad complejidad y Ecoformación. 22 al 26 de febrero 2010. San José. Costa Rica. 37 34 �Uno de los elementos claves para el desarrollo del aprendizaje lo constituye la información científico técnica, por ello al analizar su implementación en el modelo pedagógico propuesto se tienen en cuenta los elementos conceptuales que lo sustentan y las sugerencias metodológicas relacionadas con la forma de utilizar y orientar la bibliografía en las formas organizativas del proceso docente, de manera que puedan utilizarse para mejorar las prácticas pedagógicas haciéndolas más pertinentes en el momento de trabajar con los diferentes recursos informativos de apoyo a la docencia en todas las asignaturas y años de la carrera. Este modelo pedagógico se caracteriza por ser abierto y flexible, permite dar respuesta a las necesidades informativas de profesores y estudiantes desde una perspectiva en el uso de la información que permiten al estudiante ir más allá de de la instrucción para el uso de la biblioteca, se ofrece la posibilidad de potenciar el uso de la información en la diversidad de fuentes de información disponible tanto en recursos tradicionales como en los nuevos soportes documentales. La carta de transdisciplinariedad en su artículo 11 postula “una educación auténtica no puede privilegiar la abstracción en el conocimiento. Debe enseñar a contextualizar, concretar y globalizar. La educación transdisciplinaria reevalúa el rol de intuición, del imaginario y de la sensibilidad y del cuerpo en la transmisión de conocimientos” Le corresponde a la universidad no solo formar profesionales para el momento actual sino para el futuro con vistas a llevar hacia adelante el desarrollo, con conciencia de servicio a su país y dispuestos a incorporar de manera independiente las innovaciones dentro de su profesión, así como los cambios sociales sobre los que repercute; de ahí que el currículum deba prever los mecanismos para poder efectuar ajustes y actualización. Hernández (2003)38 refiere que el perfil profesional debe contemplar tres niveles de exigencias según N.F. Talizina (1993): 1. Exigencias de la época Tipos de actividad argumentadas por las particularidades del siglo, es decir, aquellos conocimientos y habilidades de carácter general, no privativos de una profesión, sino que son inherentes de todos los profesionales contemporáneos. Por ejemplo la generación y velocidad del conocimiento que caracteriza esta era de la información, exige de habilidades específicas para la búsqueda, procesamiento y fijación de la misma, que muy pocas veces constituye proyecciones previstas en el perfil profesional. 3 8 Hernández, A (2003). Perfil Profesional. En Curriculum y Formación profesional. González, et. al. La Habana. CEPES. P.91-93. 35 �Otro aspecto a contemplar dada la complejidad de los objetos de estudio producto del desarrollo científico y el surgimiento de ciencias multidisciplinarias, es la necesidad de trabajo en grupos de diversos especialistas, en equipos multidisciplinarios que requieren habilidades de comunicación interpersonal. Puede que esta exigencia de la época, a la vez sea un requisito particular de una carrera por lo que, en ese caso, se convertiría en contenido objeto específico de la formación profesional, como puede ser en el médico, el maestro, el psicólogo, el comunicador social entre otros. Por otra parte se encuentra el uso de las TIC que se demanda en la actuación de cualquier profesional, como exigencia del mundo actual. Dentro de este nivel general también está lo relativo a las habilidades para la dirección del colectivo, ya sea de la producción, de un equipo de trabajo, de un proyecto de investigación, por lo que se requiere desarrollar habilidades para la identificación de problemas, toma de decisiones, entre otras, que en algún momento de su quehacer todo profesional necesita para su desempeño como tal. 2. Exigencias propias del país, de la región, de su sistema social Son inherentes a un conjunto de profesiones que se desarrollan bajo similares condiciones materiales, geográficas, étnicas que reclaman del quehacer profesional por ejemplo, un trabajo comunitario particular o la atención en las aulas de estudiantes portadores de una cultura muy vinculada a las tradiciones de su región, lo que deben ser contempladas en la proyección curricular. La existencia de empresas privadas y estatales como instituciones empleadoras del profesional que se forma, constituyen otro elemento que también influye en el diseño del perfil, pues aunque requieren de características comunes, también tienen exigencias diferentes que deben considerarse en los fines de la formación. 3. Exigencias específicas de la profesión Se refiere a las exigencias más vinculadas a las actividades básicas de cada profesión y con ello a los contenidos, métodos, procedimientos a tener en consideración para su desempeño con calidad. Son las que más reflejan el nivel de avance del desarrollo científico tecnológico en un campo específico, lo que exige un reajuste del perfil a las prácticas profesionales emergentes, según las tendencias de desarrollo futuras en esa área del saber. Se asume que, en el perfil como primer momento de la planeación educativa también debe contemplarse el nivel inicial con que arriban los estudiantes a la 36 �universidad, el cual incluye no solo los conocimientos y habilidades producto de la escolarización anterior, sino también sus intereses y motivos hacia el estudio, así como las estrategias y métodos de aprendizaje que posee el estudiante al llegar a este nivel. Estos propósitos de formación que responden al para qué hace falta un profesional en un contexto socio histórico determinado, quedan materializados en los planes de estudio de cada carrera que identifican qué contenidos se requieren para cumplir con esos objetivos profesionales. Una vez delimitados estos aspectos se pasa entonces a la elaboración de los diferentes programas docentes donde debe quedar definido cómo esos contenidos se van a instrumentar en la práctica educativa concreta. Todo esto forma parte de los temas transversales presentes en el currículo y en este contexto en específico facilitan a los profesionales mayores garantías de éxito en la renovación del conocimiento científico, cultural y profesional; favorece los procesos de aprendizaje y permite utilizar métodos de enseñanza compartidos y críticos. El enfoque transdisciplinario constituye la línea de pensamiento metodológico en la propuesta metodológica que se presenta en el trabajo. 1.4- Las habilidades informacionales en el proceso de formación El proceso de enseñanza aprendizaje, ha sido abordado pedagógicamente desde diversos modos, en función de las tendencias psicológicas en que se han sustentado. La mayoría de los especialistas presuponen la enseñanza y el aprendizaje como dos procesos independientes: unos hiperbolizan el peso de la enseñanza sobre el aprendizaje (como es el caso de le enseñanza tradicional), otros enfatizan la función del contenido y su estructuración por sobre otras categorías pedagógicas en busca de mayor calidad del aprendizaje, los que trasladan totalmente la balanza hacia el aprendizaje y responsabilizan al estudiante totalmente con la construcción de su conocimiento y subvaloran el papel del profesor entre otros puntos de vista. Según Hernández39 “El equipo de trabajo del CEPES de la Universidad de la Habana parte de una concepción del proceso de enseñanza aprendizaje fundamentado en el Enfoque Histórico Cultural desarrollado por L. S, Vigotski y seguidores, a partir de la cual coincidimos con Castellanos, A y otros quienes lo plantean: como proceso de socialización en el que el estudiante se inserta como objeto y sujeto de su aprendizaje, asumiendo una posición activa y responsable en su proceso de formación, de configuración de su mundo Hernández Diaz , A. Una visión contemporánea del proceso de enseñanza aprendizaje. Tema 1. Maestría de Amplio Acceso a la Educación Superior. Documento en PDF. 39 37 �interno, como creador y a la vez depositario de patrones culturales históricamente construidos por la humanidad”. La autora coincide con el tratamiento dado por estos autores y lo asume para el trabajo pues en el proceso de asimilación de los contenidos mediante la consulta de las diferentes fuentes de información, si bien el estudiante construye su propio conocimiento es importante considerar el papel del profesor. La formación del estudiante no se limita a la formación instrumental (conocimientos y habilidades) sino también debe estar orientada a encontrarle solución a las necesidades de su contexto, comprometido con las estrategias de desarrollo de la sociedad. Estos propósitos de formación requieren de una institución educativa diferente, creadora de espacios para el intercambio y respeto mutuo entre los estudiantes y entre estos y el profesor, que brinde similares posibilidades a todos los estudiantes y que el docente planifique las diferentes actividades diseñando las acciones o grupos de acciones a través de las cuales exprese la actividad, que reclame de los alumnos un razonamiento productivo y creativo. El término habilidades informacionales hace referencia al conjunto de actividades orientadas hacia el desarrollo de habilidades, competencias y conocimientos en los miembros de una sociedad para que usen la información en cualquier lugar independiente del formato y el soporte. En Latinoamérica y Francia se utiliza frecuentemente para referirse “al conjunto de habilidades de aprendizaje permanente en relación con el conocimiento y uso óptimo de las fuentes de información o los recursos documentales para responder a necesidades específicas”. Mientras que los anglosajones - de acuerdo con la traducción de los términos a la lengua española - hablan de “educación de usuarios” e “instrucción de usuarios” para denominar ese conjunto de habilidades de aprendizaje, que en otras ocasiones se le denomina instrucción o educación en el uso de la biblioteca. Las habilidades informacionales, tienen sus orígenes en la llamada educación de usuarios o formación de usuarios que desarrolla la biblioteca entre sus actividades formativas. Tradicionalmente se le conoce como el conjunto de actividades que desarrolla el personal bibliotecario para transmitir al usuario un conocimiento más específico sobre el funcionamiento, recursos y servicios de información de la Biblioteca. Su objetivo principal es adiestrarlos en los procesos de identificación, localización, selección, evaluación y utilización de datos e información, para ello realiza actividades que pueden ser: talleres, charlas, conversatorios, cursos cortos, entre otros, donde el usuario adquiere las habilidades necesarias para el acceder y usar la información de manera independiente y autónoma. 38 �El advenimiento de las tecnologías de la información y el proceso de globalización han sido dos de los elementos fundamentales para que en la sociedad de la información se requieran estudiantes que lleguen a ser verdaderos navegadores del conocimiento en las grandes redes de información donde manejar estrategias de gestión de información es un imperativo para obtener información pertinente, relevante y significativa. En la medida que los sistemas de producción y distribución de información han evolucionado, la importancia del conocimiento incluido en el producto, en el diseño de la tecnología o en el proceso constituyen valor agregado a la información que se genera. Ante el crecimiento exponencial de la información, es más factible, en ocasiones, aprender métodos para buscarla, conservarla y procesarla que hacer énfasis en los contenidos de la información en sí. Esto a juicio de la autora, obliga a generalizar el aprendizaje con métodos de búsqueda de información y trabajar de manera más sistemática en la formación de los estudiantes, debido a que, para su futuro desempeño profesional el uso de fuentes documentales es determinante para tomar decisiones oportunas. El aprendizaje se concibe como un proceso que transcurre durante el procesamiento de la información por el estudiante, la información no puede ser un elemento solamente para interactuar con el estudiante, es necesario que: a) El estudiante aprenda a efectuar funciones profesionales colocándolo en situaciones idóneas para ello. b) La información esté determinada por los problemas que el estudiante resuelve y no por los contenidos de las disciplinas solamente, (es necesario conjugar estos). c) La información debe ser localizada por el estudiante en el momento que la requiera y debe ser relevante, pertinente y oportuna. Estos requerimientos presuponen un esfuerzo en el estudiante que involucra habilidades que le permitan seleccionar, aplicar y administrar con destreza la información. “La utilización de las tecnologías de la información tiene en la educación el potencial de suprimir del currículum la memorización de hechos y dejarle paso al desarrollo de habilidades de recuperación, evaluación critica, manipulación de bases de datos y otras estructuras de información. En vista de que el modelo de aprendizaje del procesamiento de la información es una construcción activa del conocimiento, se sostiene que muchas actividades del aula pueden realizarse a través de las nuevas herramientas tecnológicas y en 39 �consecuencia hay una necesidad inmediata y urgente de reconsiderar y modificar el currículum en lo tocante a capacidades básicas”.40 Considerando las posiciones expuestas por Silvestre y Zilberstein, (2006)41, que recomiendan los siguientes principios para una enseñanza y un aprendizaje desarrolladores: ƒ Diagnóstico integral de la preparación del alumno para las exigencias del proceso de enseñanza aprendizaje, nivel de logros y potencialidades en el contenido de aprendizaje, desarrollo intelectual y afectivo valorativo. ƒ Estructurar el proceso de enseñanza aprendizaje hacia la búsqueda activa del conocimiento por el alumno, teniendo en cuenta acciones a realizar por este en los momentos de orientación, ejecución y control de la actividad. ƒ Concebir un sistema de actividades para la búsqueda y exploración del conocimiento por el alumno desde posiciones reflexivas, el cual estimule y propicie el desarrollo del pensamiento y la independencia escolar. ƒ Orientar la motivación hacia el objeto de la actividad de estudio y mantener su constancia. Desarrollar la necesidad de aprender y entrenarse en como hacerlo. ƒ Estimular la formación de conceptos y el desarrollo de los procesos lógicos de pensamiento, y el alcance teórico, en la medida que se produce la apropiación de los conocimientos y se eleva la capacidad de resolver problemas. ƒ Desarrollar formas de actividad y de comunicación colectivas, que favorezcan el desarrollo intelectual, al lograr la adecuada interacción de lo individual con lo colectivo en el proceso de aprendizaje. ƒ Atender las diferencias individuales en el desarrollo de los escolares, en el tránsito del nivel logrado hacia el que se aspira. ƒ Vincular el contenido del aprendizaje con la práctica social y estimular la valoración del alumno en el plano educativo. 4 0 El uso de la información y su impacto en el aprendizaje. Reencuentro 21, abril 1998. Serie Cuadernos. (material fotocopiado). 4 1 Zilberstein Toruncha, J. (2006). Principios didácticos en un proceso de enseñanza – aprendizaje que instruya y eduque. En su: Preparación integral para profesores integrales. La Habana Editorial Félix Varela, p. 29 40 �Se considera que los principios expuestos por estos autores se pueden tener en cuenta al aprender a trabajar con la información, es evidente que utilizando procedimientos pedagógicos se obtiene el éxito o el fracaso en la formación del profesional que se quiere preparar. Consideramos los principios anteriores para el contexto específico de la Carrera de Comunicación Social de la SUM. El diagnóstico inicial es esencial para determinar el nivel de preparación de los estudiantes para el trabajo con la información, se consideran los diferentes niveles de preparación del alumno para las exigencias del proceso de enseñanza aprendizaje, desarrollo intelectual y afectivo valorativo en consideración que estos estudiantes provienen de diferentes fuentes de ingreso, lo que hace que no todos tengan la misma preparación. El profesor debe estructurar el proceso de enseñanza aprendizaje hacia la búsqueda activa del conocimiento por el alumno. Planificar actividades donde el estudiante acceda y utilice diferentes fuentes de información y establecer mecanismos de orientación, ejecución y control de la actividad. Concebir un sistema de actividades para la búsqueda y exploración del conocimiento por el alumno desde posiciones reflexivas, por ejemplo para el desarrollo de la habilidad evaluar información, el estudiante tiene que observar, relacionar, expresar, parear. Desarrollar actividades para fomentar el trabajo en equipo y tener en consideración las diferencias individuales pues la mayor parte de la matrícula proviene del Curso Integral para Jóvenes. Las exigencias actuales requieren de un profesor diferente que estimule el diálogo y la socialización del conocimiento, que brinde espacio para la reflexión y el debate participativo orientado y dirigido por él. Un profesor que reconozca en cada estudiante una individualidad, que sea capaz de estimular intereses comunes, que aglutine a todo el grupo en torno a la resolución de las tareas planteadas mediante la interacción entre ellos y entre ellos y el profesor. Estas mismas exigencias pueden ser requeridas para la formación de estudiantes críticos, autoreflexivos, activos en la construcción de conocimientos y aptos para su participación en escenarios problémicos en los que el aprendizaje dinámico requiere de valoraciones obtenidas a partir del trabajo efectivo con la información y sus formas de procesamiento. Una necesidad más para la adquisición de habilidades informacionales que forman parte de la cultura informacional que se aspira lograr en estudiantes y profesores. Las grandes transformaciones ocurridas en la segunda mitad del siglo XX, donde la información define un nuevo comportamiento social, a partir de la mundialización de la economía y la cultura, según Castells citado por 41 �Cárdenas (2007)42 “Una nueva sociedad surge siempre y cuando pueda observarse una transformación estructural en las relaciones de producción, en las relaciones de poder y en las relaciones de experiencia. Estas transformaciones conllevan una modificación igualmente sustancial de las formas sociales del espacio y el tiempo, y la aparición de una nueva cultura” “ L a cultura informacional constituye un elemento esencial en el desarrollo de la sociedad de la información y el conocimiento. Es, a partir de la cultura informacional, que el hombre adquiere habilidades que faciliten el uso, acceso, manejo, distribución y procesamiento de la información mediante los ambientes intensivos en los cuales se desarrolla hoy el recurso de información”.43 Cornella, 44 define la cultura informacional como "la habilidad de entender y emplear información impresa en las actividades diarias, en el hogar, en el trabajo, y en los actos sociales, con la finalidad de cumplir los objetivos de unos, y de desarrollar el conocimiento y el potencial propio”. M e n o u , citado por Cárdenas (2007) 45 la simplifica a " la habilidad de los individuos o grupos de hacer el mejor uso posible de la información”. A la vez, Páez Urdaneta reconoce el desarrollo de la cultura informacional como un factor fundamental para la introducción de cambios en el sector bibliotecario y considera la cultura informacional “como el conjunto de competencias y actitudes que los beneficiarios actuales y potenciales del servicio de información exhiben como factores que tomarán los usuarios frente a los productos y servicios de información”, De forma general y desde el punto de vista de la cultura como forma de comportamiento y conocimiento que identifican a una comunidad de individuos, la cultura informacional es el resultado de un proceso permanente de alfabetización en el uso de la información, que provoca, con el tiempo, cambios en las sociedades, donde los individuos tendrán las habilidades y destrezas necesarias para un manejo adecuado de la información: uso, acceso, manejo o procesamiento, para generar además, nuevos conocimientos que sirvan al desarrollo de la sociedad o comunidad donde este se desenvuelve, y utilice las tecnologías informáticas; estas competencias serían multidisciplinarias, y aplicables en cualquier campo, los individuos están preparados para enfrentar nuevos cambios. Cárdenas Cristia, A. (2007). Acceso universal a la información: globalización, cultura y alfabetización. Acimed; 15(1). Extraído el 24 de noviembre de 2009 de http://bvs.sld.cu/revistas/aci/vol15_1_07/aci10107.htm 4 3 Artiles Visbal, S. & García González, F. (2000). Cultura informacional. Estrategias para el desarrollo de la sociedad de la información y el conocimiento. Ciencias de la Información: 31 (1-2):49-62. 44 Cornella, Alfons. Cultura informacional es civismo informacional. Extraído el 24 de febrero, 2009 de http://www.w3.org/TR/REC-html40 45 Ibidem 42 42 42 �En el desarrollo de esta cultura intervendrán según Ponjúan (2001) citada por Cárdenas (2007)46 la dimensión humana, la información y la infraestructura. “El vínculo entre la dimensión humana y la dimensión información generalmente origina el conocimiento. La relación entre la dimensión humana y la infraestructura deja un espacio donde se establecen determinadas relaciones que pueden tener diferentes niveles de actividad y distintas características. El vínculo entre la infraestructura y la información posibilita una reserva de desarrollo a explotar por la dimensión humana. El vínculo entre la infraestructura y la dimensión humana genera el contenido de esta relación, es decir, la cultura. Cuando ese conocimiento interactúa en un espacio que tiene un potencial de desarrollo es que existe la cultura informacional”. La cultura, es un proceso lento, reflejo de características, comportamiento y aptitudes de los individuos de una sociedad, adquiridos en el tiempo de generación a generación, la aplicación de programas de alfabetización informacional debe contribuir a la adquisición de competencias desde la niñez, a partir de los primeros grados de la educación primaria, para que, por medio de una educación y formación continua a lo largo de toda la vida, se conviertan en parte indisoluble de este, aquellas habilidades y hábitos necesarios para enfrentarse a una sociedad donde la información ha tomado un alto valor. Con esta concepción, las unidades de información tienen grandes posibilidades de llevar a los individuos a alcanzar una cultura informacional. En el desarrollo de esta nueva cultura, la responsabilidad de la alfabetización tiene que ser, a juicio de la autora, no solo de los profesionales de la información, es responsabilidad del sistema educativo y de hecho del profesor, responsable de la formación del profesional, participar en este proceso de alfabetización que requiere del desarrollo de habilidades necesarias para el proceso de enseñanza aprendizaje a partir de fundamentos pedagógicos concebidos en el currículo. Habilidades informacionales, ALFIN y cultura informacional son términos que han sido abordados desde aristas psicológicas, pedagógicas y desde las ciencias de la información en los procesos de cambio hacia una sociedad basada en el uso de la información y del conocimiento donde la enseñanza no se reduce a una mera transmisión de los conocimientos disponibles en un momento determinado, sino a la estimulación de mecanismos de reflexión propios de cada disciplina o de los que son necesarios para adquirir las habilidades necesarias para el ejercicio de la actividad profesional 1.4.1 El Plan de Estudio de la Carrera de Comunicación Social El plan de estudio para la carrera de Comunicación Social es articulado en torno a una disciplina teórica y práctica de carácter profesional, que abarca los 46 Ibídem 42 43 �seis años de la carrera, centrada en la formación de conceptos, hábitos y habilidades necesarios para la elaboración de estrategias y productos comunicativos y en el desarrollo de actividades profesionales e investigativas en las diversas expresiones de la comunicación social. Es necesario abordar las asignaturas que lo conforman desde la perspectiva de la realidad económica, social, cultural, y las peculiaridades de desarrollo local. Se debe hacer énfasis en la capacitación para alcanzar el dominio de técnicas y medios que faciliten la comunicación, por lo que es necesario preparar al estudiante para interactuar en la sociedad El desarrollo de habilidades para la concepción, análisis, realización y evaluación de campañas de propaganda, el diseño de estrategias de comunicación de bien público, así como la preparación en la gestión de comunicación y relaciones con los medios, para lo cual el docente debe aplicar métodos activos en la docencia de estos contenidos. Es por ello que es necesario prestar atención al desarrollo de habilidades a formar en los estudiantes que fueron identificadas en las diferentes disciplinas de la carrera y para lo cual seleccionamos aquellas que requieren potenciar las habilidades informacionales. Marxismo Leninismo ƒ Desarrollar la búsqueda de información de manera independiente. ƒ Analizar críticamente las posiciones de diferentes autores de la bibliografía orientada y ser capaces de discernir lo valedero en cada una de ellas, tanto en lo teórico, como en lo práctico, en lo científico y en lo político-ideológico, con vista a prepararse para defender las posiciones de Cuba en política nacional e internacional. ƒ Establecer relaciones entre los enfoques filosófico, económico-político, histórico y sociopolítico, y el de la profesión de la carrera que cursa. ƒ Defender los puntos de vista propios y escuchar los ajenos para desarrollar la cultura del debate. ƒ Analizar las fuentes directas (primarias) de la Filosofía Marxista Leninista, la Economía Política, la Historia de Cuba y de la Teoría sociopolítica contemporánea, especialmente la marxista. ƒ Utilizar la metodología marxista para un análisis inicial (preliminar) de la problemática sociopolítica contemporánea, para criticar las principales teorías y núcleos conceptuales que se aplican a los procesos políticos actuales. Lengua Española ƒ ƒ Analizar textos de diferente grado de complejidad. Construir oraciones que representen diversos patrones estructurales. 44 �ƒ ƒ Desarrollar actividades teóricas y prácticas que les permitan alcanzar un adecuado nivel de expresión oral y escrita, a través de las cuales expongan sus ideas con la claridad y coherencia así como un correcto nivel de argumentación y con la aplicación precisa del vocabulario técnico. Participar en trabajos de extensión cultural acerca de la cultura cubana colonial. Psicología ƒ ƒ ƒ ƒ Interpretar fenómenos comunicativos desde las posiciones de la Psicología Social Escuchar y hablar Estimular la sinceridad de la fuente en las entrevistas Observar manifestaciones extraverbales significativas del interlocutor y manejarlas adecuadamente Computación ƒ ƒ Manejar la computadora como herramienta de trabajo para el almacenamiento, recuperación y procesamiento de la información. Fomentar en los estudiantes la aprehensión de filosofías de trabajo que le permitan usar software y aplicaciones para procesar los recursos de información propios de los profesionales de la Comunicación. 45 �Comunicación y sociedad ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ Adquirir elementos del discurso conceptual básico del campo de la comunicación. Aplicar conceptos y modelos teóricos-metodológicos que distinguen la disciplina, al análisis de situaciones y coyunturas de su labor profesional y/o investigativa. Reconocer y explicar los nexos entre los procesos, fenómenos y sistemas comunicativos y los contextos sociales en los que se desarrollan. Fundamentar la importancia de las prácticas, instituciones y sistemas comunicativos en las dinámicas socioeconómicas, políticas y culturales, identificando su centralidad en coyunturas específicas. Estimular y profundizar en las capacidades necesarias para la búsqueda, localización y manejo de fuentes bibliográficas y hemerográficas, que tributen a la construcción de saberes individuales y a la realización de indagaciones en el espacio de la investigación. Teoría e investigación en comunicación ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ Valorar críticamente las principales tendencias y corrientes teóricas y metodológicas en el campo de la comunicación y en el contexto histórico-social de su aparición y desarrollo. Apropiarse de la plataforma teórico-conceptual y metodológica del campo de la comunicación en función del fortalecimiento y desarrollo de los diferentes campos de acción del profesional. Valorar la importancia de la investigación científica y su papel en la obtención, desarrollo y reproducción del conocimiento en este campo. Comprender los fundamentos, estructura y procedimientos del proceso de investigación y su aplicación en el área de la comunicación social. Aplicar los conocimientos adquiridos al análisis de los procesos, prácticas y sistemas de comunicación en el país con el fin de contribuir a su transformación. Adquirir hábitos de trabajo sistemático, tanto de modo independiente como en equipo, para el eficaz desempeño de las tareas propias del perfil laboral, en especial aquellas vinculadas con el quehacer docenteinvestigativo. Comunicación y desarrollo ƒ ƒ Examinar críticamente los principales aportes teóricos de los temas más recientes incorporados a la agenda de estudios de comunicación para el desarrollo. Identificar las múltiples interacciones entre sociedad, educación y comunicación. 46 �ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ Determinar las peculiaridades de los procesos comunicativos en espacios no formales. Fundamentar conceptualmente las relaciones entre comunicación, cultura y desarrollo. Reconocer la relación e influencias mutuas entre las tecnologías de la información y la comunicación y los procesos sociales. Evaluar la importancia de la participación social en los procesos de desarrollo y construcción de la ciudadanía. Reconocer los componentes del proceso comunicativo en las instituciones destinadas a promover y desarrollar transformaciones socioculturales. Utilizar las técnicas de investigación de los procesos comunicacionales en instituciones destinadas a este fin. Efectuar revisión bibliográfica de la literatura básica y de consulta en idioma español y/o inglés. Realizar informes de investigación escritos y/o orales, garantizando la calidad estética de los mismos con un uso adecuado del idioma. Utilizar técnicas de cómputo tanto para la presentación de los trabajos como para la consulta de materiales en Internet, utilización de plataformas interactivas y sistemas de aplicación a investigaciones propias de la disciplina. Gestión y lenguaje de los medios de comunicación ƒ ƒ ƒ ƒ Dominar los rasgos fundamentales y especificidades de los lenguajes mediáticos (impreso, digital, radial, televisivo y cinematográfico). Manejar los principales códigos de los lenguajes mediáticos, así como las prácticas y procesos productivos inherentes a cada medio. Examinar críticamente las funciones estéticas y sociales de los medios de comunicación de masas. Conocer las particularidades de los procesos de emisión, distribución y recepción de los productos mediáticos y la naturaleza de los vínculos que se establecen entre los medios y sus públicos, con vistas a su gestión integral. Gerencia y marketing ƒ ƒ ƒ ƒ Analizar los rasgos distintivos de la actividad mercadológica en nuestro país y sus diferencias con otras sociedades. Valorar el impacto del entorno en la actividad mercadológica de la empresa. Aplicar los conocimientos adquiridos a la elaboración de un Plan o Programa de Comunicaciones de Marketing Integradas Diseñar proyectos marketing social y estrategias de comunicación para campañas de marketing social a nivel básico. 47 �ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ Evaluar la función integradora de los diversos procesos comunicativos en las campañas de marketing social. Aplicar los conocimientos adquiridos a la elaboración de un Plan de Mercadotecnia para una entidad de servicios. Valorar los principios de dirección y gestión empresarial y su importancia para la empresa contemporánea y los rasgos distintivos que la particularizan en nuestra sociedad. Identificar la relación entre la gestión empresarial y la gestión de comunicación, nexos y funciones complementarias. Conocer aspectos fundamentales del control económico a la luz de los conceptos y orientaciones vigentes en el país. Comunicación institucional ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ Identificar los rasgos distintivos de los procesos de comunicación organizacional en nuestra sociedad y sus diferencias con otras sociedades. Desarrollar juicios críticos en torno a las tendencias contemporáneas sobre Comunicación Organizacional. Dominar el sistema de componentes de los procesos comunicativos en organizaciones a fin de estar en posibilidad de lograr su adecuada gestión. Aplicar con rigor profesional y ética los principios, medios y métodos que posibilitan una adecuada gestión de comunicación institucional en diversos escenarios, a fin de contribuir a perfeccionar las entidades donde labora y con ello impulsar el desarrollo del país en todos los sentidos. Valorar la necesidad de la realización de estudios diagnósticos de comunicación e imagen como elemento previo al diseño de estrategias y productos en la comunicación institucional. Observar los principios y métodos de dirección y control económico en las tareas de la profesión. Aplicar la metodología de la investigación en el conocimiento de la realidad y la teoría y práctica profesional. Desarrollar la expresión oral y corporal y la creatividad. Práctica laboral ƒ ƒ ƒ ƒ Identificar las múltiples interacciones entre sociedad, educación y comunicación. Determinar las peculiaridades de los procesos comunicativos en espacios no formales. Valorar en la realidad los elementos de relación entre comunicación, cultura y desarrollo. Reconocer la relación e influencias mutuas entre las tecnologías de la información y la comunicación y los procesos sociales. 48 �ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ Evaluar la importancia de la participación social en los procesos de desarrollo y construcción de la ciudadanía. Reconocer los componentes del proceso comunicativo en las instituciones destinadas a promover y desarrollar transformaciones socioculturales. Utilizar las técnicas de investigación de los procesos comunicacionales en instituciones destinadas a este fin. Realizar informes de práctica, escritos y orales, garantizando la calidad estética de los mismos con un uso adecuado del idioma. Utilizar técnicas de cómputo tanto para la presentación de los trabajos como para la consulta de materiales en Internet, utilización de plataformas interactivas y sistemas de aplicación a investigaciones propias de la disciplina. Están identificadas en las disciplinas las habilidades a lograr en la formación del estudiante por lo regular están relacionadas con saber, saber hacer, (se escogieron aquellas habilidades que requieren del uso de la información para su desarrollo o fortalecimiento) se pueden agrupar en tres grupos a partir del análisis realizado. ƒ ƒ ƒ Habilidades para encontrar la información (relacionadas con localización y recuperación de información y manejo de equipamiento tecnológico. Habilidades para usar la información relacionadas con los hábitos de estudio que posea el estudiante, y que en este caso difiere en cuanto a uno o más estudiantes. Habilidades para compartir y socializar información a partir de la producción y presentación. A partir de la identificación de las habilidades a desarrollar en estos estudiantes (que tienen relación con las habilidades informacionales), se considera según Benito (2000).47 Las habilidades informacionales abarcan: 47 ƒ La formulación y análisis de las demandas informativo-documentales del tema objeto de investigación. Saber reconocer las necesidades de información. ƒ La reflexión sobre los lugares a dónde acudir y sobre los recursos necesarios para obtener información. (Planificación de la búsqueda y los pasos a realizar). Construir estrategias para localizar información. ƒ La organización y estructuración de información localizada, a través de su análisis, interpretación... ƒ La selección de la información relevante y de las ideas principales. ƒ La síntesis de información. Ibidem 15 49 �ƒ La aplicación de la información, llevando a la confirmación de hipótesis y/o la elaboración de conclusiones. ƒ La presentación y comunicación de la información. ƒ La evaluación del proceso. Las habilidades están relacionadas con las personas capaces de: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ Determinar la naturaleza y nivel de necesidad de información. Acceder y usar la información de manera eficaz y eficiente. Evaluar críticamente la información obtenida y sus fuentes. Crear nueva información. Comunicar la información. Actualmente en varios países se realizan esfuerzos por llevar a cabo acciones de AlFIN en los que se incluyen: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ Habilidades para la lectura y la escritura Confianza en computación Uso de la biblioteca Necesidades de información Aprendizaje independiente Se basan, para su desarrollo, en las normas establecidas por la American Library Association (ALA) por lo que se puede apreciar en sus objetivos las semejanzas entre ellos relacionadas con habilidades para: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ Identificar necesidades de información Acceder y usar la información Evaluar información Crear nuevos conocimientos Comunicar información Aunque estas habilidades han sido declaradas desde los estudios de las Ciencias de la Información, es evidente que la obligada consulta y revisión de los postulados teóricos provenientes de la pedagogía, centrados en la evaluación de procesos docentes y lógicamente de la evaluación del aprendizaje, han sido esenciales para postular la formación y desarrollo de las habilidades informacionales. La utilización de métodos, medios y procedimientos estimularán o frenarán la acción de formación con objetivos previamente identificados, y metodológicamente las acciones de formación responden a concepciones postuladas desde la didáctica para la orientación de las mismas. La formación de las habilidades informacionales se dirige a lograr la Alfabetización informacional (ALFIN). 50 �A partir de los elementos anteriores se ha encontrado en la bibliografía estudios realizados en Cuba por las universidades de La Habana (2004 y 2005), Matanzas (2005), Cienfuegos, Agraria de La Habana (2009), todos proponen cursos de formación desde la biblioteca o propuestas de cursos optativos para la formación de habilidades informacionales en los estudiantes, sin embargo, no se ha encontrado referentes en Cuba, que aborden el tratamiento de estas habilidades desde el trabajo con las asignaturas, se considera para este trabajo en cuestión, el desarrollo de estas habilidades desde lo que puede contribuir el profesor con la orientación bibliográfica para las diferentes actividades que tiene que desarrollar el estudiante, utilizar las diferentes fuentes de información indicadas en el modelo pedagógico en su modalidad semipresencial, que tiene la característica de potenciar el uso de la información científico técnica en todas las actividades como importante vía de formación profesional, se opina que el papel del profesor es esencial en este proceso de formación. Conclusiones parciales capítulo I ƒ ƒ ƒ Las estructuras económicas de la sociedad actual están siendo sometidas a profundas transformaciones, las estructuras educativas no pueden quedarse atrás, el paradigma educativo predominante no puede centrarse en qué aprenden los alumnos, sino en cómo utilizan los conocimientos que adquieren. Los estudiantes y profesores requieren de habilidades en el uso de la información para actualizar sus conocimientos con suficiente rapidez, tanto en el terreno laboral como en el personal. La formación de habilidades informacionales es una tarea compleja y científica, donde es necesario poner en práctica estrategias pedagógicas para lograr su consolidación. 51 �Capítulo II Propuesta metodológica para el desarrollo de habilidades informacionales en estudiantes de la carrera de Comunicación Social En el capítulo se ofrece una breve información acerca de las transformaciones en la educación que generan, entre otras causas, la necesidad de formar estudiantes hábiles en el uso y tratamiento de la información. Se caracteriza la carrera de licenciatura en Comunicación Social en la Sede Universitaria Municipal de Moa, así como el modelo pedagógico que se aplica basado en la semipresencialidad, se realiza el análisis de los resultados de los métodos de investigación aplicados y se diseña la propuesta metodológica para la formación de habilidades informacionales en los estudiantes de la carrera objeto de estudio. II.1. La Comunicación Social. Caracterización de la profesión La carrera de Comunicación Social forma parte de los planes curriculares de nivel superior de muchos países del mundo, aunque con disímiles perfiles de salida: en algunos casos se orienta la formación profesional hacia el periodismo; en otros hacia las relaciones públicas y la publicidad, y en otros se concibe al comunicador social de la manera en que lo hace el presente plan de estudios, con un amplio rango que integra tanto los diversos niveles de la comunicación, como los distintos ámbitos en los que ella se manifiesta, tales como los institucionales, los comunitarios o los mediáticos. La perspectiva con que se elabore obedece a las mediaciones de todo tipo que influyen en la respuesta que escenarios distintos demandan del comunicador, y a lo reciente de su surgimiento como carrera universitaria, pues se trata de una de las más jóvenes especialidades en el campo de la comunicación. No obstante, dada la trascendencia de su objeto de estudio, - constituido por los vastos y variados procesos y sistemas de producción de significados e intercambio de información entre los hombres-, su importancia en el mundo actual es indiscutible y así lo demuestra su rápido desarrollo. En la formación de comunicadores en el mundo ha trascendido progresivamente el carácter instrumental que la caracterizó en sus inicios, para dotarse no sólo de un campo teórico autónomo, sino también de vínculos dialogantes con otras muchas disciplinas y especialidades. Vivimos en un mundo marcado por la tensión existente entre la agudización de la dominación económica e ideológica de los conglomerados transnacionales y la lucha por la alternativa de un mundo más justo y mejor, sobre la base de la globalización de la solidaridad. Ello supone nuevos desafíos para un ejercicio 52 �comunicacional capaz de reflejar valores propios y anteponerse a los estandarizados que imponen las culturas dominantes. Tales contradicciones influyen también en la situación del país, enfrascado en un proceso de intensificación del desarrollo sustentable de la sociedad en todos los sentidos; en la búsqueda de una mejor calidad de vida; la elevación del nivel cultural general de la población, y el perfeccionamiento del sistema institucional y empresarial cubanos, sobre la base de un sustancial incremento de la participación activa y consciente de todos los ciudadanos48. En ese contexto corresponde a la comunicación social influir de manera destacada en las transformaciones que se están produciendo en lo social, en lo económico, en lo cultural, y la conciencia sobre ello se va generalizando hoy en los diversos ámbitos de la sociedad cubana. Para ello, el graduado de comunicación social debe trabajar por la incorporación, - de manera orgánica -, de la dimensión comunicativa en todos los niveles de los complejos procesos de transformación de la realidad; en el fortalecimiento de la identidad nacional y el aumento de la participación de las personas en la toma de decisiones y en su consecuente implicación en la ejecución de acciones que tributen a ellos. Es así que concebimos al comunicador social como un profesional de la comunicación dotado de amplia base política e ideológica, teórico metodológica y cultural, que gestiona la comunicación en los diversos niveles y ámbitos de la sociedad cubana, sean estos espacios institucionales, comunitarios, mediáticos, gubernamentales, lucrativos o no, a fin de contribuir al desarrollo sustentable y mejor desempeño de las entidades, así como su adecuada vinculación con la sociedad sobre bases éticas que aseguren la conservación y enriquecimiento de nuestro patrimonio social y cultural; la educación y orientación comunitaria y ambientalista de la población, y el fortalecimiento de la identidad y los valores de la cultura nacional. Al plan de estudio corresponde, entonces, la formación de un profesional con clara conciencia de su papel en la sociedad como trabajador de la esfera política, ideológica y cultural, y la convicción del sustancial aporte que puede lograr la comunicación en el desarrollo social; espíritu de investigación; capaz de gestionar la comunicación con profesionalismo, ética y modestia, desde su posición de mediador, responsable, comprometido con sus públicos, su profesión y su país. Con el triunfo revolucionario de 1959, se comenzaría a edificar un proyecto fundamentado sobre valores más elevados de justicia y equidad social que rápidamente entrarían en antagonismo con las formas de propiedad capitalista existentes y, en el plano ideológico, con la manera de entender el consumo y 4 8 Intervención del General de Ejército Raúl Castro Ruz, Primer Vicepresidente de los Consejos de Estados y de Ministros, ante la Asamblea Nacional del Poder Popular. Publicado en el periódico Granma, 29-12-07 53 �los distintos modos de propiciarlo. Así, también los medios masivos serían contemplados dentro del proceso de nacionalizaciones que abarcaba a todos los sectores de la economía del país, con lo cual pasarían al control del Estado bajo formas propias de financiamiento y con un rediseño paulatino de sus formas y contenidos. Consecuentemente, la Escuela Profesional de Publicidad dejaría de existir en 1960. Con el diseño e implementación de un nuevo plan de estudios en el año 2000, esta vez orientado al perfil de comunicación institucional se establecieron con mayor claridad las particularidades que demanda la formación del comunicador social, con rasgos diferenciadores del perfil periodístico y ello representó un aporte en cuanto al reconocimiento social y la legitimación del ejercicio profesional en este campo. El desarrollo de la sociedad cubana en los inicios del siglo XXI demanda la diversificación de los campos de actuación del comunicador social, entre los cuales se destacan como perfiles imprescindibles la comunicación en espacios comunitarios en aras de la transformación social; la gestión de comunicación en espacios mediáticos, cuyo diseño alcanza hoy no solo el nivel nacional y provincial, sino que integra con especial protagonismo el nivel municipal y local, y finalmente el campo de actuación de la docencia y la investigación, por la importancia que adquieren el ejercicio docente y la investigación en los momentos actuales. Información y Comunicación requieren de la preparación de los individuos para utilizarla de la manera más eficiente. La capacitación de los profesionales contribuye al enriquecimiento espiritual del individuo, a la adopción de valores éticos, culturales y sociales. La importancia de la formación de las habilidades para el manejo y uso de la información por los profesores y estudiantes de la carrera de Comunicación Social, obedece a diversos factores: ƒ la diversidad de materiales que se generan y difunden tanto por medios impresos como electrónicos; ƒ la creciente convergencia tecnológica que requiere la actualización permanente de los profesionales para acceder, usar, generar, almacenar la información disponible y transformarla en conocimiento que orienten la acción; ƒ la toma de decisiones para ser cada vez más competitivos, entre otros. La comunicación atraviesa todas las esferas de la vida, y por tanto, hemos de entenderla como parte de los procesos sociales. De hecho buena parte de de los problemas de la cotidianidad se satisfacen en virtud a los procesos comunicacionales. La comunicación junto a la educación y la cultura constituyen la clave de las transformaciones sociales. 54 �Estos profesionales deben caracterizarse por ser capaces de: “dotados de amplia base política e ideológica, teórico-metodológica y cultural, ser capaces de realizar tareas dirigidas al perfeccionamiento de los procesos de comunicación interna y externa en los organismos del estado, empresas, instituciones y organizaciones políticas, de masas y sociales, a fin de contribuir al logro de sus objetivos en la búsqueda de eficiencia económica; la adecuada vinculación con la sociedad sobre bases éticas que aseguren la conservación y enriquecimiento de nuestro patrimonio social y cultural; la educación y orientación comunitaria y ambientalista de la población, para el fortalecimiento de la identidad y los valores de la cultura nacional”.49 Si bien las habilidades informacionales es necesario desarrollarlas, a juicio de la autora, para todos los estudiantes universitarios, por constituir carencias de los sistemas educativos precedentes, se tomó como muestra la carrera de Comunicación Social por requerir estos en su formación y desempeño profesional del uso intensivo de la información y por constituir esta, la materia prima fundamental para el ejercicio de la profesión: comunicador. II.2 Caracterización de la carrera de Comunicación Social en el Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa La carrera de Comunicación Social en el Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa se abre como parte del Proyecto de Universalización de la Enseñanza la matrícula actual (curso 2009-2010), de la carrera es de 223 estudiantes distribuidos por fuentes de ingreso de la siguiente forma50: FUENTE DE INGRESO+ 1. Trabajadores Sociales 2. Curso de Superación Integral para Jóvenes 3. Ministerio de Educación Superior 4. Promotores culturales 5. Instructores de Arte 6. Cuadros 7. Total TOTAL 31 113 8 11 22 38 223 Tabla 1 Composición de la matrícula en la SUM de Moa 49 Facultad de Comunicación. Dpto. Comunicación Social. Disponible en: http://intranet.fcom.uh.cu Consultado 28 de marzo de 2009. 50 Información recogida de un informe de la jefa de la Carrera (documento inédito) 55 �El colectivo de profesores está integrado por 15 profesores tutores todos a tiempo parcial que se distribuyen por categorías docentes de la siguiente forma: Profesores/ tutores por Categoría Docente 1. Auxiliar 2. Asistente 3. Instructores Total 1 3 11 El proceso de la Universalización ha tenido que enfrentar grandes retos, uno de ellos la ampliación del claustro, con un nuevo concepto de profesor, a partir de la incorporación de profesionales como docentes a tiempo parcial, muchos de estos especialistas no habían recibido cursos de actualización y la mayoría carece de formación pedagógica. Se hace necesario ofrecer superación sistemática a los profesores de las Sedes Universitarias Municipales (SUM), incrementar los estudios de postgrado en diferentes modalidades con tendencia creciente a realizarlos desde las propias SUM, fortalecer y ampliar la investigación científica con nuevos resultados de impacto económico y social, este programa que se abre paso, lleva consigo una nueva cualidad, que se viene expresando en cada territorio y que consiste en que a partir de la creación de estas sedes universitarias, los municipios asumen un papel más activo en la gestión de los profesionales que necesitan para su desarrollo. Si analizamos la categoría de los profesores observamos la necesidad de fortalecer el trabajo metodológico, a partir de que la pirámide categorial está invertida, por lo que en las condiciones de la carrera objeto de estudio es vital realizar acciones que conduzcan a un mejor desempeño del claustro en la formación del profesional y es donde se consideró aplicar la propuesta. Otro gran reto era lograr la permanencia y la culminación de estudios de los estudiantes, que en su gran mayoría estudiaban y trabajaban. Otros han estado desvinculados de los estudios por años, y aunque se les ofreció cursos de superación, no todos se incorporan a cursar estudios en la universidad con el mismo nivel de conocimientos. En este sentido, el propósito del diseño del modelo pedagógico está orientado a vencer este reto. El desafío reside en lograr que los estudiantes que provienen de los diferentes Programas, sean capaces de equiparar los estudios y al final obtener iguales resultados en su formación. 56 �II.2.1 El Modelo Pedagógico en la modalidad Semipresencial Estas transformaciones, que han tenido lugar en el país en el contexto educativo, demandan la implementación de nuevas estrategias de aprendizaje tanto desde el punto de vista de los contenidos como de la forma de impartirlos, en ese sentido se desarrolla en los Centros de Educación del país una verdadera revolución educacional que exige cambios en la concepción pedagógica y en la formación del profesional. El Modelo Pedagógico desarrollado en las condiciones de la Universalización de la Educación Superior en Cuba para la formación de profesionales deviene como un proyecto social priorizado, sin precedentes en el sistema de educación y que ubica al estudiante como centro del proceso con la finalidad de formar un profesional que responda a las exigencias sociales actuales y desarrolle su formación general integral. En el tránsito de los estudiantes por el plan de estudios se deben tener en cuenta desde el inicio de la carrera hasta su culminación, elementos esenciales como: buena comunicación, expresión oral y capacidad de autoaprendizaje. Los dos primeros, para asegurar una adecuada comunicación de los estudiantes, tanto oral como escrita, al cursar cada una de las tareas docentes previstas y el último porque los modelos pedagógicos específicos que se han diseñado se basan en que el estudiante ha de ser capaz de estudiar por si mismo con independencia, lo que supone desarrollar en él la capacidad de gestionar sus conocimientos. Corresponde a las universidades organizar adecuadamente estos elementos a lo largo de todas las carreras, de modo que se aseguren los objetivos relacionados con estos. Uno de los elementos claves para el desarrollo del aprendizaje lo constituye el uso de la información científico técnica, es por ello que, al analizar su implementación en el modelo pedagógico propuesto, tendremos en cuenta los elementos conceptuales que lo sustentan para ofrecer una propuesta metodológica relacionada con la forma de utilizar y orientar la bibliografía en las formas organizativas del proceso docente, de manera que puedan ser aprovechadas para mejorar las prácticas pedagógicas y hacerlas más adecuadas y pertinentes en el momento de trabajar con los diferentes recursos informativos de apoyo a la docencia, que se utilizan en el modelo y que favorezca la formación de los estudiantes. Esta modalidad educativa que se caracteriza por ser abierta, flexible y semipesencial nos permite dar respuesta a las necesidades informativas de estudiantes y profesores desde la perspectiva en el uso de la información con técnicas que permitan al estudiante ir más allá de la instrucción para el uso de la biblioteca, sino que se ofrecen mecanismos de aprendizaje a través del uso de la información en la diversidad de fuentes bibliográficas y hemerográficas disponibles tanto con recursos tradicionales como con el uso de las tecnologías de la información y las comunicaciones. 57 �II.2.2 Características del modelo El modelo debe reunir las características siguientes: Flexible: Para que pueda adaptarse a las características laborales, geográficas e individuales del estudiante. Estructurado: Para favorecer la organización y desarrollo del aprendizaje. Centrado en el estudiante: Para que este sea capaz de asumir su autoaprendizaje; y Actividades presenciales sistemáticas que posibiliten, en función del tiempo disponible, que los profesores los guíen, apoyen y acompañen al estudiante en su formación. El proceso de aprendizaje en el Modelo Pedagógico para la universalización El modelo pedagógico que se aplica actualmente en las carreras de Humanidades para la continuidad de estudios, concibe el aprendizaje sobre la base de tres componentes principales: 1. El sistema de actividades presenciales: Se denominan así porque transcurren en presencia y bajo la dirección de profesores. Tiene como propósito elevar la eficiencia del aprendizaje, para asegurar la adecuada preparación de los estudiantes. Este sistema está constituido por: Tutorías: Cada estudiante será atendido por un tutor, quien de manera individualizada, lo asesora, guía y ayuda en el empeño de vencer los estudios universitarios. Clases: En sus distintas modalidades (Conferencias, clases teórico prácticas, seminarios, clases prácticas, prácticas de laboratorio, encuentros, etc.) en dependencia de las características de cada uno de los Programas, con el objetivo de brindarle al estudiante una información esencial sobre los contenidos a estudiar; debatir los contenidos presentados en los videos, en caso de utilizarse esta modalidad; desarrollar las ejercitaciones correspondientes; evaluar el aprovechamiento mostrado por cada estudiante y orientar el estudio independiente. Consultas: Tienen como propósito fundamental aclarar las dudas que presentan los estudiantes durante su autopreparación. Pueden ser individuales y colectivas. Se planifican en horarios fijos. En los casos necesarios se pueden incluir: Estancias concentradas: en las universidades, para la realización de las prácticas de laboratorio en las asignaturas que requieran de este tipo de clase. Prácticas laborales: en los casos que se establezca en el plan de estudio. 58 �T a l l e r e s de computación: dirigidos a propiciar que los estudiantes se ejerciten y utilicen estas técnicas como herramientas para su futuro trabajo profesional, de acuerdo con las exigencias de la carrera. Las actividades presenciales deben planificarse de modo que posibiliten el acceso de todos los estudiantes, adecuándolas a las situaciones concretas de cada territorio y Programa, con la frecuencia que en cada caso corresponda. 2. Estudio independiente: utilizando fundamentalmente los materiales didácticos concebidos para cada Programa que se entregan a cada estudiante, y que pueden ser, entre otros: Un texto básico por asignatura, abarcador de todos los contenidos del programa. Una guía de estudio por asignatura, que contenga como mínimo, orientaciones para el estudio de los temas, la bibliografía, y autoevaluaciones para comprobar el grado de dominio alcanzado. Una guía de la carrera, que explica el modelo pedagógico, el plan de estudio y su ordenamiento por asignatura, la bibliografía y los aspectos organizativos y reglamentarios principales. Literatura en soporte magnético con textos, materiales complementarios, artículos, etc., recopilados específicamente para cada Programa. 3. Servicios de información científico-técnica y docente. Se ofrecen en las Sedes o en otras instalaciones apropiadas, en dependencia de los recursos informativos disponibles en el territorio y de las necesidades de aprendizaje de los estudiantes. Estos servicios pueden ser, entre otros, los siguientes: Bibliografía de consulta prevista en las carreras Observación de videos docentes utilizados en los encuentros, a solicitud de los estudiantes, individual o colectivamente. Videos, audiocasettes y materiales en formato electrónico para complementar y orientar el estudio de las asignaturas, de modo que se asegure el cumplimiento de estos objetivos. Elevar la calidad de las clases y la creatividad e independencia cognoscitiva de los alumnos, íntimamente vinculada al autocontrol y autorregulación, constituye un problema fundamental de la Educación en su aspiración de formar las nuevas generaciones. 59 �Atendiendo a las características del modelo que se presenta podemos aseverar que es esencial el uso de la bibliografía, como herramienta para lograr el cumplimiento de los objetivos. De ahí la necesidad de proporcionar las habilidades y conocimientos para interactuar con diferentes fuentes de información independiente de la tipología, la localización, o la tecnología que la soporte. II.2.3 Marcos para el desarrollo de habilidades Hasta el momento los programas para enseñar a usar la información están centrados en la biblioteca universitaria o cursos de formación diseñados para desarrollar estas habilidades, ellos articulan programas relacionados con el aprendizaje en el acceso y uso de la información, sin embargo aún no hemos encontrado experiencias en las que esta formación sea vinculada al currículo y desde las diferentes asignaturas lograr estos objetivos. El Plan de Estudio se estructura verticalmente a través del sistema de disciplinas, asignaturas, temas, y otras actividades, a cada una de las cuales se les asigna la responsabilidad de formar determinados objetivos, entendidos estos como conjunto de habilidades y sistemas de conocimientos en el orden instructivo, educativo y de formación de valores. Estructura del plan de estudios actual en la carrera en función de las habilidades a desarrollar: Los planes de estudio se estructuran horizontalmente por año académico y verticalmente por disciplina. Cada año académico se estructura por períodos lectivos, en el caso de la carrera de comunicación social está previsto 6 años para el desarrollo de la carrera distribuidos en 12 semestres. Los contenidos en los programas de las disciplinas y de cada una de las asignaturas, deben abarcar los conocimientos esenciales a alcanzar, las habilidades que se requieren desarrollar y el modo de contribuir a los valores identificados en la carrera. Según Labarrere y G. Valdivia (1988) y Álvarez (1996) la asignatura integra el contenido seleccionado de una ciencia o rama del saber, estructurado pedagógicamente, de forma tal que pueda ser asimilado por los estudiantes durante el desarrollo del proceso de enseñanza-aprendizaje. Se considera la asignatura el marco adecuado para desarrollar estas habilidades La asignatura será el escenario que aprovecha el profesor para realizar acciones relacionadas con la formación de habilidades informacionales. Por tanto en las sesiones de formación los métodos utilizados serán fundamentalmente activos, basados en prácticas, resolución de problemas, comparación de casos, etc. 60 �La asignatura responde al tipo de profesional que se quiere formar, es por ello que, los programas de las asignaturas difieren de una carrera a otra y es en ellas donde se van ordenando los conceptos, leyes y teorías de las ciencias en sus diferentes niveles de complejidad, de ahí la necesidad de ubicarlas y relacionarlas para conformar el año académico. El nivel de complejidad de las habilidades que se requieren formar en el estudiante va aumentando en la medida que transita por la carrera. Toda la información utilizada en las clases debe ser compartida (trabajo colaborativo, grupos de discusión) o asimilada de manera individual. La enseñanza debe ser además contextualizada: los contenidos impartidos en las sesiones estarán relacionados con los estudios que realizan los alumnos puesto que las habilidades informacionales se enseñan mejor cuando se hace en el contexto de las necesidades. En este sentido se considera fundamental la relación entre los contenidos a impartir por los profesores y los intereses de sus alumnos. Los profesores pueden apoyarse en la Biblioteca, que oferta para sus alumnos actividades de formación de usuarios de la información para la comunidad universitaria. El contexto social en que vivimos ha generado cambios muy importantes en el aprendizaje, también se producen nuevas demandas educativas que exigen el desarrollo de nuevas competencias que se pueden concretar en el contexto educativo bajo el nombre de competencia informacional, un concepto y un término acorde con el modelo educativo basado en el desarrollo de competencias que se ajusta al modelo propuesto en la universalización, sin embargo para este trabajo nos centraremos en la necesidad de formar las habilidades para el manejo de información en cualquier soporte. La necesidad de la integración curricular de los programas formativos de la biblioteca determina que el aprendizaje de habilidades para investigar e informarse no pueda abordarse únicamente dentro de las actividades de formación de usuarios, ya que la responsabilidad de la formación profesional no es el objeto de la biblioteca sino del profesorado. Desarrollar la educación en información51 fundamentándola en los objetivos de enseñanza-aprendizaje reflejados en el currículo, desde las diferentes asignaturas, donde el profesor mediante las actividades docentes dirija al estudiante en la construcción del conocimiento y en su autoaprendizaje. Al concepto de alfabetización informacional responden tres elementos fundamentales: habilidades para el tratamiento de la información, las habilidades para la formación en formato digital y las habilidades para aprender a aprender. 5 1 Desarrollar facultades intelectuales y morales que incidan en el carácter de las personas de acuerdo con las necesidades de la sociedad en que se desarrollan, en este caso denominamos educación en información a las facultades que desarrollen los individuos para interactuar con los recursos informacionales que reclama la sociedad de la información y el conocimiento. 61 �Hay que concretar en la propuesta curricular que se aplique un modelo específico para desarrollar las habilidades informacionales que permita el aprendizaje de conceptos y técnicas, estrategias y métodos de trabajo, al mismo tiempo que promueva los hábitos y valores propios relacionados con el uso de la información. Estas habilidades como expresamos en el capítulo uno son genéricas y transversales a todas las áreas del currículo y se encuentran plenamente relacionadas con el desarrollo de habilidades lingüísticas y cognitivas, de pensamiento crítico-reflexivo, de ahí que su adecuado desarrollo potencie la formación del profesional. Aprender a investigar e informarse no supone únicamente aprender a localizar información y datos relevantes, sino que de manera fundamental representa adquirir herramientas para construir conocimiento (ver esquema de agregación de valor de Taylor p.). Supone, desde un punto de vista genérico, aprender a pensar y a aprender y, desde un prisma más concreto, permite desarrollar múltiples destrezas relacionadas con el acceso y uso de la información. II.2.4 Proceso de formación de habilidades en la carrera Ante un marco teórico tan complejo, hay que cuestionarse cómo orientar el proceso formativo de las habilidades informacionales en la práctica educativa de manera realista. ¿Cómo podemos concretar el aprendizaje de habilidades de acceso y uso de la información? La clave está en visualizar los distintos elementos que constituyen el desarrollo de habilidades informacionales ya presentes en el currículo como contenidos procedimentales comunes a todas las áreas: las habilidades documentales, las habilidades lingüísticas y comunicativas, las habilidades cognitivas y metacognitivas y las habilidades tecnológicas. Todas estas habilidades subyacen interrelacionadas, interactúan y retroalimentan. Para esta investigación se consideran habilidades cognitivas las relacionadas con habilidades para la lectoescritura, habilidades que los estudiantes deben haber desarrollado y potenciado en los sistemas educativos anteriores. Las habilidades lingüísticas en este caso relacionadas con la búsqueda y localización de la información, en las que el estudiante debe tener conocimientos de homonimia, sinonimia, polisemia, uso de parónimos, entre otros, ya que al diseñar las estrategias de búsqueda debe saber utilizar palabras claves, descriptores y epígrafes, de manera que pueda precisar mejor la búsqueda en función de optimizar los resultados para que haya consistencia en la recuperación de la información y pertinencia en la información recuperada. Las habilidades documentales están relacionadas con el conocimiento de las diferentes fuentes de información según la naturaleza de la información que contienen independientemente del soporte que las contenga. 62 �Las habilidades metacognitivas relacionadas con la capacidad de interpretar, comparar y comprender la información. Las habilidades tecnológicas relacionadas con la capacidad de hacer uso de la bibliografía en diferentes soportes electrónicos, usar buscadores, metabuscadores, directorios, bases de datos, y otros recursos en dependencia de la complejidad de la búsqueda, gestores bibliográficos etc. Habilidades comunicativas información y conocimiento. para comunicar, socializar y compartir II.3 Análisis de los resultados La utilización de una guía de observación (Ver Anexo 1) cuyo objetivo es comprobar si la orientación bibliográfica durante el proceso docente, tributa a la formación de habilidades informacionales en los estudiantes. Se realizan 11 controles a clase y se constata que 4 profesores orientan la bibliografía al inicio de la clase, para un 26,4 % de la muestra estudiada, 6 la orientan al final de la clase, lo que representa el 54,5 %, por lo general la bibliografía básica, y solo un profesor en el proceso de la clase va citando y orientando la bibliografía. El 100 % de los profesores orienta la bibliografía para profundizar en los conocimientos y realizar el trabajo independiente, sin embargo se pudo constatar que el nivel de la orientación del trabajo independiente es muy elemental. Por lo general al orientar la bibliografía para las actividades independientes y para profundizar en los contenidos abordados, refieren el texto básico de la asignatura, no orientan bibliografía en otros soportes como está indicado en el modelo pedagógico para este tipo de curso, en ningún caso observamos que se orientara el uso de publicaciones periódicas, la bibliografía no se ajusta en ningún caso a estilos bibliográficos conocidos y en todos los casos se dejan de orientar datos del pie de imprenta esenciales para conocer el nivel de actualidad de la bibliografía. Pocos profesores indican la paginación. La entrevista a los profesores estuvo dirigida a indagar sobre su conocimiento para el trabajo con las fuentes de información y su preparación para trabajar con las habilidades que se necesitan formar en los estudiantes. Se entrevistaron 9 profesores (Ver anexo 2). Los profesores corresponden a diferentes generaciones, por lo que no todos tienen el mismo conocimiento para trabajar con las fuentes de información y con los diferentes soportes. La fecha en que se graduaron oscila entre 1984 2006. De ellos 7 consideran insuficiente su preparación de pregrado para usar la bibliografía y los servicios de la biblioteca y se limitan a orientar lo que está indicado en el modelo lo que representa el 77,7 %. Ninguno ha recibido 63 �educación de postgrado orientada al uso de la bibliografía y los servicios de ICT. Sólo 3 (33,3 %) profesores orientan actividades donde los estudiantes tienen que hacer uso de INTERNET, alegan que este recurso constituye una limitante para la mayoría de los estudiantes. De la muestra 5 profesores, el 55,5 % expresan que indican hacer resúmenes a los estudiantes. Comparar, discernir, enjuiciar a partir de la lectura, son habilidades que prácticamente no se indican. Para el diseño de la entrevista a los estudiantes (Anexo 3) se consideró utilizar las Normas de Alfabetización Informacional para la Educación Superior aprobadas por la ACRL-ALA en enero del año 2000.52 y se tomaron como referente los siguientes indicadores: • Habilidades para identificar necesidades de información • Habilidades para acceder y usar a la información • Habilidades para evaluar la información • Habilidades para crear nueva información integrando conocimientos • Habilidades para comunicar información Los resultados obtenidos a partir de la aplicación de la entrevista no estructurada a un total de 36 estudiantes, son los siguientes: ƒ Habilidad para identificar necesidades de información En cuanto a la habilidad para identificar necesidades de información 26 (72,2 %) refieren saber cuándo les ha surgido una necesidad de información, identifican qué temática se ajusta a su necesidad. Para encontrar la información, cuando se les asigna una tarea extraclase o proyecto de investigación, visitan bibliotecas o centros de información. Traducción al castellano por Cristóbal Pasadas Ureña, Biblioteca, Facultad de Psicología, Universidad de Granada; revisión por el Grupo de Bibliotecas Universitarias de la Asociación Andaluza de Bibliotecarios; versión en castellano publicada por acuerdo entre la ACRL/ALA y la AAB. Extraída el 26 de enero, 2009 de http:// www.aab.es 52 64 �ƒ Habilidades en el acceso y uso de la información Para conocer como acceden y usan la información se preguntó sobre tipologías de las fuentes y se obtuvo que: el 100 % reconoce los libros y las publicaciones periódicas como las únicas fuentes de información. Sólo 5 estudiantes mencionaron otras fuentes lo que representa un 13,8 %, sólo 6 de ellos han utilizado la INTERNET lo que representa el 16,6 %, se obtuvo además que ninguno sabe diseñar estrategias de búsquedas. De ellos 22, o sea el 61,1 % expresan haber utilizado los catálogos de biblioteca y dicen pedir ayuda a la bibliotecaria cuando asisten a la biblioteca, al resto les resulta muy difícil acceder a los recursos de información, otros no usan los servicios de la biblioteca. La mayoría de estos estudiantes presentan problemas para acceder a la información, ya que no tienen los conocimientos necesarios para poder acceder o trabajar sobre esta de forma eficiente. Los estudiantes manifiestan el uso de documentos para solucionar tareas de la universidad, para realizar trabajos extraclases el 100 %, sólo el 30 % (11) manifiesta utilizar los documentos para su conocimiento general integral. ƒ Habilidades para evaluar la información El 100 % refiere no saber comparar diversas fuentes y tampoco realizan evaluación crítica de la información, por lo que esto se corresponde con lo observado en los controles a clases, donde se encontró que los ejercicios no están enfocados al desarrollo del pensamiento crítico y la valoración. ƒ Habilidades para crear nueva información integrando conocimientos Entre los estudiantes ninguno evidenció capacidades para poder generar nueva información, mediante la construcción de textos, ensayos, etc. Expresaron que lo hacían de forma muy elemental. ƒ Habilidades para comunicar información Se encontró que los estudiantes manifiestan dificultad para comunicarse de forma oral y escrita. 65 �II.3.1 Discusión de los resultados Los últimos años de la pasada centuria y los inicios del siglo XXI, han estado caracterizados por el intercambio de información en apoyo a las actividades científicas, docentes, profesionales o personales, a partir del desarrollo de los nuevos soportes informacionales, el uso de Internet, la interacción hombre – máquina y los procesos económicos globalizadores. En el proceso de obtención de datos sobre las formas de uso de la información y su ulterior utilización se encuentra que: − La educación y la formación en habilidades para trabajar con información constituyen mecanismos importantes para la formación de los profesionales e instrumentos de trabajo para el profesor fortalecer sus actividades docentes. − Los estudiantes llegan a la universidad con insuficiencias formativas de los sistemas educativos precedentes. − Se evidencia que aún no se potencia el trabajo con la bibliografía, según está orientado en el modelo pedagógico. − Los profesores en sus clases y desde sus asignaturas no explotan todos los recursos bibliográficos disponibles. − Los estudiantes no han aprendido a buscar información en los nuevos soportes informacionales como cd-room, bases de datos, bibliotecas virtuales, entre otros. Debe resaltarse la necesidad evidente de desarrollar acciones dirigidas a los estudiantes para que participen en los proyectos de investigación, en cursos y en otras actividades, encaminadas a elevar su desarrollo como futuros profesionales, es importante también incidir con actividades metodológicas en la preparación de los profesores para la orientación de las diferentes actividades a los estudiantes. Los resultados demostraron la necesidad que tienen los estudiantes de participar en actividades que contribuyan al desarrollo de las habilidades para acceder a la información, por lo que se propone a los profesores que reflexionen sobre la posibilidad de realizar acciones que motiven al estudiante en la ejecución de trabajos dirigidos a elevar su desarrollo como futuros profesionales. Es necesario en la formación de pregrado, esencialmente a estos estudiantes que son los profesionales de la comunicación y la información potenciarles la capacidad de aprender a aprender, de promover su crecimiento integral, de estimular el desarrollo de la inteligencia para sistematizar y relacionar conocimientos, de innovar. El aprendizaje ha de ser un proceso continuo, flexible, innovador, que fomente a lo largo de toda la vida el desarrollo de habilidades y capacidades en una sociedad en constante cambio. 66 �No obstante las limitaciones antes apuntadas el diseño de acciones (Anexo 4) para el trabajo con la información no solo lograrían introducir a los estudiantes y profesores en el conocer los preceptos básicos para el uso de las fuentes y recursos de información, sino para que se estimulen y continúen superándose en tal sentido. La elaboración de una propuesta y su nivel de aceptación, dirán sobre las posibilidades de extensión a otras carreras de la universidad a fin de que todos estudiantes, profesores y profesionales en general estén preparados para enfrentar con éxito los retos que imponen la sociedad de la información y el conocimiento. La Alfabetización Informacional para la Educación Superior reclama el desarrollo de profesionales que sean capaces de aprender a lo largo de toda su vida, extendiendo el aprendizaje más allá del entorno formal del aula. Los profesores deben apoyar a los estudiantes en su aprendizaje autodirigido en todas las circunstancias que puedan presentárseles. La inclusión de estas habilidades dentro del plan de estudios, requieren un esfuerzo de colaboración entre estudiantes, profesores, bibliotecarios y autoridades académicas mediante debates, conferencias, intercambios directos con la persona. II.4. Propuesta metodológica En el capítulo I se ofrecen los presupuestos teóricos que sustentan la propuesta de formación de habilidades informacionales para los estudiantes de la carrera de Comunicación Social. El modelo pedagógico se caracteriza por ser flexible, para poder adaptarse a las características laborales, geográficas e individuales, estructurado, para favorecer la organización y desarrollo del proceso docente educativo, centrado en el estudiante para favorecer su autoaprendizaje y con elementos presenciales, que se refieren al apoyo que reciben de profesores y tutores para guiar el proceso. En correspondencia con las características referidas en dicho modelo se asevera que la necesidad de apoyo bibliográfico es imprescindible para lograr los objetivos propuestos, en este sentido se concibe el aprendizaje mediante los tres componentes fundamentales que lo caracterizan y que la propuesta contempla. Las habilidades para el trabajo con información abarcan: Habilidades para la identificación de necesidades de información Formulación y análisis de las demandas informativas y documentales del • tema objeto de conocimiento. • Reconocer los diferentes usos de la información (ocupacional, intelectual, recreativa) Enmarcar la necesidad informativa en un marco de referencia (quién, • qué, cuándo, dónde, cómo y por qué) 67 �Relacionar la información necesitada con los conocimientos previos Habilidades en el acceso y uso a la información Sabe dónde buscar y recursos necesarios para obtener la información y • como planificar la búsqueda • Determinar qué información necesitan, apoyándose en preguntas secundarias • Listar palabras claves, encabezamientos de meteria, descriptores. • Identificar posibles fuentes de información y la importancia de utilizar más de una fuente en una investigación • Tener criterios para evaluar las diferentes fuentes (oportunidad, conveniencia, recobrado, pertinencia, relevancia. Cómo organizar y estructurar la información localizada, a través de su • análisis, interpretación • Localizar recursos de información independientemente del soporte utilizando diversas herramientas bibliográficas. ƒ Habilidades sobre evaluación de la información • Selección de información relevante y de las ideas principales, síntesis de la información Determinar autoridad, actualidad y veracidad de la información • Determinar acto, opinión, propaganda, puntos de vista • • Identificar puntos de acuerdo y desacuerdo entre fuentes ƒ Habilidades para crear nuevos conocimientos integrando el saber anterior • Aplicación de la información, confirmación de hipótesis y/o elaboración de conclusiones Resumir información • Sintetizar información obtenida con los conocimientos previos • • Sacar conclusiones basadas en la información obtenida y la interpretación que el estudiante haya hecho de ella. ƒ Habilidades para la comunicación • Distinguir cómo va a comunicar la información • Crear un producto original • Elegir el formato adecuado según el destinatario y el propósito de la información • Presentación y comunicación de la información Considerando la composición anterior proponemos las siguientes acciones: ƒ 1. El estudio independiente: se realiza a través de los materiales didácticos que se le entregan al estudiante. ƒ Un texto básico por asignatura que abarca los contenidos del programa. ƒ Una guía de estudio con orientaciones para el estudio de los temas, la bibliografía y autoevaluaciones. ƒ La guía de la carrera. El profesor puede orientar actividades a partir del uso del libro de texto, las actividades orientadas por el profesor deben estar dirigidas a: 68 �• • Seleccionar palabras claves del texto. Orientar trabajos por grupos que centren su análisis en una temática concreta y propicien el debate en el encuentro presencial. Rediseñar una parte del texto por el alumno o por el grupo de manera • que el profesor pueda comparar y evaluar los resultados. • Analizar referencias que aparecen en el libro de texto y ofrecer juicios críticos al respecto. (Esto puede ser una cuestión que suscite un interesante debate en la clase tras el trabajo previo que hayan desarrollado los alumnos con las referencias). Realizar juegos de roles en que los alumnos adopten diferentes posturas ante los fundamentos teóricos que aparecen en el libro de texto y el profesor hace las conclusiones al respecto. 2. El sistema de actividades presenciales comprende: ƒ Tutorías: Los tutores pueden sugerir otra bibliografía a utilizar ya sea para apoyar el proceso docente o para contribuir a su formación general e integral. ƒ Encuentros por asignaturas: en estos se aclaran dudas, se comprueban los resultados de la autopreparación y se reciben los contenidos esenciales, junto con las indicaciones para el estudio independiente. ƒ Consultas por asignaturas. ƒ Talleres de computación. Como se puede apreciar en esta etapa del aprendizaje tanto en las tutorías como en los encuentros los profesores y/o tutores tienen que orientar la bibliografía a utilizar: • Conocer las fuentes bibliográficas para lo cual el profesor y/o tutor deben orientar diferentes recursos de información en función de no limitar al estudiante al libro de texto. • Resumir determinados temas a partir de la consulta de diferentes fuentes de información. • Reseñar una temática de interés a partir del uso de diversas fuentes y ofrecer valoraciones al respecto. • Referenciar los diferentes documentos que han sido consultados para el desarrollo de las actividades. 3. Los Servicios de Información Científico Técnica: Se ofrecen en las Sedes Universitarias, en la Biblioteca Universitaria y en las Bibliotecas Públicas Municipales y en otras instalaciones dedicadas para estos fines que tienen la responsabilidad de disponer de los recursos informativos del territorio en función de las necesidades de aprendizaje de los estudiantes y comprende: • • • • Bibliografía de consulta Observación de videos docentes Videos, cassettes y materiales en formato electrónico Programas en la radio y la televisión locales en apoyo al contenido de las asignaturas. 69 �Es importante valorar aquí el papel que juegan las bibliotecas universitarias en la redefinición de sus servicios para apoyar a este nuevo usuario, para ello las bibliotecarias tienen que demostrar competencias profesionales sobre la base del acceso y uso de la información que potencie el desarrollo del aprendizaje de los estudiantes para ello debe: • • • • • • Ofrecer orientación al estudiante sobre los diferentes servicios que presta la biblioteca y ampliar la información sobe los mismos. Instruir a los estudiantes en el uso de los catálogos manuales y/o automatizados. Instruir en la definición de estrategias de búsqueda en diferentes buscadores de información. Ofrecer recursos informativos manuales y/o automatizados a partir del análisis de los planes de estudio. Elaborar bases de datos bibliográficas y enseñar a los estudiantes a trabajar con ellas. Disponer de materiales en formato electrónico y/o audiovisual para apoyar y ampliar los materiales básicos de la carrera. La propuesta se materializa a partir de las diferentes fases que la caracterizan en tres etapas. I. Realizar acciones para potenciar la práctica en la enseñanza de habilidades de información al profesor Durante el proceso de observación a las clases se ha comprobado que las habilidades para trabajar con la información no se potencian en las clases, trabajos como los de Oler-Blom, T. (1998) han demostrado que esto es una práctica escasa en los profesores universitarios, de ahí que los profesores consideran que el aprendizaje de los estudiantes puede ser autodidacta y que es evidente la carencia de estas habilidades en los estudiantes por lo que consideramos dos momentos: ƒ Sensibilizar a los docentes en estos temas, de modo que tengan en cuenta que la alfabetización informacional es mucho más que poner las computadoras y otros recursos informativos en función del proceso educativo. Ello implica una remodelación didáctica que parte del trabajo metodológico desde los colectivos de año. ƒ Realizar actividades metodológicas para potenciar el conocimiento de los profesores para el empleo de métodos didácticos que implicarán su conocimiento y uso en todas las asignaturas. De este modo las tareas de aprendizaje en acceso y uso de la información no será en abstracto, sino como parte de los contenidos que está impartiendo y en los que el estudiante debe formarse. 70 �II. Introducir la Alfabetización informacional como contenido de aprendizaje en las diferentes asignaturas del Plan de Estudios Por su carácter transversal las habilidades informacionales atraviesan el currículo, de ahí que el empleo de métodos de enseñanza que conlleven su aprendizaje es válido desde las diferentes asignaturas de la carrera, de forma gradual el profesor puede valorar los conocimientos que posee el estudiante y conducirlo a que pueda determinar sus necesidades informativas, perfilar sus búsquedas, trazar estrategias de búsqueda. Acompañar a los alumnos en el proceso de comprender el campo del conocimiento, sus problemas y posibilidades de obtener conocimientos. III. Orientar actividades que requieran recursos de información que apoyen el proceso, implicación de los recursos de información disponible en las instituciones acreditadas para estos fines La orientación de actividades independientes donde el estudiante tenga que hacer uso de los recursos de información puede potenciar la formación de las habilidades informacionales, en tanto la colaboración que puedan prestar estas instituciones en el desarrollo de actividades educativas documentales puede resultar esencial en su formación profesional, el apoyo que puede encontrar el profesor en estos especialistas es fundamental en tanto los recursos disponibles en bibliotecas y centros de información pueden ser utilizados desde múltiples perspectivas y facilitar la conexión entre las diferentes asignaturas proporcionando de esta forma la integración de los conocimientos. 71 �II.4.1. Procedimiento para la implementación de la propuesta I. Socializar la propuesta en el claustro de la carrera. II. Realizar actividades metodológicas para la preparación de los profesores. III. Instrumentar de manera gradual el desarrollo de las habilidades en los estudiantes mediante la propuesta de actividades en los componentes que caracterizan el proceso (Actividades presenciales, trabajo independiente y Servicios científico- técnicos). I. Socializar la propuesta en el claustro de la carrera El proceso de socialización permite esclarecer cómo orientar actividades que desde el punto de vista metodológico desarrollen habilidades en cada uno de los componentes principales que, en su integración brinden una respuesta adecuada al proceso de desarrollo de habilidades. Esto involucra a profesores, tutores y el personal de servicio de las instituciones de información. Para ello se propone la realización de un Taller de Socialización con el objetivo: II. Realizar actividades metodológicas para la preparación de los profesores Las actividades metodológicas tienen como propósito contribuir al fortalecimiento de los conocimientos de los profesores sobre el trabajo con la información, este es el momento para intercambiar experiencias, ejemplificar propuestas de trabajo con las fuentes de información que constituyen medios de enseñanza esenciales en el proceso de formación, y lo más importante, potenciar el trabajo interdisciplinario desde las diferentes asignaturas. III. Instrumentar de manera gradual el desarrollo de las habilidades en los estudiantes mediante la propuesta de actividades en los componentes que caracterizan el proceso (Actividades presenciales, trabajo independiente y Servicios científicos técnicos) La implementación gradual de las habilidades permite establecer una apropiación de los conocimientos que va desde que el estudiante es capaz de reconocer una necesidad informativa hasta ser capaz de validar información, construir su propio conocimiento y generar nueva información. 72 �La propuesta metodológica constituye un intento desde el punto de vista teórico metodológico para propiciar la formación de habilidades informacionales en los estudiantes de la licenciatura en Comunicación Social de la Sede Universitaria Municipal de Moa. Se muestra en la propuesta que aunque el uso de las tecnologías de la información y las comunicaciones no constituye el elemento fundamental para la formación de dichas habilidades, se puede favorecer su desarrollo a partir del uso de las mismas. II.5. Socialización de la propuesta en el claustro de la carrera Para socializar la propuesta se propone realizar un taller de socialización que tiene como propósito: • Realizar un intercambio con los participantes sobre el contenido de la propuesta, a partir de sus conocimientos y experiencia profesional • Enriquecer la propuesta elaborada con las sugerencias y recomendaciones realizadas por los participantes. • Corroborar la factibilidad de la propuesta metodológica para la formación de habilidades informacionales en los estudiantes de la carrera de Comunicación Social de la Sede Universitaria Municipal de Moa. Desarrollo del taller de socialización Se realiza, como parte de la proyección de la estrategia, un taller de socialización para dar a conocer la propuesta metodológica orientada a la formación de habilidades informacionales en los estudiantes de la carrera de comunicación Social, de la Sede universitaria Municipal de Moa. En el departamento de Humanidades, de la Facultad de Humanidades del Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa, que dirige el trabajo metodológico para las carreras que forman parte del Proyecto de Universalización de la universidad y a la que se circunscribe la propuesta. Participan 18 profesores de la carrera y la Jefa de la carrera. Se presenta la estrategia y se exponen los principales aspectos que justifican la necesidad de potenciar el desarrollo de habilidades informacionales en los estudiantes de la carrera de comunicación Social, de la Sede universitaria Municipal de Moa, a partir del trabajo sistemático con las formas que orienta el modelo pedagógico y donde el trabajo metodológico es el elemento esencial para su desarrollo. Se pide criterios a los profesores y se recogen los principales elementos que ofrecen los participantes están: 73 �ƒ Consideran interesante el tema de la propuesta, pues siendo algo que está tan cercano a los profesores, no se aborda desde la perspectiva que está enfocado en la estrategia. ƒ Los estudiantes llegan con carencias de sistemas educativos precedentes y esta es una oportunidad para limar esas deficiencias en su formación. ƒ Consideran que la preparación metodológica de los profesores constituye el eslabón esencial para el desarrollo de la estrategia, y precisamente eso se contempla, que es necesario comenzar con un taller metodológico para que los profesores conciencien la necesidad del desarrollo de estas habilidades. ƒ Reconocen la necesidad de la superación del claustro en la temática del desarrollo de habilidades informacionales, en tanto los nuevos soportes documentales y la utilidad de las nuevas fuentes de información generadas en los contextos actuales, reclama la preparación del profesor. Se da por concluido el taller. Conclusiones parciales del capítulo ƒ Las habilidades informacionales constituyen una necesidad para los estudiantes de la carrera de Comunicación Social atendiendo al perfil de formación del profesional y a sus modos de actuación. ƒ Es necesario dirigir el trabajo metodológico hacia el fortalecimiento del trabajo con los diferentes recursos bibliográficos y a la orientación del estudio independiente para potenciar el desarrollo de habilidades informacionales en los estudiantes. ƒ La elaboración de la propuesta se constituye como eslabón fundamental viable y como instrumento factible de socializarse. 74 �Conclusiones ƒ La alfabetización demanda no solo habilidades o destrezas en el manejo o uso de la documentación, requiere además habilidades de pensamiento, comprensión, análisis, síntesis, actitudes y valores. Vinculada a planteamientos pedagógicos debe ser un compromiso colectivo de la institución, pero en particular de los docentes apoyados en los sistemas de información. ƒ El aprendizaje es un proceso de construcción del conocimiento, que tiene lugar en los procesos de interacción entre la persona y el entorno, la alfabetización informacional proporciona las herramientas para integrar de forma organizada la adquisición de conocimientos que pueden adquirirse a lo largo de toda la vida. ƒ Con la ejecución de esta investigación han quedado confirmadas las insuficiencias para utilizar la información científico-técnica de los estudiantes de la carrera de Comunicación Social de la SUM de Moa, demostradas a partir de los instrumentos aplicados. ƒ Las necesidades informativas, generadas en el contexto de la sociedad del conocimiento, exigen instruir a los alumnos de la carrera de Comunicación Social para desarrollar habilidades en su formación que les permitan: reconocer una necesidad de información, identificar, localizar, evaluar y utilizar la información en todas las actividades. ƒ Las posibilidades metodológicas de instrumentación en la estructura vertical a partir de la interrelación horizontal, dado el papel de la asignatura, dan apertura para la introducción gradual y la medición del desarrollo funcional de las habilidades informacionales. 75 �Recomendaciones 1. Aplicar la propuesta en la carrera de Comunicación Social en el curso 20112012. 2. Por la necesidad de que estas habilidades sean desarrolladas en la formación de los profesionales de todas las especialidades, puede ser generalizada para otras carreras universitarias. 76 �Bibliografía Alfonso, I., & Armenteros, I. (2008). Bibliografía Biomédica. La Habana: ECIMED. Álvarez, C. (1996). Hacia una escuela de excelencia. La Habana: Academia. American Library Association. (1989) Presidential Committee on Information Literacy, Final Report. Chicago: American Library Association. Extraído el 13 de noviembre de 2009 de http://www.ala.org/acrl/nili/ilit1st. html American Library Association. (1993). American Association of School Libraries. Position Paper on Information Literacy. Extraído el 24 de abril de 2005 http://www.ala.org/aasl/positions/PS_infolit.htm American Library Association. (1998). American Association of School Libraries. AASL/AECT National Guidelines Vision Committee. 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Orienta bibliografía complementaria a la indicada en el modelo 5. Si la bibliografía orientada obedece a alguna norma bibliográfica 6. Si se dejan de poner elementos necesarios en la bibliografía orientada �Anexo 2 Entrevista a profesores ƒ Año de graduación ƒ A qué año imparte docencia ƒ Cómo valora usted la formación que recibió en pregrado para utilizar los recursos de información ƒ Ha recibido cursos de postgrado que lo preparen para usar los servicios y recursos de información ƒ Orienta actividades independientes a los estudiantes que van más allá del uso de los materiales indicados en el modelo ƒ Orienta actividades a sus estudiantes donde se vean obligados a hacer uso de INTERNET ƒ En el trabajo con la bibliografía desarrolla habilidades como comparar, validar, resumir, etc. �Anexo 3 La entrevista se aplica para obtener opiniones para enriquecer y constatar la información obtenida mediante la observación Determinar si poseen las habilidades informacionales necesarias para los estudiantes de la Educación Superior. Elementos que se tuvieron en cuenta en la entrevista con los estudiantes para el diagnóstico de sus necesidades. ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ Habilidades sobre la identificación de necesidades de información Habilidades en el acceso y uso a la información Habilidades sobre la evaluación de la información Habilidades para crear nuevos conocimientos integrando el saber anterior Habilidades para comunicar �Anexo 4 Habilidades informacionales Actividad del profesor Acciones a desarrollar por los alumnos Control Identificar necesidades de información Formula preguntas basadas en necesidades informativas Orienta cómo pueden determinar lo esencial y Replantear su necesidad en función de la naturaleza y el nivel de la información que necesitan Establece trabajo en grupos para identificar necesidades comunes Definir y articular sus necesidades de información Replantear constantemente la naturaleza y el nivel de la información que necesita Evaluar la calidad con que es capaz de definir sus necesidades informativas Identificar variedad de tipos y formatos de fuentes potenciales de información Seleccionar recursos potenciales para su formación profesional Diseñar diferentes estrategias de búsqueda Para acceder a la información que necesita. Acceder a Bases de Datos y otros recursos en soporte electrónico Trabajar con buscadores, metabuscadores y otros recursos en línea Buscar información relacionada con varias dimensiones de bienestar personal, como son los intereses de sus estudios, creatividad, compromiso social y de ocio Organiza la información recuperada para su análisis y generalización Establecer las diferencias entre las estrategias de búsqueda diseñada según los fines de la actividad Acceder y usar la información Indica diferentes recursos para determinar prioridades Revela variedad de tipología de fuentes y formatos potenciales de información Contribuye al conocimiento de las principales publicaciones de la especialidad. Potencia el uso de las tecnologías de la información y las comunicaciones Adiestra en el diseño de estrategias de búsqueda. Orienta trabajo con bibliografías en diversos soportes Establece cómo organizar y estructurar la información localizada, a través de su análisis e interpretación Considerar las fuentes de información para los fines de la búsqueda que realiza Observar la capacidad de los estudiantes para acceder y organizar la información recuperada �Evaluar la información Ofrece elementos de juicio para que el estudiante tome partido por una posición teórica o práctica determinada Genera hipótesis para que sean validadas por los estudiantes Desarrolla lluvia de ideas en el aula para considerar puntos de vista de los estudiantes y valorar el trabajo grupal Resumir las ideas principales a extraer de la información reunida Articular y aplicar unos criterios para evaluar la información y sus fuentes Sintetizar las ideas principales construir nuevos conceptos Observar la capacidad de evaluar, sintetizar y comparar conceptos, así como para el trabajo en equipo de los estudiantes para Comparar los nuevos conocimientos con los anteriores para llegar a determinar el valor añadido, las contradicciones u otras características únicas de la información Determinar si el nuevo conocimiento tiene un impacto sobre el sistema de conocimiento que posee Validar la comprensión e interpretación de la información por medio de intercambio de opiniones con otros estudiantes, Crear nuevos conocimientos integrando el saber anterior Favorece actividades que generen la redacción científica mediante reseñas analíticas, resúmenes y otros productos resultantes del proceso anterior Aplicar la información anterior y la nueva para la planificación y creación de un producto informativo Revisar el proceso de producto o actividad Comunicar información Utiliza la exposición oral y escrita para comunicar los resultados del trabajo independiente y colectivo de sus estudiantes Evaluar la capacidad de generación de nuevos conocimientos desarrollo del Comunicar a los demás con eficacia el producto o actividad Capacidad para la comunicación oral y escrita � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Tesis Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Propuesta metodológica para el desarrollo de habilidades informacionales en los estudiantes de la carrera de Comunicación Social en la SUM, Moa Creator An entity primarily responsible for making the resource Adys Dalmau Muguercia Publisher An entity responsible for making the resource available Editorial Digital Universitaria de Moa Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 2010 Type The nature or genre of the resource Tesis maestría https://repoedum.ismm.edu.cu/files/original/ba49dfdcdd18bea4f630452a4dbdc15c.pdf 899012f4197db862dc083d41b325b458 PDF Text Text Tesis de maestría DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO-AMBIENTAL EN HOSPITALES. ¨ ESTUDIO DE CASO HOSPITAL GUILLERMO LUIS FERNÁNDEZ HERNÁNDEZ-BAQUERO ¨ Ramón Alberto Martija Herrera �Diagnóstico energético ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Pensamiento: “La mayoría de las ideas fundamentales de la ciencia son esencialmente sencillas y, por regla general pueden ser expresadas en un lenguaje comprensible para todos”. Albert Einstein Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera �Diagnóstico energético ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Dedicatoria: Dedico este trabajo a mi madre, a mis hijos para que les sirva de ejemplo en el afán de la superación constante, a mis hermanos, en especial a Lizbel por el apoyo brindado, a mis padres, al que me crio y al biológico, aunque ya no esté presente. A mi esposa por la comprensión de privarse de mi presencia en tantas ocasiones. A todos aquellos que me han apoyado y han confiado en mí. A La Revolución y a nuestros héroes y mártires que hicieron posible la materialización de sueños como este. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Agradecimientos: A todos los profesores del CEETAM y de la maestría que con su entrega diaria me prepararon en este afán. A los directivos y trabajadores del hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero, que de una forma u otra contribuyeron con el resultado exitoso de la investigación. A mis tutores, el MSc. Gabriel Hernández Ramírez y los Doctores Allán Pierra Conde y Secundino Marrero Ramírez y a mi consultante el MSc. Reineris Montero, quienes me guiaron en este bregar. A todos, muchas GRACIAS Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero RESUMEN: El hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero, está entre las entidades máximas consumidoras de portadores energéticos en el territorio fuera de las entidades del níquel, fundamentalmente energía eléctrica. Es por ello que en la presente investigación se parte de las insuficiencias detectadas en el sistema de gestión energética y ambiental de esta institución, por lo que a través de la revisión de las informaciones y documentos disponibles, la observación práctica detallada y participativa de y con los elementos del campo de acción, así como entrevistas a expertos sobre el comportamiento histórico de las principales variables, se realiza un análisis sintético para la determinación de las características, potencialidades y elementos adversos, que a la postre permitieron decidir la estrategia a seguir. En nuestro caso valoramos la Gestión Energética y el comportamiento de los portadores energéticos, así como la Gestión Ambiental y el tratamiento de residuales en esta institución, como estudio de caso para realizar un diagnóstico integral Energético-Ambiental para instalaciones hospitalarias, que incluyó la determinación de los puestos claves, los operarios y directivos primarios involucrados en los mismo, características del sistema de suministro eléctrico, reservas energéticas, posibilidades de redimensionamiento de las estrategias, tratamiento de los residuales, emanaciones contaminantes y posibles inversiones, entre otros, elementos con los cuales realizamos nuestra propuesta. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Summary: The hospital Guillermo Luis Fernández Hernández Baquero is mainly among the maximum consumers of electric power at the territory out of the entities of the nickel, fundamentally. The current investigation hence deports from the insufficiencies detected in this institution's system of energetic and environmental steps, for that through the revision of the reports and available documents, the practical detailed and communicative observation of and with the elements of area of responsibility, as well as interviews to experts on the historic behavior of principal variables, a synthetic analysis for the determination of characteristics, potentialities and adverse elements are accomplished, than to humble her they permitted deciding strategy to follow. In our case we appraise the Energy Management and the energetic bearer’s behavior, as well as the Ambient Management and the treatment of residual at this institution, as a study of case to realize one integral Energetic Ambient diagnosis for hospitable facilities, the fact that the determination of jobs included keys, the laborers and primary executives implicated in the same, characteristic of supplying electric system, you reserve energetic, redimensionamiento's possibilities of strategies, treatment of residual, contaminating emanations and possible investments, among others, elements that we accomplished our proposal with. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero INDICE 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.1 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.4 2.5 2.5.1 2.5.2 2.6 Introducción 1 Capítulo I Fundamentos teóricos para el Diagnóstico Energético Ambiental en Hospitales Introducción Estado del arte Generalidades del Sistema de Gestión Energética y Ambiental Características de los problemas detectados en la institución Conclusiones del capítulo 7 8 16 23 29 Capítulo II Sistema de Gestión Energética y particularidades del sistema de suministro eléctrico Introducción Caracterización general de la institución objeto de estudio Generalidades del Sistema de Gestión Energética en la entidad Áreas y equipos claves y personal que decide en el consumo de energía Banco de problemas energéticos Elementos generales de la insuficiente Gestión Energética Comportamiento del consumo de portadores energéticos Generalidades del sistema de suministro eléctrico Resultados de la aplicación de las herramientas del SGTEE Plan de medidas cuantificado para la solución al Banco de Problemas Energéticos SGTEE en la entidad Propuesta de inversión para la institución Valoración económica Conclusiones del capítulo Capítulo 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3 3.4 30 30 31 33 33 34 39 41 52 59 60 61 65 67 III Sistema de Gestión Ambiental y particularidades del tratamiento de residuales Introducción Generalidades del Sistema de Gestión Ambiental Prioridades ambientales y personas que deciden en las mismas. Aspectos ambientales a resolver Elementos generales de la insuficiente Gestión Ambiental SGA y tratamiento de residuales Plan de medidas para dar solución a los aspectos ambientales a resolver Conclusiones del capítulo Conclusiones Generales Recomendaciones Bibliografía Anexos Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 69 69 74 75 77 79 84 85 87 88 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero INTRODUCCIÓN: Hasta el día de hoy y desafortunadamente, de un futuro no tan lejano, el 80 % de las necesidades energéticas de nuestro planeta se satisfacen con la utilización de combustibles fósiles (Petróleo, Gas, Carbón). Todos ellos extinguibles, fuertemente contaminantes y utilizados en forma ineficiente, por el interés predominante de la producción de energía sobre su efecto ecológico. Gran cantidad de los problemas del uso ineficiente de la energía en la industria y los servicios se deben a la gestión inadecuada en la administración de los mismos y no a la capacidad o actualización de la tecnología productiva o de servicios existentes. La gestión energética generalmente se hace tan cíclica como lo son los aumentos y caídas de los precios de los recursos energéticos primarios que se consumen. Sin embargo, en los últimos tiempos el crecimiento de los costos energéticos ha pasado a ser parte preocupante y creciente dentro de los costos de producción y los métodos tradicionales de administración de los recursos energéticos, los cuales no logran bajarlos sin realizar grandes inversiones en cambios tecnológicos. La importancia de reducir el consumo de estas fuentes primarias se ha transformado de un problema económico a un problema vital, y de un problema vital del futuro a uno de los mayores accidentes que ya padecemos en el desarrollo de la humanidad. Las lluvias ácidas, las catástrofes naturales, las consecuencias del efecto invernadero y de la disminución de la capa de ozono, son secuelas que debemos curar con una nueva vía de producción energética que recorre desde el control de los procesos actuales, el incremento de su eficiencia y nuevos hábitos de consumo, hasta el cambio de estructuras a una utilización descentralizada de las fuentes renovables, inagotables y de bajo impacto ambiental. Cuba, con pobres reservas de combustibles fósiles, está obligada a trabajar de forma sistemática al lado de la demanda para lograr disminuir los consumos totales de energía y en este caso la eficiencia energética tiene un potencial alto de ahorro y es considerado por muchos especialistas como una fuente renovable de energía sin costo ambiental. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 1 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Es por ello que se han trazado estrategias para disminuir los consumos de combustibles, lo que posibilitó que a partir de los años 90 del siglo XX, la economía cubana comenzara un proceso de reanimación económica anual consumiendo prácticamente la mitad y menos del combustible que se consumía en los años 80. El hospital Guillermo Luís Fernández Hernández Baquero se encuentra ubicado en la ciudad de Moa de la provincia de Holguín, es de carácter general y cuenta con más de 400 camas, su campo de acción comprende a los municipios de Moa, Sagua de Tánamo y Frank País. Es una institución pública que presta servicios tanto de consultas como de hospitalización en todas las áreas de la medicina. Atiende un promedio de 7 800 pacientes al mes entre consultados y hospitalizados. Este se comenzó a construir en el año 1984 siendo su costo valorado en 10 millones de pesos aproximadamente, su construcción total duró 7 años, aumentando su costo total en 18 millones de pesos, de ellos tres corresponden a construcción y montaje, cinco a equipamientos, de estos últimos cuatro corresponden a equipamiento médico y uno a equipamiento no médico. En esta institución se han realizado varios estudios energéticos anteriores, así como algunos acercamientos aislados a la problemática ambiental, sin embargo, nunca se ha realizado un estudio combinado de estos dos elementos, donde se introduzca la Gestión Ambiental como un componente importante dentro de la Gestión Energética, donde se aprovechan técnicas de esta última para fundamentar la primera. En concordancia con lo anterior, el presente estudio parte del análisis de otros trabajos anteriores realizados en este centro asistencial, que tienen estrecha relación con las características específicas del consumo de portadores energéticos del mismo. Se abordan problemas no resueltos en este sentido y los problemas ambientales existentes, que influyen en el desconocimiento de las características particulares del sistema de consumo, aparejado a la descripción de los portadores energéticos y demás informaciones que apoyan una futura implementación de un sistema de gestión integral para una mejor explotación de la instalación. Es por ello que para identificar claramente la situación se valoró la realización de un diagnóstico preliminar o de recorrido lo cual permitió conocer la situación que presenta el centro en materia de Gestión Energética y Gestión Ambiental, centrándose el estudio en la recolección de información y su análisis, con énfasis fundamental en la identificación en las fuentes de posible mejoramiento en ambos Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 2 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero casos, dejando a la entidad el diagnóstico profundo o de monitoreo, lo cual le va a permitir controlar de forma permanente el Sistema de Gestión Energética (SGE) y el Sistema de Gestión Ambiental (SGA), para lo que definimos como: Problema científico: Incorrecta valoración del consumo de portadores energéticos y deterioro de los indicadores ambientales por deficiente diagnóstico energético y ambiental. Objetivo General Implementar el diagnóstico energético y ambiental en el hospital Guillermo Luis Fernández Hernández Baquero del municipio Moa, como caso de estudio para instalaciones hospitalarias, para valorar el consumo de los portadores energéticos y su desempeño ambiental. Objetivos específicos: 1. Caracterizar el estado actual y perspectivo de la gestión energética y ambiental en hospitales, utilizando como caso de estudio el hospital Guillermo Luis Fernández Hernández Baquero de Moa. 2. Diagnosticar el comportamiento del consumo de portadores energéticos y la proyección ambiental en este centro asistencial. 3. Valorar dentro de las variantes para instalaciones hospitalarias las que pueden ser aplicadas a esta institución desde el punto de vista energético y ambiental. 4. Proponer un sistema de acciones que propicien la realización del diagnóstico energético y ambiental para mejorar los índices de consumo de portadores energéticos y la proyección ambiental en instalaciones hospitalarias, utilizando la experiencia en el hospital caso de estudio. Hipótesis de trabajo: El diagnóstico energético y ambiental del hospital Guillermo Luis Fernández Hernández Baquero, contribuirá a determinar las herramientas más apropiadas para Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 3 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero estos fines en instalaciones hospitalarias y así lograr el ahorro de portadores energéticos y la proyección ambiental de estas instituciones. Objeto de estudio: Diagnóstico energético y ambiental en instalaciones hospitalarias Campo de acción: Gestión energética y ambiental en el Hospital Guillermo Luis Fernández HernándezBaquero. Métodos teóricos: Histórico- Lógico, se aplica atendiendo a la necesidad de revisar toda la información disponible, obteniéndose primeramente la descripción del objeto estudiado y partiendo de esta base, extraer los rasgos más sobresalientes que marcan la tendencia sobre el conocimiento en el campo de acción. Análisis y síntesis, se emplea para el análisis de los documentos, experiencias y elementos que sustentan el trabajo en materia de gestión energética y ambiental. Hipotético- Deductivo, nos permite observar las características, potencialidades y elementos adversos en el campo de acción de forma general, para sobre esa base decidir la estrategia a seguir. Métodos empíricos: Observación: Se emplea para obtener una percepción práctica detallada y participativa de y con los elementos del campo de acción y el objeto de estudio, así como de los factores a tener en cuenta para la elaboración de la estrategia a seguir. Entrevistas a expertos: Se utiliza para profundizar en el conocimiento de las potencialidades reales de accionar sobre el campo de acción, así como en el dominio que estos poseen del objeto de estudio y posibles propuestas. Estadísticos: Se utilizan para el cálculo y cómputo de los resultados del estudio realizado, valorando fundamentalmente las medidas de tendencia central. Como podemos observar, dentro de esta investigación hemos utilizado técnicas tanto cuantitativas como cualitativas, el uso tanto de unas como de otras ha sido necesario porque nos han brindado una panorámica sobre las causas que generan el fenómeno. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 4 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Procedimientos: Revisión bibliográfica: Se consultan los principales estudios realizados en la institución en materia de Gestión Energética y proyección ambiental. Determinación de la información necesaria: Se determinan las informaciones que son necesarias para la realización del diagnóstico. Selección de las unidades, áreas y equipos: Se realiza la selección de las unidades, áreas y equipos donde se realizará el diagnóstico. Planificación de los recursos y el tiempo: Se dosifica el tiempo y los recursos y materiales necesarios para la realización del diagnóstico. Revisión metodológica en los lugares claves: Se valora la metodología a aplicar en cada uno de los lugares claves a diagnosticar, de acuerdo a las particularidades de cada uno. Recopilación de la información: Se realiza la recogida de información sobre las características del diagnóstico a realizar y los lugares claves. Elaboración del plan de mediciones: Se determinan las mediciones necesarias en cada unidad, área y equipo para la realización del diagnóstico. Mediciones de campo: Se realizan las mediciones que se planificaron para cada unidad, área y equipo objeto del diagnóstico. Recopilación y filtrado de los datos: Se recopilan los datos obtenidos durante las mediciones de campo y se seleccionan los de interés para el diagnóstico. Procesamiento de los datos y análisis de los resultados: Se procesan los datos obtenidos y se valoran los resultados que estos arrojan. Determinación de posibles medidas: Se valora, desde la perspectiva que arrojan los resultados, las posibles medidas a aplicar para solucionar los problemas detectados. Estimación de los potenciales de ahorro energético y gestión ambiental: Se valora hacia donde debe encaminarse la gestión, de forma que se genere un ahorro Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 5 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero energético con su implicación económica y las potencialidades para mejorar la gestión ambiental. Definición de las medidas de ahorro y mejora de la eficiencia energética y la gestión ambiental: Se definen las medidas más adecuadas para lograr el ahorro de los portadores energéticos, la mejora de la eficiencia energética y la gestión ambiental. Elaboración y presentación del informe final: Se elabora el informe final con los resultados que arroja el diagnóstico y se presenta a los directivos que definen en la puesta en vigor de las recomendaciones de la investigación. Estructuración de la investigación: La presente investigación está estructurada en resumen, introducción y tres capítulos, así como las conclusiones, recomendaciones, bibliografía y anexos. En la introducción se definen, entre otros, los elementos técnico- metodológicos de la investigación; en el primer capítulo se abordan los fundamentos teóricos que sustentan la misma, en el segundo el sistema de gestión energética y particularidades del sistema de suministro eléctrico y en el tercero el sistema de gestión ambiental y particularidades del tratamiento de residuales. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 6 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero CAPITULO I: Fundamentos teóricos para el Diagnóstico Energético Ambiental en Hospitales 1.1 Introducción: El uso por el hombre de la energía en cualquiera de sus formas, ha marcado el desarrollo de la sociedad humana en cada una de sus etapas evolutivas, desde el dominio del fuego hasta el uso de la energía nuclear en nuestros días. La humanidad, a lo largo de los años, ha perfeccionado su utilización, pasando por los métodos más rudimentarios de manejo a los más complejos aplicados en la actualidad, siempre con la finalidad de satisfacer sus necesidades. En los momentos actuales se ha recurrido al uso de la energía eólica y solar por dos razones fundamentales, lo barato de su costo y la no contaminación del ambiente, pudiera pensarse que es un descubrimiento de nuestros días, sin embargo el hombre de por siempre ha utilizado el calor del sol para disímiles fines y los molinos de viento son utilizados desde tiempos inmemoriales. Toda técnica desarrollada por el hombre implica el uso de la energía, es por ello que resulta necesario valorar la importancia de su uso racional, siempre evitando los efectos contaminantes al medio. Por estas y otras razones, velar por el manejo eficiente y racional de los portadores energéticos, sin afectar los procesos productivos, es una urgencia del momento, en tal sentido, además de fuentes de energía ya mencionadas, se valoran otras no agotables, que a su vez mitiguen los impactos ambientales, como el uso del hidrógeno y las fuerzas hídricas como portadores energéticos en sustitución de los combustibles fósiles. Actualmente se realizan numerosos trabajos de implantación del sistema de gestión energética y ambiental en todo el planeta. En nuestro caso dedicaremos este capítulo a abordar las teorías que a nuestra consideración fundamentan nuestro estudio. Por ser la energía eléctrica, el portador que más incide en el consumo de portadores en el hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero de nuestro territorio, centraremos el análisis en algunos elementos determinantes de la misma como redes eléctricas, aprovechamiento eléctrico, factor de potencia, caída de tensión y energía reactiva, entre otros para la parte energética, así como en los elementos de la Gestión Ambiental y el tratamiento de residuales en esta institución, que nos permita Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 7 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero contar con las herramientas teóricas que fundamenten el diagnóstico energético y ambiental en instalaciones hospitalarias. Para ello debemos partir de qué es un diagnóstico, sus particularidades y el tipo de diagnóstico a realizar. El diagnóstico constituye una etapa básica, de máxima importancia dentro de todas las actividades incluidas en la organización, seguimiento y evaluación de un programa determinado, el que a su vez constituye la pieza fundamental en un sistema de gestión, ya sea energético, ambiental o de otra índole. Para el diagnóstico energético se emplean distintas técnicas para evaluar el grado de eficiencia con que se produce, transforma y usa la energía, en el caso del ambiental para evaluar el impacto que provocan las diferentes fuentes contaminantes, así como el tratamiento dado a las mismas, de forma que minimicen los efectos nocivos, en ambos casos definiéndose dos tipos de diagnósticos fundamentales: el de nivel 1, también denominado preliminar o de recorrido y el de nivel 2 (diagnóstico profundo o de monitoreo) (COLECTIVO DE AUTORES CEEMA 2006) (11). En nuestro caso se realizó un diagnóstico de nivel 1. 1.2 Estado del arte El diagnóstico energético constituye la herramienta básica para saber cuánto, có mo, dónde y por qué se consume la energía dentro de una empresa, para establecer el grado de eficiencia en su utilización, para identificar los principales potenciales de ahorro energético y económico, y para definir los posibles proyectos de mejora de la eficiencia energética. Sus objetivos son: Evaluar cualitativa y cuantitativamente el consumo de energía, determinar la eficiencia energética, pérdidas y despilfarro de energía en equipos y procesos, identificar potenciales de ahorro energético y económico, establecer indicadores energéticos de control y estrategias de operación y mantenimiento, así como definir posibles medidas y proyectos para ahorrar energía y reducir costos energéticos, evaluados técnica y económicamente. (COLECTIVO DE AUTORES CEEMA 2006) (11), aspectos en los que coinciden HERNÁNDEZ Y MONTERO, 2011 (34) Valorado para el diagnóstico ambiental, constituye la herramienta básica para saber cuánto, cómo, dónde y por qué se generan los elementos contaminantes dentro de la entidad, para establecer el grado de eficiencia en su control, para identificar las potencialidades de minimización del impacto ambiental y definir posibles proyectos de Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 8 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero mejoras de la gestión ambiental. Sus objetivos son: Evaluar cualitativa y cuantitativamente las fuentes contaminantes, determinar la eficiencia en la gestión ambiental y el tratamiento de residuales, identificar potenciales de implementación de un SGA más eficiente, establecer los indicadores ambientales de control definidos en las normas internacionales y cubanas, con estrategias ajustadas a nuestro contexto, así como definir posibles medidas y proyectos para mejorar la imagen de la entidad y reducir los costos por penalizaciones, evaluados técnica y económicamente. (VALORACIÓN DEL AUTOR). La eficiencia energética y el uso racional de los portadores energéticos presentan en estos momentos una necesidad de desarrollo sostenible, donde la industria, los servicios y el sector residencial realizan importantes esfuerzos. El Proyecto de Gestión Eficiente de Energía (PGEE) es un sistema de gestión de la eficiencia energética a nivel empresarial que sirve para elevar la capacidad técnicoorganizativa y para lograr una administración eficiente de la energía y su impacto ambiental en las empresas mayores consumidoras de energía. La calidad de la gestión energética depende de los resultados obtenidos en cuanto al rendimiento energético. El motor principal para la adopción de una medida o una práctica concreta es su impacto en el rendimiento energético. Unos resultados energéticos mediocres indican la existencia de puntos débiles o carencias en la gestión energética, además, la evaluación de la gestión energética se basa en el sistema de comparaciones benchmarking. (COLECTIVO DE AUTORES, CEEMA 2006) (12). La eficiencia energética es una de las alternativas menos costosa y menos contaminante de todas y se convierte en una fuente no agotable y aplicable a todo tipo de entidades. En Cuba (BORROTO NORDELO, 2006) (7) la Comisión Internacional de Energía consideró que, con inversiones menores y de rápida recuperación (menores de 1,5 años) se logrará un ahorro anual del 5 % del consumo del país. Más del 45 % de este ahorro se obtendría en el sector residencial y de servicios, y casi un 10 % en el transporte. Por una parte se aprende a obtener la energía de forma económica y respetuosa con el medio ambiente, y por otra es un deber elemental de justicia. Usar eficientemente la energía significa no emplearla en actividades innecesarias, conseguir hacer las tareas con el mínimo consumo de energía posible. Desarrollar tecnologías, sistemas de vida y de trabajo que ahorren energía, es lo más importante Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 9 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero para lograr un auténtico desarrollo que se pueda llamar sostenible. (VIEGO FELIPE, 2007) (60). En la actualidad otras entidades han sido objeto de estudios en materia de eficiencia energética, arrojando resultados relevantes en el ahorro de portadores energéticos, implementando medidas para lograr el aumento de la eficiencia y la productividad, ejemplo de ello lo constituye el estudio de eficiencia energética realizado en el Hospital Guillermo Luis Fernández Hernández Baquero, en el cual se abordan temáticas como propuestas de cogeneración de energía eléctrica mediante fuentes alternativas, que proporcionan considerables ahorros en materia de portadores energéticos. El contexto actual de la Gestión Energética no puede verse divorciado de una actitud responsable hacia el medio ambiente. En el plano combinado de la Gestión Energética-Ambiental también existen experiencias en instalaciones similares, entre las que destaca la aplicada en el Hospital Isidro Ayora de Loja en Ecuador (MARRERO, PIERRA y ALEAGA, 2004) (43). En 1991 y dentro de la organización ISO, se constituyó un grupo llamado SAGE (Asesor estratégico sobre el medio ambiente) con el objetivo de comenzar a estudiar la forma de normalizar medidas cuyo fin era proteger el medio ambiente para garantizar el futuro, ya no de la empresa, como pretende la familia ISO 9000, sino de la humanidad. La constitución de este comité era la respuesta a la inquietud creciente en distintos sectores sobre denuncias que algunos grupos venían haciendo sobre nucleares, contaminación atmosférica o deterioro de residuos la naturaleza en su conjunto. Lo curioso es que en un principio se vio a estos grupos llamados verdes como desestabilizadores de la democracia o de los sistemas económicopolíticos ya que las denuncias afectaban muchas veces a los grandes capitales. En 1992 se celebró en Río de Janeiro una conferencia de las Naciones Unidas llamada La Cumbre de la Tierra en la cual se trataron los temas medioambientales poniéndose al día la información sobre el deterioro de los medios naturales y su efecto sobre la vida humana. Se esperaba mucho de esta conferencia pero los intereses creados de algunos grupos impidieron tomar medidas drásticas a favor de cambios para preservar el medio ambiente. Por su parte, la serie 14000 cuenta con la 14001 que es la que contiene Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 10 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero especificaciones y guías de uso a la vez que explicita un sistema de administración y supervisión para la gestión medioambiental y la 14004 que es la guía general y soporte técnico para el sistema de gestión medioambiental. En septiembre de 1996 se publicaron las normas ISO 14001 y 14004 comprometiéndose los países asociados a acogerla como norma nacional en sustitución de las que hubiera anteriormente, de tal forma que ahora los países de la Unión se encuentran con dos reglamentaciones: ISO y EMAS. El EMAS aplica sólo al sector industrial y la normativa ISO 14000 es más amplia, a la vez que se ensambla perfectamente con la serie 9000 por la cual un gran número de empresas están ya certificadas. En la actualidad la gran mayoría de los estados del mundo se han asociado de una manera u otra a los tratados internacionales que se han suscrito en materia de protección ambiental, adecuándolos a sus contextos particulares, así por ejemplo, en Cuba el Programa Nacional de Medio Ambiente es una adecuación a la Agenda 21. RAMIREZ, PIERRA y ALEAGA (2004) (43) sostienen que: “El riesgo potencial presentado por los residuos sólidos hospitalarios, constituye un problema en términos de salud pública, saneamiento ambiental, enfermedades nozocomiales y epidemiológicos. Es responsabilidad de las instituciones prestadoras de servicios de salud prevenir y contribuir a minimizar este riesgo ambiental. Los residuos hospitalarios son considerados potencialmente peligrosos tanto por la contaminación biológica (microorganismos patógenos) como por sustancias químicas (drogas, sustancias carcinogénicas, teratogénicas y materiales radiactivos)”. El deterioro ambiental afecta el bienestar y la calidad de vida de la población, limita sus posibilidades de desarrollo y compromete gravemente el de las generaciones futuras. Aunque las causas del deterioro ambiental son numerosas, entre estas se destaca el generado por las basuras y su disposición final. El manejo inadecuado de los residuos sólidos hospitalarios presenta diversos impactos ambientales negativos que se evidencian en diferentes etapas como la segregación, el almacenamiento, el tratamiento, la recolección, el transporte y la disposición final. Las consecuencias de estos impactos no sólo afectan a la salud humana sino también a la atmósfera, el suelo y las aguas superficies y subterráneas. A todo esto se suma el deterioro del paisaje natural y de los centros urbanos. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 11 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Debido a que tradicionalmente la prioridad de las instituciones de salud ha sido la atención al paciente, por mucho tiempo se ha restado importancia a los problemas ambientales, pudiendo crearse en muchos casos un círculo vicioso de enfermedades derivadas del manejo inadecuado de los residuos. Otros estudios realizados en nuestra área geográfica también demuestran la peligrosidad de un mal manejo de los residuales, solo por citar un ejemplo, en Colombia se ha estimado se generan al año en los hospitales de nivel 1, 2 y 3, sin contar las instituciones privadas 8500 toneladas de residuos sólidos, que siendo estos, agentes causantes de enfermedades vírales como hepatitis B o C, entre otras, generan riesgo para los trabajadores de la salud y para quienes manejan los residuos dentro y fuera del establecimiento generador. EL manejo integral de los residuos hospitalarios se ha convertido en una de las prioridades de los Programas de Calidad de Vida Urbana y de los Planes Nacionales para el impulso de la Política de Tratamiento de Residuos de los Ministerios encargados del monitoreo del Medio Ambiente en todo el mundo y en particular en nuestro continente, dirigido a formular Programas de Gestión Integral de los Residuos hospitalarios, con el propósito de prevenir, mitigar y compensar los impactos ambientales y sanitarios, para minimizar los factores de riesgo a la salud del hombre. Actualmente un porcentaje significativo de los residuos generados en los servicios de salud y similares, especialmente en las salas de atención de enfermedades infectocontagiosas, salas de emergencia, laboratorios clínicos, bancos de sangre, salas de maternidad, cirugía, morgues, radiología, entre otros, son peligrosos por su carácter infeccioso, reactivo, radioactivo inflamable. De acuerdo con estudios realizados, aproximadamente el 40 % de los residuales generados en hospitales y clínicas presenta características infecciosas, pero debido a su inadecuado manejo, el 60 % restante se contamina, incrementando los costos de tratamiento, los impactos y los riesgos sanitarios y ambientales. La factibilidad técnica y económica de dar adecuado tratamiento y disposición final a los desechos peligrosos hospitalarios está directamente relacionada con la posibilidad de implementar la efectiva separación en el origen de las fracciones peligrosas. El mezclar los desechos infecciosos con el resto de los desechos obliga a tratarlos con los mismos procedimientos y precauciones, encareciendo y dificultando la operación del sistema. Por el contrario, una buena separación en origen permite derivar la Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 12 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero mayor parte de los desechos sólidos producidos en un hospital a la recolección municipal y reservar los procedimientos especiales y de alto costo sólo para los desechos peligrosos. En tal sentido además de las Normas Cubanas (NC) establecidas al efecto de mitigar los impactos ambientales de las diferentes actividades como la NC ISO 14 001, las 133-200; 133-200-1; 134-200 y la 135-200 para el tratamiento de los residuales sólidos, la 93-02-202, modificada por la 39/1999 para la protección atmosférica y calidad del aire, en la actualidad es prudente la aplicación de la Norma Internacional ISO/FDIS 50 001, pues entre sus ventajas se destaca la unificación de criterios internacionales en cuanto a la implantación de un Sistemas de Gestión de la Energía (SGE) para mejorar su desempeño energético, incluyendo la eficiencia energética y el uso y consumo de la energía. Su implementación está destinada a conducir la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, de los costos de la energía y de otros impactos ambientales relacionados. La misma es aplicable a organizaciones de todo tipo y tamaño, con un elevado grado de flexibilidad para su aplicación, independientemente de sus condiciones geográficas, culturales o sociales. La misma se basa en el principio de la mejora continua Planificar-Hacer-VerificarActuar (PHVA) e incorpora la gestión de la energía a las prácticas habituales de la organización. En los últimos años, la temática de compensación de la potencia reactiva en las redes de suministro eléctrico industriales ha sido trabajada ampliamente, debido a los problemas causados por un bajo factor de potencia en los sistemas eléctricos, asociados al funcionamiento inadecuado de las máquinas y el aumento de las pérdidas, lo que se traduce en la reducción de la eficiencia del sistema. La solución más utilizada ha sido la instalación de bancos de condensadores para la compensación de la potencia reactiva, en dependencia del reactivo necesario que garantice pérdidas mínimas en los sistemas eléctricos. En el presente trabajo se parte de la general aceptación de condensadores como elementos correctores en la compensación de la demanda de potencia reactiva de las cargas y el mejoramiento del perfil de voltaje del sistema. Por otro lado, si la ubicación y dimensionamiento de los bancos de condensadores no se realiza de Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 13 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero forma apropiada en los nodos de la red, puede traer como consecuencia un incremento de las pérdidas de energía. Algunos autores refiriéndose a la calidad de energía, indistintamente hacen énfasis en los parámetros anteriormente mencionados, entre los consultados tenemos: HERNÁNDEZ, (2000) (33) realiza la compensación de la potencia reactiva para una red industrial con la utilización de la programación lineal, utilizando en la función objetivo los costos de compensación y como restricciones la variación de la potencia y la cantidad de reactivo necesario a instalar en cada nodo. En el trabajo no se consideraron las cargas no lineales ni el carácter discreto del problema de compensación de potencia reactiva. “Manual del analizador de redes de NORTHWOOD DATA LOGRES LTD”. (40). En este manual se pudo conocer la técnica para las mediciones en el cual venía de una forma clara y comprensible para el operador, en nuestro caso fue la primera medición con un equipo analizador de redes y con la inconveniencia de que hay que utilizar una PC con WINDOWS 98 para poder descargar la información. “Manual de Aplicaciones de las Tarifas Eléctricas. Cuba”. 2002. (41). A través de este manual se conoció la tarifa que se aplica en los diferentes sectores del país, así como una serie de cálculos para determinar las pérdidas en los transformadores, el factor de potencia y algunos conceptos. FEODOROV A.A y RODRÍGEZ LÓPEZ, E. Suministro eléctrico de empresas industriales La Habana. 1980 (14) .En esta obra se utilizó todo lo relacionado con las cuestiones fundamentales del sistema de suministro eléctrico de empresas industriales, tales como: cargas eléctricas, selección de los parámetros de los sistemas de suministro eléctrico industrial, compensación de la potencia reactiva, localización de las subestaciones de alimentación y otras cuestiones fundamentales de los sistemas de suministro eléctrico. En el trabajo de GONZÁLEZ I, (2004) (25) se establece un procedimiento para la compensación de la potencia reactiva, a través de un acomodo de carga en una red industrial, con un análisis de las principales medidas organizativas que pueden ser implementadas por etapas y solo después de ser valorado el efecto de las mismas, se procede a la introducción de medidas que conllevan a la realización de inversiones en el sistema. La autora en otros trabajos en el 2006 y 2007 (27) (28), aborda la optimización de la potencia reactiva con el uso de la programación dinámica, Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 14 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero utilizando en la función objetivo una función de gasto, donde analiza diferentes niveles de tensión y fuentes de energía reactiva a instalar. Además permite hallar un intervalo óptimo de n soluciones para los nodos del sistema. Se formula la tarea de optimización y la ubicación de los dispositivos de compensación para un modelo en el que interviene un conjunto de ecuaciones diferenciales, considerándose el carácter dinámico del problema. El planteamiento contrasta con los problemas de optimización estática, en los cuales se busca un punto óptimo en un espacio de n dimensiones, donde se maximiza o minimiza el valor de una función objetivo conocida. MALIUK S. (1980) (38), profundiza de forma muy acertada en la influencia del factor de potencia en la industria. Analiza la compensación del reactivo a través de condenadores y la utilización de los motores sincrónicos sobreexcitados para la entrega de reactivo, disminuyendo considerablemente las pérdidas en el sistema. YING-YI HONG, y SAW-YU HO (2005) (61) muestran un método basado en los algoritmos genéticos para determinar la configuración de la red que garantice mínimas pérdidas de potencia. En el método propuesto, formularon el problema de forma multicriterial, para condiciones normales y de contingencias. Las configuración del sistema para las soluciones esperadas, fueron logradas en redes de 16 y 33 nodos, lográndose eficazmente la minimización de las pérdidas. ZHANG Y, (2005) (62) presenta un modelo que ajusta los costos de los dispositivos correctores (de la potencia reactiva) con el objetivo de disminuir las pérdidas de energía para un estado determinado de la carga. Se presenta la simulación para demostrar que el modelo propuesto refleja el principio de maximización de ganancia, donde se puede disminuir las pérdidas de potencia activa. FERNÃO PIRES D., GOMES MARTINS A., y HENGGELER ANTUNES C. (2005) (16), presentan un modelo multicriterial con la utilización de una técnica heurística basada en Búsqueda Tabú para proporcionar la ubicación de condensadores en redes de distribución radiales. Esta formulación tiene en cuenta dos funciones objetivo: minimizar las pérdidas de la línea y minimizar los costos del banco de condensadores. La metodología presentada lleva la búsqueda potencialmente hacia una región de las soluciones con las características buenas, permitiendo al investigador escoger la solución que mayormente lo satisfaga tomando en consideraciones sus preferencias. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 15 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero El método resultó ser eficaz y se desarrolló fundamentalmente para sistemas radiales de distribución, comprobándose la efectividad del método para resolver este problema de optimización. PRECONS II, Sistema de Precios de la Construcción, Habana 2006. (50). El libro presenta un conjunto de instrucciones Precons que no es más que el documento metodológico para la aplicación del sistema de precios. Este manual de precios incluye documentos referidos al prontuario sobre el proyecto de organizaciones de obras y alas normativas de la ficha de gastos en pesos convertibles (CUC) a través de los cuales se confeccionará la ficha de gastos en pesos convertibles del proyecto. GÓMEZ (2010) (22). Realizando los cambios en las capacidades de algunos equipos de climatización, adecuándolos a las áreas a las que corresponden, regulando las horas de funcionamiento de dichos equipos y de algunas de las luminarias y artefactos, asegurando los niveles de confort en dichas áreas, se obtuvo una reducción de un 14 % en consumo de luminarias y artefactos y un 37 % en equipo de climatización y refrigeración. Con respecto a los estudios híbridos de Gestión Energética y Ambiental, nuestro principal patrón lo constituyó “Diagnóstico Energético-Ambiental Hospital Isidro Ayora”. MARRERO, PIERRA y ALEGA (2004) (43), partiendo del precepto de optimizar los costos relacionados con el uso de portadores energéticos, manteniendo una actitud responsable con el medio ambiente comunitario. En todos los casos se han tenido en cuenta las NC 133-202 (44); NC 133-202-1(45); NC 134-202 (46); NC 135-202 (47); NC 39/99 e ISO 14001 (48), así como la Norma Internacional ISO/FDIS 50001 (49). 1.3 Generalidades del Sistema de Gestión Energética y Ambiental La red eléctrica es un complejo conjunto de fuentes, gran número de distintas cargas conectadas, corrientes de muy diversas formas que circulan a distintas frecuencias por las líneas, distintas potencias, caídas de tensión, etc… Los grandes avances tecnológicos de las últimas décadas han supuesto un giro importante en la potencia que consumen los usuarios de la energía eléctrica, tanto en su cantidad como en su calidad, debido básicamente al propio carácter de las cargas que consumen dicha energía. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 16 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Hoy en día se lucha por el adecuado aprovechamiento de la energía llevándose acabo métodos y soluciones que influyan directamente en la explotación eficiente de las instalaciones logrando así disminuir los altos consumos y las grandes pérdidas. La racional utilización de la energía es en estos momentos un objetivo de primer orden, porque incide directamente en los indicadores técnico-económicos de un país. Observando que el uso eficiente de la energía, disminuye paulatinamente la contaminación ambiental y permite la utilización racional de los recursos energéticos no renovables. Por último, la combinación de los elementos pasivos (resistencias, bobinas y condensadores) con los elementos semiconductores (diodos, triodos, tiristores…) que controlan hoy en día la mayoría de la energía eléctrica en la red, supone una problemática más a añadir a la hora de optimizar el rendimiento de líneas, instalaciones y equipamientos. Por lo tanto es de obligado cumplimiento observar y analizar todos los parámetros de calidad de onda a la hora de seleccionar el sistema de compensación reactiva más adecuado en cada caso. Esta instalación, que ya tiene a su haber 20 años de explotación, soportó los embates del denominado “Período Especial”, durante el cual, tanto la edificación como tal y su equipamiento han sufrido un franco deterioro que ha mellado en la calidad de los servicios, la misma además de ser una institución de primer orden por su importancia social, también constituye un importante consumidor de energía dentro del municipio Moa, por lo que se debe velar porque en el mismo exista un plan de medidas técnicamente fundamentadas que contribuya al uso racional del portador electricidad y a la disminución de los costos de la entidad por concepto de pago de electricidad. Con el transcurso de los años se han realizado varios trabajos relacionados con la eficiencia energética en la institución, vinculados fundamentalmente con la implementación de metodologías, así como el diagnósticos energéticos y control de las cargas en los diferentes horarios del sistema eléctrico, los que de forma muy superficial han abordado el tema de las pérdidas y consumos excesivos de energía, así como el del bajo factor de potencia al cual se le ha hecho énfasis por ser la entidad mensualmente penalizada. Es por ello, que al presente trabajo estar encaminado a realizar una propuesta para el diagnóstico energético y ambiental en instalaciones hospitalarias, tomando como Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 17 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero estudio de caso esta institución, partamos en el estudio de las investigaciones anteriores a las que hemos tenido acceso, también fueron consultados diferentes bibliografías, trabajos y documentos, orientados en cinco líneas fundamentales: ™ Trabajos teóricos y prácticos que se han desarrollado en los sistemas de suministro eléctrico para el estudio de la compensación de la potencia reactiva y la mejora de otros parámetros de calidad de energía. ™ Procedimientos para establecer el conjunto de soluciones del Problema General de Optimización Discreta. ™ Experiencias en la aplicación de los Sistemas de Gestión Total de Eficiencia Energética (GTEE) en centros hospitalarios y otros similares. ™ Experiencias en la aplicación de la Gestión Ambiental y Producciones Más Limpias (PML) en instalaciones con características similares al objeto de estudio. ™ Bibliografías actualizadas basadas en la GTEE, así como con la Gestión Ambiental y PML, fundamentalmente en instalaciones industriales, hospitalarias y otras similares al objeto de estudio. 1.3. 1 Nociones generales de la gestión energética La Gestión Energética es un procedimiento organizado de previsiones y control del consumo de energía con el fin de obtener el mayor rendimiento posible sin disminuir el nivel de prestaciones. (BORROTO, 2006) (7). El sector industrial es un candidato ideal para aplicar un programa de medidas de ahorro debido a su importancia como sector económico y consumidor de energía. Entendiendo por eficiencia energética el logro de los requisitos establecidos por el cliente con menos gastos energéticos posible y la menor contaminación ambiental por este concepto. Un Sistema de Gestión Energética se compone de la estructura organizacional, los procedimientos, los procesos y los recursos necesarios para su implementación. El objetivo fundamental de la Gestión Energética como subsistema de la gestión empresarial es sacar el mayor rendimiento posible a todos los portadores energéticos que son necesarios para una actividad empresarial. Dentro de esta idea el sistema de gestión habrá de responder a determinadas funciones, que tendrán que implementarse en relación con los servicios de la empresa. En un sentido más amplio puede ser la comprensión de la elección de las fuentes de energía, las Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 18 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero negociaciones con los suministradores y el control de los suministros, almacenamiento y distribución lo cual comprende: ¾ Optimizar la calidad de los portadores energéticos disponibles y su suministro. ¾ Disminuir el consumo de energía manteniendo e incluso aumentando los niveles de producción o servicios. ¾ Obtener de modo inmediato ahorros que no requieran inversiones apreciables. ¾ Lograr ahorros con inversiones rentables. ¾ Demostrar la posibilidad del ahorro energético de la entidad. ¾ Disminuir la contaminación ambiental y preservar los recursos energéticos. ¾ Diseñar y aplicar un programa integral para el ahorro. ¾ Establecer un sistema metódico de contabilidad analítica energética en la empresa. (Colectivo de Autores, SA) (12). Funciones de un Sistema de Gestión Energética Un Sistema de Gestión Energética ha de cumplir determinadas funciones que deben implementarse en relación con los servicios de la empresa para alcanzar los objetivos. ¾ Aprovisionamiento: Este aspecto comprende la elección de los portadores energéticos. Las negociaciones con los suministradores, el control de los suministros y su almacenamiento así como su distribución. ¾ Análisis Energéticos: En este punto es necesario establecer dos tipos de análisis Energéticos, uno de auditoría o diagnóstico y el otro de consumo de portadores. (COLECTIVO DE AUTORES, SA), (FERNÁNDEZ, PUERTA JUAN F, SA) (15). Etapas en la implantación de un Sistema de Gestión Energética En general, en todos los sistemas de gestión energética o de administración de energía se pueden identificar tres etapas fundamentales: 1. Análisis preliminar de los consumos energéticos. 1. Formulación de un programa de ahorro y uso racional de la energía (Planes de Acción). 2. Establecimiento de un sistema de monitoreo y control energético. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 19 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Errores que se cometen en la Gestión Energética ¾ Se atacan los efectos y no las causas de los problemas. ¾ Los esfuerzos son aislados, no hay mejora integral en todo el sistema. ¾ No se atacan los puntos vitales. ¾ No se detectan y cuantifican adecuadamente los potenciales de ahorro. ¾ Se consideran las soluciones como definitivas. ¾ Se conforman creencias erróneas sobre cómo resolver los problemas. Gestión total eficiente de la energía Es un conjunto de acciones técnico- organizativas para administrar eficientemente la energía, que aplicadas de forma continua, con la filosofía de gestión total de la calidad, permiten establecer nuevos hábitos de dirección, de control y de evaluación del uso de la energía, dirigidos al aprovechamiento de todas las oportunidades de conservación de la energía y de la reducción de sus costos. El sistema es capaz de identificar un número muy superior de medidas triviales y de baja inversión para la reducción de los costos energéticos; entrena, capacita y organiza los recursos humanos que deciden la reducción de los consumos y gastos energéticos, creando una nueva cultura energética; instala en la empresa procedimientos, herramientas y capacidades para su uso continuo y se compromete con su consolidación. En la implementación de una gestión energética suele presentarse una serie de dificultades que pueden ser en general, la insuficiente especialización del personal técnico y la falta de conciencia de ahorro. Es de vital importancia y necesario que técnicos y operarios desarrollen un nivel de pertenencia del trabajo a realizar y aptitudes encaminadas a la búsqueda y puesta en práctica de nuevas soluciones, así como un buen nivel de conocimiento de estos para una satisfactoria asimilación de la tecnología. (BABÓN GONZALEZ) (6). La Tecnología de Gestión Total Eficiente de la Energía (TGTEE) La TGTEE es un paquete de procedimientos, de herramientas técnico-organizativas y software especializado, que aplicado de forma continua y con la filosofía de la gestión total de la calidad, permite establecer nuevos hábitos de dirección, control, diagnóstico y uso de la energía. Su objetivo no es sólo diagnosticar y dejar un plan de medidas, sino esencialmente elevar las capacidades técnico-organizativas de la Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 20 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero empresa, de forma tal que esta sea capaz de desarrollar un proceso de mejora continua de la eficiencia energética. Dentro de la tecnología incluye: ¾ La capacitación al Consejo de Dirección y especialistas en el uso de la energía. ¾ Establece un nuevo sistema de monitoreo, de evaluación, de control y de mejora continua del manejo de la energía. ¾ Identifica las oportunidades de conservación y el uso eficiente de la energía en la empresa. ¾ Propone, en orden de factibilidad, las medidas para el aprovechamiento de las oportunidades identificadas. ¾ Organiza y capacita a los trabajadores vinculados al consumo energético en hábitos de uso eficiente. ¾ Prepara a la empresa para autodiagnosticarse en eficiencia energética. ¾ Establece en la empresa las herramientas necesarias para el desarrollo y el perfeccionamiento continuo de la Tecnología. La TGTEE permite, a diferencia de las medidas aisladas, abordar el problema en su máxima profundidad, con concepto de sistema, de forma ininterrumpida y creando una cultura técnica que permite el auto desarrollo de la competencia alcanzada por la empresa y sus recursos humanos. (COLECTIVO DE AUTORES, SA), (12). Conceptos básicos para una buena comprensión de la eficiencia energética Eficiencia: es el cociente resultante del consumo real entre el planificado que refleja la optimización de los recursos utilizados para la obtención de los resultados u objetivos previstos. Eficacia: es la contribución de los resultados obtenidos al cumplimiento de los objetivos trazados. Efectividad: es la generación sistemática de resultados consistentes, integrando eficacia y eficiencia. Eficiencia energética: es la optimización de los recursos energéticos para alcanzar los objetivos económicos de la Empresa. Se mide a través de indicadores de eficiencia energética. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 21 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Herramientas que se utilizan para establecer un Sistema de Gestión Energética Diagramas de Pareto El Diagrama de Pareto es una gráfica en forma de barras que clasifica en forma descendente factores que se analizan en función de su frecuencia, importancia absoluta o relativa. Adicionalmente permite observar en forma acumulada la incidencia total del factor en estudio. Es muy útil para aplicar la Ley de Pareto o Ley 80 – 20, que identifica el 20 % de las causas que provoca el 80 % de los efectos de cualquier fenómeno estudiado. Intensidad energética A nivel de Empresa este indicador puede determinarse como la relación entre el consumo total de energía y el valor de la producción mercantil total. Nos refleja la tendencia de la variación de los consumos energéticos respecto al incremento de la producción. Todos los indicadores de eficiencia y de consumo energético dependen de condiciones de la producción y los servicios de la empresa como: factor de carga (es la relación de la producción real respecto de la capacidad productiva nominal de la Empresa), calidad de la materia prima, estado técnico del equipamiento, etc. Diagrama de dispersión Es un gráfico que muestra la relación entre dos parámetros. Su objetivo es mostrar en un gráfico x, y si existe correlación entre dos variables, y en caso de que exista, determinar su carácter. La observación del diagrama de dispersión nos indica, que existe una tendencia a que los valores altos de nivel ocupacional están asociados a los valores altos de consumo. Gráfico de control Los gráficos de control son diagramas lineales que permiten observar el comportamiento de una variable en función de ciertos límites establecidos. Generalmente se usan como instrumento de autocontrol por los círculos y grupos de calidad y resultan muy útiles como apoyo a los diagramas causa y efecto, cuando logramos aplicarlos a cada fase del proceso y detectar en cuales fases se producen las alteraciones. Su importancia consiste en que la mayor parte de los procesos productivos tienen un comportamiento denominado normal, es decir existe un valor medio (M) del parámetro de salida muy probable de obtener, mientras que a medida Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 22 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero que nos alejamos de este valor medio la probabilidad de aparición de otros valores de este parámetro cae bruscamente, si no aparecen causas externas que alteren el proceso, hasta hacerse prácticamente cero para desviaciones superiores a tres veces la desviación estándar (3S) del valor medio. Utilidad del Gráfico de Control ¾ Conocer si las variables evaluadas están bajo control o no. ¾ Conocer los límites en que se puede considerar la variable bajo control. ¾ Identificar los comportamientos que requieren explicación e identificar las causas no aleatorias que influyen en el comportamiento de los consumos. ¾ Conocer la influencia de las acciones correctivas sobre los consumos o costos energéticos. Gráfico de Consumo y Producción Consiste en un gráfico que muestra la variación simultánea del consumo energético con la producción realizada. Muestran períodos en que se producen comportamientos anormales de la variación del consumo energético con respecto a la variación de la producción. Permiten identificar causas o factores que producen variaciones significativas de los consumos. Diagramas de Dispersión y Correlación En un gráfico que muestra la relación entre 2 parámetros. Su objetivo es mostrar en un gráfico (x, y) si existe correlación entre dos variables, y en caso de que exista, qué carácter tiene esta. Muestra con claridad si los componentes de un indicador de control están correlacionados entre sí y por tanto si el indicador es válido o no. Permite establecer nuevos indicadores de control. Permite determinar la influencia de factores productivos de la Empresa sobre las variables en cuestión y establecer nuevas variables de control. 1.4 Caracterización de los problemas detectados en la institución Factor de Potencia Operar, con un bajo factor de potencia, una instalación eléctrica, además del impacto en el pago de electricidad, tiene otras implantaciones de igual o mayor significación, particularmente en relación con la capacidad de los equipos de transformación y distribución de la energía eléctrica y con el uso eficiente de las máquinas y aparatos que funcionan con electricidad. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 23 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero El concepto del factor de potencia, los efectos que se presentan cuando su valor es reducido y los métodos para corregirlo, no son temas nuevos. Sin embargo, su análisis es un problema permanente y de obligada importancia para todos aquellos cuya actividad se relaciona con la operación eficiente de las instalaciones eléctricas industriales y el ahorro de energía. La mayoría de las cargas industriales son de naturaleza inductiva. Precisamente las cargas inductivas son de origen del bajo factor de potencia, con los inconvenientes que esto ocasionan. Inconvenientes de un bajo factor de potencia: ¾ Una disminución de la capacidad de los equipos de generación, distribución y maniobra de la energía eléctrica. ¾ Un incremento en las pérdidas de cobre. ¾ Una deficiente regulación de voltaje. ¾ Un incremento en la facturación de energía eléctrica Esta potencia reactiva ha sido tradicionalmente suministrada por las empresas de electricidad, aunque puede ser suministrada por las propias industrias. Al ser suministradas por las empresas de electricidad deberá ser producida y transportada por las redes, ocasionando necesidades de inversión en capacidades mayores de los equipos y redes de transmisión y distribución. Todas estas cargas industriales necesitan de corrientes reactivas para su operación. El factor de potencia es el cociente entre la potencia activa y la potencia aparente, consumida por una carga o instalación determinada: Tradicionalmente siempre se ha denominado “coseno de φ” (cos φ) dado que trigonométricamente coincide con el coseno del ángulo que forman ambos vectores de potencia, siendo φ el ángulo de desfase entre tensión y corriente. fp = P = cosφ S Ecuación 1.1. Factor de Potencia Causas que provocan un bajo factor de potencia en el circuito de distribución de una entidad Cuando la cantidad de equipos es apreciable los requerimientos de potencia reactiva también se hacen significativos, lo cual produce una disminución Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera exagerada del 24 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero factor de potencia. Un alto consumo de energía reactiva puede producirse como consecuencia principalmente de: ¾ Un gran número de motores. ¾ Presencia de equipos de refrigeración y aire acondicionado. ¾ Una subutilización de la capacidad instalada en equipos electromecánicos, por una mala planificación y operación en el sistema eléctrico de distribución. ¾ Un mal estado físico de la red eléctrica y de los equipos de la industria. Las cargas puramente resistivas, tales como alumbrado incandescente, resistencias de calentamiento, etc. no causan este tipo de problema ya que no necesitan de la corriente reactiva, sin embargo, como podemos comprobar con la presencia de armónicos en las redes, estos también suponen pérdidas en las mismas, las cuales contribuyen a elevar más aún la energía aparente necesaria. Esto nos lleva, por tanto, a las siguientes conclusiones: Un bajo factor de potencia es, por tanto, el resultado de un alto contenido de cargas inductivas como de cargas no lineales, consumidoras de corrientes no senoidales. El coseno de φ representa las pérdidas de carácter puramente inductivo dentro de la instalación, a las cuales debemos añadir (en menor proporción) las pérdidas a frecuencias armónicas. Ventajas de mejorar el factor de potencia ¾ Reducción de la factura eléctrica: Por lo general, para tomar plena ventaja de la bonificación, se acostumbra a compensar hasta un factor de potencia cercano al 96 % (que es el máximo posible a bonificar) aunque siempre una decisión final debe estar acompañada de un adecuado análisis económico. ¾ Liberación de capacidad en el sistema: Cuando los capacitares o motores sincrónicos están operando, ellos suministran los requerimientos de potencia reactiva de las cargas y reducen la corriente circulante, desde la fuente hasta el punto de ubicación de los compensadores. Los medios compensadores pueden utilizarse para reducir la sobrecarga de los circuitos; si estos no están sobrecargados, puedan permitir el incremento de su capacidad de carga. ¾ Reducción de las pérdidas: La mayoría de las instalaciones, las pérdidas de energía en el sistema de distribución representan entre (2.5-7.5 %) de la energía consumida por las cargas. Esto depende de la variabilidad de las cargas, el calibre y la longitud de los circuitos. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 25 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Pérdidas de Energía Pérdidas de energía eléctrica en los transformadores Los transformadores son equipos indispensables en los sistemas industriales debido a que son máquinas estáticas, cuya misión es transmitir energía eléctrica desde un sistema con una tensión dada a otro sistema con una tensión deseada .Tiene una importancia capital dentro de los sistemas de generación, transporte y distribución de energía eléctrica. Pues han permitido la preponderancia de la corriente alterna y la capacidad de utilizar en cada sector los niveles de tensión más apropiados y económicos, atendiendo a factores tales como: potencia a transmitir, seguridad de utilización, longitud de líneas. Análisis de las Pérdidas de un transformador ¾ Pérdidas en el circuito magnético (Po) denominadas también pérdidas en el hierro o pérdidas en vacío, ya que se determinan mediante el ensayo de vacío del transformador; son independientes de la carga a que esté sometido el transformador y prácticamente invariables a tensión y frecuencia constante. ¾ Pérdidas por efecto Joule en los devanados (Pcu).Se deben a las pérdidas en los embobinados del transformador debido a las resistencias existentes en estos (efecto Joule). Se denominan también pérdidas en el cobre, ya que los devanados suelen fabricarse en cobre, aunque a veces se realizan en aluminio. Varían proporcionalmente con el cuadrado de la corriente, si se conocen las pérdidas producidas por este concepto en régimen nominal Pcc, cuando el transformador funcione con un índice de carga “c”. Pcu = Po + C 2.Pcc Ecuación 1.2. Pérdidas en el Cobre Las Pérdidas de un transformador Pp, que trabaje con un índice de carga “c” serán: Pp = Po + Pcu = Po + C 2.Pcc Ecuación 1.3 Pérdida de un transformador Pp que trabaje c/ índice de carga “c”. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 26 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Facturación Eléctrica Control de la Demanda Máxima El control de la demanda máxima y del consumo de energía eléctrica, consiste en la administración y el control de las cargas eléctricas para reducir cargos por demanda máxima de potencia y por consumo de energía, durante ciertos períodos de tiempo de acuerdo con la tarifa eléctrica que se aplica. Ventajas ¾ Reducir los pagos por demanda máxima. ¾ Reducir el costo de la energía consumida, a partir fundamentalmente de la reducción de las cargas y de que las operaciones sean desplazadas en el tiempo hacia horarios en los cuales el costo de los kWh sea más reducido. ¾ Disminuir las pérdidas en líneas y transformadores y su costo asociado. ¾ Reducir la capacidad necesaria de los conductores, transformadores y equipos de distribución y maniobra de la energía eléctrica, así como de generación, si existen. ¾ Mejorar la regulación de voltaje. Generalmente el consumo del portador energético electricidad es el que incide en el costo total de los portadores de una empresa. La facturación por este motivo tiene determinadas implicaciones que se reflejan en la estructura de la ecuación general de la tarifa eléctrica: ⎡ Fp ⎤ $ = CD ⋅ Dc + (Pp ⋅ kWh pico + Pm kWhmad + Pd kWhd ) ⋅ K + I ∆ptransf ⋅ ⎢ normado − 1⎥ ⎣ Fp real ⎦ [ ] Ecuación 1.4. Ecuación general de la tarifa eléctrica Donde: $: Costo total del consumo de energía eléctrica CD: Costo del kW para la demanda contratada Dc: Demanda contratada Pp: Precio del kWh en horario pico Pm: Precio del kWh en horarios de la madrugada Pd: Precio del kWh en horario del día K: Factor del Combustible Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 27 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero I ∆Ptransf : Pérdidas por transformación: Fp normado −1 Fp real : Factor que tiene en cuenta el aprovechamiento de la energía a través del comportamiento del factor de potencia de la instalación El costo por demanda contratada representa entre el 30 y el 40 % de los costos totales de la factura. Algunas empresas por temor a pasarse de lo contratado tienen un cargo fijo adicional que le pesa en su economía, y en el peor de los casos desconocen que se puede contratar hasta dos veces la demanda en el año. El costo por energía consumida, independientemente del horario y del tipo de tarifa que se tenga, es el más importante, en el cual se puede trabajar en reducirlo a partir del conocimiento de las características del consumo. Por tanto un reconocimiento detallado del sistema de suministro eléctrico de cualquier instalación permite realizar mejoras encaminadas a mejorar el balance de las cargas, la disminución de perturbaciones en la onda de tensión (calidad de la energía). Las pérdidas por transformación, pasan a la factura en caso que las mediciones de la energía se realicen por la parte de baja del transformador de fuerza. Si las mediciones se realizan por alta estas no se tienen en cuenta. Pero se destaca que el empleo eficiente de la potencia instalada de transformación permite reducir los costos por este motivo. En ocasiones se cuentan con transformadores que en el transcurso de los años se mantienen con un coeficiente de utilización muy bajo, si este mismo transformador fuera de una potencia menor las pérdidas serían menores a partir de que son menores las pérdidas en el cobre y en el hierro. El factor de potencia, es el indicador del grado de aprovechamiento de la energía en un sistema de suministro eléctrico. Los costos por penalización por el bajo factor de potencia oscilan entre el 3 y el 15 %, sin embargo existen empresas que pueden adoptar medidas al respecto con pequeñas inversiones. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 28 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Índice de Consumo: Unidades de producto terminado por unidad de energía consumida: Puede ser calculado por tipo de producto o como índice de consumo general en el caso que el tipo de producción lo permita (si son varios productos diferentes pero de un mismo material el índice puede reducirse a toneladas de ese material etc.). Si se consumen diferentes tipos de energía para un mismo producto debe determinarse el consumo equivalente haciendo compatibles los diferentes tipos. Permite su comparación con las normas de consumo establecidas para Empresas. 1.5 Conclusiones del capítulo: ¾ La eficiencia energética y el uso racional de los portadores energéticos presentan en estos momentos una necesidad de desarrollo sostenible, donde la industria, los servicios y el sector residencial realizan importantes esfuerzos. ¾ La Gestión Energética es un procedimiento organizado de previsiones y control del consumo de energía con el fin de obtener el mayor rendimiento posible sin disminuir el nivel de prestaciones. ¾ La realización de este tipo de estudio en entidades similares, ha permitido detectar los problemas existentes en las empresas y la prestación de servicios, posibilitando la aplicación de medidas que han logrado notables avances con respecto del ahorro de energía. ¾ La Gestión Energética no puede verse desvinculada de una correcta Gestión Ambiental, que posibilite el logro de los objetivos propuestos, sin comprometer el futuro. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 29 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero CAPITULO II: Sistema de Gestión Energética y particularidades del sistema de suministro eléctrico 2.1 Introducción En el presente capítulo se abordan los temas fundamentales relacionados con el diagnóstico en el sistema de gestión energética y las particularidades del sistema de suministro eléctrico en la institución. Se parte de una caracterización de la estructura física y asistencial del hospital y posteriormente se destacan las fortalezas y debilidades en el proceso de gestión energética. Se presenta el análisis del banco de problema energético y la determinación de los puestos claves, así como el comportamiento del consumo de los portadores energéticos y los resultados de la aplicación de las herramientas de la Gestión Energética. 2.2 Caracterización general del Hospital Guillermo Luis FernándezHernández Baquero El Hospital Guillermo Luis se encuentra Ubicado en el Reparto Caribe a 2 Km del centro de la ciudad de Moa, en la provincia Holguín, es de carácter general docente, su campo de acción en el servicio hospitalario comprende los municipios Moa, Sagua de Tánamo, Frank país y otros aledaños. Su Objeto Social es brindar servicios de salud a los ciudadanos cubanos en las especialidades y modalidades que caracterizan a la entidad, efectuar el control higiénico epidemiológico del medio intra-hospitalario, realizar actividades de investigación y desarrollo en las actividades que le son afines y actividades de educación para la salud a la población, brindar atención integral de promoción, prevención, diagnóstico, tratamiento y rehabilitación de la salud en la población. La instalación diseñada para 400 camas (en estos momentos cuenta solamente con 284), está compuesta por una edificación distribuida en dos bloques de cuatro y tres plantas respectivamente entrelazados entre sí; en el primer bloque se ubican en el nivel 00 los almacenes, en la primera planta fundamentalmente se localizan los locales administrativos, docencia, farmacia, cafetería, departamentos auxiliares, morgue y anatomía patológica , en las otras tres restantes plantas se ubican las salas especializadas para hospitalizados. En el otro bloque en el nivel Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 30 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero 00 se ubican los servicios de urgencias, talleres de mantenimiento, comedores, cocina y los servicios de rehabilitación y tomografía axial, así como un local para el sistema de clima central, el cual está en franco deterioro. En la primera planta se encuentran las consultas especializadas, laboratorios, banco de sangre y los departamentos estadísticos, así como el área de policlínica (en la actualidad en adecuación para la inserción de un área pediátrica dentro del inmueble), en la segunda planta se encuentran los salones quirúrgicos y de parto. En el pasillo que une ambos bloques se ubican los ascensores, en la parte anterior los de evacuación y en la parte posterior los de servicio (estos últimos fuera de funcionamiento). Dentro del perímetro de la institución, pero fuera de la edificación central se encuentran la lavandería, casa de calderas, grupos electrógenos, sistemas de almacenamiento de combustible y el incinerador. Esta institución presta 17 servicios de hospitalizados; 24 de consultas externas y 8 servicios complementarios entre los que destacan los de tomografía axial, ultrasonido, RX, anatomía patológica y rehabilitación, entre otros. Para un total de 49 servicios. Para ello cuenta con 1000 trabajadores 716 entre personal médico y paramédico y 284 de servicio, apoyados por 416 estudiantes (185 de medicina, 113 de enfermería y 118 tecnólogos de la salud). 2.3 Generalidades del Sistema de Gestión Energética La gestión energética contempla la eficiencia como la fuente de energía más barata, teniendo en cuenta que los equipos e instalaciones se encuentran en explotación y solo hay que investigar donde se producen las pérdidas. Según la OLADE con el uso eficiente de la energía podría reducirse el consumo específico de portadores entre el 10 y el 20 % a corto y mediano plazo. Los principales portadores energéticos en esta instalación son: electricidad, constituye el 94,02 % del consumo de portadores energéticos en la instalación, para su distribución cuenta con un transformador primario de 1000 kV y 15 Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 31 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero transformadores secundarios distribuidos por diferentes áreas de la misma. Las mediciones de su consumo se hacen de forma general a través del único metro contador que mide el consumo general de la instalación, con una frecuencia diaria. En el caso del portador GLP (gas licuado de petróleo), cuenta con dos balas de 5000 Lts para su almacenamiento, el consumo en 24 horas oscila entre los 100 y 120 Lts, su destino es para la cocina, pantry y en los mecheros de prótesis y laboratorios. No cuenta con instrumentación para su medición y el consumo se calcula a través de un promedio por agotamiento, teniendo en cuenta los consumos históricos. Para el Diesel, se cuenta con una capacidad de almacenamiento de 6500 Lts. Se emplea en los grupos electrógenos los cuales consumen 14 Lts/h en vacío y 54 Lts/h con 300 KW de carga y en el incinerador el cual consume entre 50 y 80 Lts/h en dependencia del material a quemar. Para la medición del consumo en ambos casos se valoran los datos técnicos del fabricante, teniéndose en cuenta los consumos reales históricos. El portador Fuel Oil se cuenta con una capacidad de almacenamiento es de 3000 Lts. Se destina a las calderas cuyo consumo es de 90 a 130 Lts/h y trabajan entre 3 y 6 horas diarias para alimentar la lavandería, cocina central, esterilización y el banco de leche. Para medir su consumo se utiliza la misma variante que para el diesel. El Agua, aunque el agua no constituye un portador energético, sí implica un consumo importante de electricidad, el plan mensual es de 10058 M3 y el consumo real oscila en este rango, el bombeo se realiza con 2 bombas de 50 HP de potencia, 3540 RPM, una tensión de 230 – 460 V y una intensidad de 58 – 106 A. El cálculo del consumo se realiza por aproximación atendiendo al vaciado del tanque elevado. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 32 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero 2.3.1 Áreas y equipos claves y personal que decide en el consumo de energía El estudio minucioso de las áreas donde se concentra el mayor consumo de los portadores energéticos en esta institución arrojó los siguientes resultados: Tabla 2.1. Puestos claves PUESTO CLAVE Casa de Calderas Grupos Electrógenos Incinerador Banco de Transformadores Ascensores Sistema de Bombeo Cocina Comedor Taller de mantenimiento AREA Energética Energética Servicios Energética Servicios Servicios Servicios Servicios OPERTARIO Operadores (3) Operadores (2) Operador (1) Electricistas (3) Operadores (6) Operadores (2) Cocineros (4) Gpo. Mant. (8) JEFE INMEDIATO J´ Servicios Energético Principal J´ Servicios Energético Principal J´ Servicios J´ Servicios J´ Turno J´ Mantenim. De la tabla anterior se desprende que se cuenta con 8 puestos claves, definidos dentro de 3 áreas, donde se involucran 29 operarios y 4 jefes inmediatos, sobre los cuales debe centrarse la atención, pues en ellos se concentran las reservas energéticas de la institución. Diagnóstico socio-ambiental al personal que inciden en los Puestos Claves ¾ Bajo nivel escolar de los operarios. ¾ Insuficiente preparación en lo referido a eficiencia energética de los equipos que operan. ¾ No existe motivación ni compromiso con el ahorro de energía. ¾ No tienen conciencia del liderazgo del Consejo Energético ¾ Presenta dominio de la actividad que realizan por experiencia laboral ¾ No existe atención priorizada ni a operarios, ni jefes inmediatos. 2.3.2 Banco de problemas energéticos: En este sentido debemos destacar que la institución cuenta con un Banco de Problemas General y un Banco de Problemas Energético independiente del primero, en ambos casos recogen la generalidad de toda la entidad, sin embargo, en las áreas no están definidos los mismos, por lo que los trabajadores no tienen conciencia de los problemas puntuales en sus puestos de trabajo, por lo que no son capaces de actuar sobre los mismos. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 33 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Tabla 2.2 Banco de Problemas Energético OBJETIVO PROBLEMA 1. Calderas ineficientes 2. Falta de insulación en las conductoras de vapor 3. Poco control del vapor producido 4. Insuficiencias en el uso y manejo de los grupos electrógenos 5. Transformador principal sobredimensionado 6. Deficiente distribución de cargas por transformadores 1. Incrementar la eficiencia 7. Uso inadecuado de los ascensores energética en la instalación. 8. Sistema de bombeo carente de cierres automáticos 9. Salideros en los sistemas hidrosanitarios 10. Deterioro de tuberías conductoras 11. Uso indiscriminado de las hornillas y marmitas 12. Falta de hermeticidad en locales climatizados 13. Deficiente sistema de Gestión Energética 14. Poca funcionabilidad del Consejo Energético 15. Falta de capacitación de los operarios de los puestos claves La tabla 2.2 nos muestra que en la entidad en su conjunto existen 15 problemas energéticos fundamentales referidos al objetivo de incrementar la eficiencia energética en la instalación, los que se hacen necesarios desglosar, de forma tal se tenga el control de los mismos en las áreas afectadas. 2.3.3 Elementos generales de la insuficiente Gestión Energética Después de realizar un recorrido exhaustivo por toda la instalación e intercambiar con personal médico, paramédico y de servicio se pudo determinar que las principales irregularidades que limitan el mejor funcionamiento de la Gestión Energética en el Hospital están centradas en los siguientes aspectos. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 34 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Deficiente gestión administrativa: Dentro de la gestión de la administración se detectaron como principales dificultades la incorrecta contratación de la Máxima Demanda del servicio eléctrico ya que la contratada es de 300 kW y la real promedio mensual es de 123 kW durante el año 2010, solo en el mes de abril, alcanzó 133 kW, en mayo y septiembre alcanzó 131 kW, quedando en un 41 % por debajo de la contratada, insuficiente análisis de los indicadores energéticos del centro y seguimiento a las deficiencias detectadas en los Consejos de Dirección. No existe evidencia de la aplicación de métodos de estimulación individual para el uso racional de los portadores energéticos ni la aplicación de medidas disciplinarias, administrativas o de otra índole ante violaciones de lo establecido en el Programa Energético. Deficiente contabilidad energética: La contabilidad energética no está sustentada en una herramienta informática que facilite el control de los consumos y la demanda de los diferentes portadores energéticos, el acceso a los datos relacionados con la energía es a través del energético principal del centro, las informaciones se realizan con cierta periodicidad, pero no son sistemáticas, los registros de la contabilidad y los gastos energéticos son muy generales, pues solo se contabiliza el plan y el consumo real general sin delimitar por áreas. No existe cultura del detalle, lo que implica que los análisis estadísticos y posibles pronósticos no tengan la profundidad y veracidad necesaria. Existe una inadecuada preparación y concienzación de los que manejan los recursos humanos y del estudiantado en materia de eficiencia energética. No se cuenta con un programa de formación y actualización continua para el personal de dirección y los operadores de los puestos claves que garantice la optimización en la operación de los equipos y tecnologías para mantener un nivel adecuado en los indicadores de consumo, lo que demuestra que se hace necesario gestionar la preparación de los mismos, pues en el caso de los directivos los conocimientos sobre gestión energética son muy pobres y solo se nutren de las informaciones dadas por el energético, careciendo de herramientas propias para realizar la supervisión. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 35 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Las insuficiencias anteriores pudieran superarse mediante la gestión de preparación del personal y directivos mediante convenios con otras entidades como el CEETAM del ISMM. Otro elemento a tener en cuenta en este sentido es la incorrecta utilización de los Índices de Consumos Físicos en la Planificación del Consumo de Energía Eléctrica, pues se llevan de forma global y se incumplen los índices de consumos reales en relación con los planificados, por lo que el comportamiento de la intensidad energética es en ascenso. Deficiente instrumentación: El centro solo cuenta con un metro contador que contabiliza el consumo general de la institución, pero no se mide por áreas, lo que hace aún más difícil detectar los principales derroches energéticos. En el caso de los portadores Fuil Oil, Diesel y vapor, así como el agua no existen flujómetros, o metros contadores que puedan actualizar los indicadores de consumo. Problemas de mantenimiento a equipos y sistemas: De forma general no se sistematiza el mantenimiento a los equipos y sistemas, (sistemas de distribución eléctrica, de vapor e hidráulica, equipos electromédicos, de refrigeración, clima, etc.) ni al parque de transportes por falta de recursos materiales, necesidad del uso excesivo y en algunos casos el personal que debe realizar la labor no posee todos los conocimientos necesarios (fluctuación del personal de mantenimiento). Deterioro de las estructuras físicas y tecnológicas: A los casi 20 años de explotación de la instalación se suma el que la institución sufrió los embates del denominado “período especial”, lo que ha implicado que la estructura civil haya sufrido un acelerado deterioro, trayendo consigo la aparición de filtraciones de agua que en muchas ocasiones favorecen el deterioro de la redes internas de electricidad provocando sobreconsumos y algunas interrupciones del servicio eléctrico, además de los salideros en las redes hidráulicas, tanto por deterioro de las mismas, como por falta de sellaje en las Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 36 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero válvulas y terminales en los hidrosanitarios, lo que provoca un sobreconsumo de agua y con ello la necesidad de rebombeo en muchas ocasiones. En el caso de la electricidad, existe deterioro en las redes de alimentación eléctrica, interruptores (principales y secundarios) y tomacorrientes. En el caso de la generación de vapor, las calderas llevan en explotación el mismo tiempo de existencia de la instalación y no han sido beneficiadas con mejoras o sustituciones, falta de insulación en válvulas (8) del sistema de distribución de vapor (6 en área de lavandería, 1 en la reductora de vapor, 1 en casa caldera), falta de insulación en 28 m de tubería de 2” en las redes del sistema de distribución de vapor (alrededor de 6 m en la reductora de vapor, 10 m en el área de lavandería, 2 m en el área casa caldera y alrededor de 10 m en el área de secado), lo que genera una alta transferencia de calor con el medio, además de escapes por deterioro de las tuberías y en ocasiones por las propias válvulas de escape, además existen salideros en las redes del sistema de distribución de vapor, (válvula de seguridad de la caldera, unión universal, salidero de vapor en uniones y válvulas del área de lavandería, salidero de vapor en manguera que alimenta la plancha # 2 en el área de secado, válvula en la reductora de vapor), estas últimas fueron solucionadas durante el período de supervisión. Por su parte en el caso de la climatización existe falta de hermeticidad en locales climatizados, (huecos en paredes, filtraciones por las orillas donde están instalados los aires, ventanas) (sala de quemados, cuerpo de guardia, terapia intensiva e intermedia, cuidados intensivos), que provocan el funcionamiento ineficiente del equipo e ineficiente operación de los sistemas climatización destinados a refrigerar aire para climatizar el ambiente en zonas de trabajo. Y en la producción de aire comprimido o de vacío se utiliza una correa inadecuada en el sistema de transmisión del motor que alimenta el compresor de aire, lo que provoca ineficiencia en el motor e incremento de consumo en el área de la lavandería. Insuficiencias en el trabajo del consejo energético: Unido a la no existencia de una conformación objetiva del mismo, está la no sistematicidad de sus reuniones, así como la no participación de todos sus miembros en las mismas, provocando deficiencias en el sistema de información y Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 37 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero divulgación de la situación del consumo de los portadores energéticos en el centro, lo que trae consigo la no participación de los trabajadores en la toma de decisiones para fortalecer una adecuada cultura y conciencia de ahorro, algo que no puede obviarse en este punto es el factor de potencia (Cosφ.) del Servicio Eléctrico que se comportan por debajo de 0.9, el promedio en el año es de 0.83, lo que ha provocado que por concepto de penalización por bajo Factor de Potencia han efectuado un pago total en el año de $ 12.888.00, siendo el promedio en el servicio de $ 1.074.00, además existe un insuficiente chequeo en el cumplimiento de las medidas contenidas en el Programa Energético como la suciedad en los filtros de los aires acondicionados, falta de hermeticidad en locales climatizados y el control del uso de la energía, por otra parte es significativo que aún persistan ineficiencias en el empleo de la iluminación artificial (existen 839 lámpara ineficiente de 40W), no se seccionalizan de circuitos de alumbrado y se mantengan luces y equipos innecesarios operando en la hora pico. Deficiente mantenimiento tecnológico Capacitación energética Falta de instrumentación Insuficiente Gestión Energética Deterioro de las estructuras físicas y tecnológicas Deficiente contabilidad energética Insuficiencias en el trabajo del Consejo Energético Deficiente Gestión Administrativa Figura 2.1 Gráfico causa y efecto de la insuficiente gestión energética Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 38 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero En la figura 2.1 (gráfico de espina de pescado o gráfico causa y efecto) se pueden apreciar los diferentes elementos básicos que provocan la insuficiente gestión energética. 2.3.4 Comportamiento del consumo de los portadores energéticos Para analizar el consumo de los portadores en la entidad se obtuvo la información en la oficina del energético principal de la entidad, Departamentos de Contabilidad, Estadística y Recursos Humanos, así como datos de trabajos realizados anteriormente. La utilización racional de la energía requiere de métodos racionales que enfoquen la solución del sobreconsumo, el exceso de pérdidas, la explotación de las instalaciones, desde el punto de vista técnico-económico y ambiental. Por otra parte las diferentes soluciones y medidas a implantar están basadas en un análisis integral que se corresponda con las características específicas del consumidor. Consumo anual de portadores energéticos Para el análisis de los portadores energéticos de la entidad, en la Tabla 2.2 se partió de los datos recogidos de la facturas de los consumos de los diferentes portadores en los departamentos de economía y mantenimiento, dicha información está actualizada pudiendo comprobar que existe un control continuo en el consumo de los portadores, en el centro se consumen los siguientes datos. Con diferentes informaciones y mediciones (Año 2010) se pudo realizar el siguiente gráfico de Pareto donde se llevaron los portadores a toneladas de petróleo equivalente (TEP), se observa que la electricidad es el portador más significativo con un 64.30 %, el fuel oil un 27.10 %, el diesel 8.00 % y la gasolina es la menos significativa con un 0,60 %.Esto nos ayuda a centrar nuestro estudio de eficiencia en la electricidad siendo estos los más explotados. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 39 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero % tcc 200,00 102,00 175,00 100,00 100,00 99,83 99,61 150,00 98,00 93,92 100,00 96,00 94,00 93,92 50,00 10,60 5,69 0,00 E. Elect. 0,41 0,22 0,31 0,17 GPL Diesel Fuel Oil 92,00 90,00 tcc Portadores % % Acumulado Figura 2.2. Gráfico de Pareto de los portadores energéticos Composición de los costos por portadores El gráfico 2.3 corresponde a los costos por portadores de la instalación. Observando que la electricidad con un consumo de 130972.8 (MP) en el año 2010 es el más significativo de todos, representando en la misma el 73 % de la energía total consumida en la entidad, el consumo de la misma está determinado por los niveles de servicios de cada mes. % Acumalado 140000,00 130972,80 120,00 120000,00 100,00 100,00 80,00 73,55 60,00 60000,00 40000,00 0,00 40,00 27718,97 13874,37 20000,00 73,55 Electricidad 15,57 Gas licuado % MP 100000,00 80000,00 96,91 89,12 7,79 Fuel oíl Portadores 5495,38 3,09 Diesel 20,00 0,00 Costo (MP) % % Acumulado Figura.2.3 Estructura de los costos de los portadores energéticos Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 40 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Es significativo señalar que de los 10,9 MMP que es el presupuesto anual de la institución, al sector energético se destinan 128,6 MP, que representan el 1,18 % de los gastos 2.3.5 Generalidades del sistema de suministro eléctrico El Hospital “Guillermo L Fernández Hernández-Baquero por las características de su equipamiento y los servicios que presta está considerado un consumidor de primera categoría, este consta de un número considerable de nodos con cargas de diferente naturaleza y niveles de tensión. Esto hace que los análisis de flujo de carga sean muy complejos y requieran del apoyo de la modelación y de las mediciones de los parámetros del sistema para poder realizar una evaluación y efectuar mejoras en los índices de calidad y eficiencia de la red. A la entidad se le suministra la energía eléctrica a través de los circuitos 21 de las Coloradas o expreso y 2 del Caribe, ambos líneas de media tensión (13.8 kV). Tiene una subestación con un transformador en aceite que tiene una potencia de 1000 kVA y reduce el voltaje a 480 V. Este cuenta además con dos sistemas de generación diesel de 600 kVA = 480 kW. Cada uno para caso de emergencia. Según el esquema monolineal (Anexo 4), de dicha subestación salen dos circuitos principales: Uno que alimenta aproximadamente el 77 % de la carga nominal del hospital y el otro que alimenta aproximadamente el 23 % de la carga nominal, estos circuitos van a las pizarras de distribución (PGD), las cuales poseen breakers automáticos de donde se manipula el suministro de energía eléctrica a los transformadores ubicados en las diferentes áreas del hospital, los mismos son del tipo seco con conexión ∆/Υ aterrada. Dichos transformadores reducen el voltaje de 440 V a 220 V y 127 V con el neutro según el servicio que interese brindar, voltaje apto para la utilización de los equipos eléctricos (médicos y no médicos). Áreas o Sistemas más representativos en el consumo de portadores energéticos Los procesos más consumidores de energía eléctrica en la entidad son: ¾ Climatización y refrigeración (81 %) ¾ Sistema de Bombeo de agua (3 %) ¾ Tomógrafo (4 %) Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 41 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Comportamiento del consumo de energía eléctrica anual: El gráfico 2.4.1 muestra el comportamiento del plan y el consumo de energía eléctrica durante el año 2010, lo que comparamos con un período de 12 meses comprendido entre junio 2010- mayo 2011 (figura 2.4.2), por lo significativo del comportamiento. El mismo se obtuvo luego de analizar las diferentes facturas por meses para ver cuál ha sido el comportamiento de toda la energía eléctrica que se consumió. 80,00 MW 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 DI C V. T. NO O C B. AR ZO AB R IL M AY O JU NI O JU LI O AG O . SE PT . M FE EN ER O 10,00 0,00 REAL .Figura 2.4.1 Consumo de Energía Eléctrica Año 2010 80,00 MW 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 DI EN C ER O FE B. M AR ZO AB R IL M AY O V. NO T. O C JU NI O JU LI O AG O . SE PT . 10,00 0,00 REAL .Figura 2.4.1 Comportamiento del Consumo de Energía Eléctrica junio 2010mayo 2011 Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 42 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Estos gráficos corresponden al consumo total que se le ha facturado a la instalación, percatándonos que los meses de mayor gasto de energía en los diferentes años son los meses comprendidos desde mayo hasta octubre, a partir de estos meses comienza a estabilizarse el consumo de energía. Esto se debe a la situación que presenta el clima de nuestro país en los meses de verano, en los cuales la temperatura aumenta drásticamente y para mantener las condiciones óptimas de trabajo de los equipos de electromedicina se requiere un mayor trabajo del equipamiento de climatización, sin embargo, de acuerdo con las lecturas existe una aparente disminución en el consumo de este portador entre los meses de febrero- abril de 2011, lo que no es real, pues las lecturas estuvieron afectadas por fallas del metro contador que no fueron detectadas en el momento oportuno, ni por la contabilidad interna, ni por la OBE. Índice de consumo de electricidad: Registros históricos de servicios contra energía eléctrica En el grafico 2.5.1 se puede conocer el registro histórico de la producción y la energía consumida anual en el último quinquenio, para poder tener una breve idea del comportamiento de los portadores de estos últimos años, observándose un decrecimiento de los servicios prestados a la población en relación con la energía consumida en kWh. 1000000 900000 800000 700000 600000 500000 400000 300000 200000 100000 0 905098 813103 72021 2006 816023 71823 2007 71817 2008 Consumo (kWH) 830503 73133 2009 827792 73772 2010 838503,8 72513,2 Promedio Servicios Prestados Figura 2.5.1 Registro histórico de Servicios contra Energía Eléctrica 20062010 Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 43 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Para realizar el análisis de la electricidad primeramente se analizó la base de datos disponible del año 2010. En la siguiente figura el índice de consumo de electricidad se recuerda que el mismo está definido como la cantidad de MWh contra los servicios prestados, es decir MWh/SP. Para mostrar más claramente se muestra el gráfico del índice de consumo teniendo en cuenta la energía eléctrica consumida (Fig. 2.5.2) 0,014 0,012 MWh/SP 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 Fe b. M ar zo Ab ril M ay o Ju ni o Ju l io Ag os Se pt . O ct . No v. Di c. En er o 0,000 Indice de Consumo (MWh/SP) Figura 2.5.2 Índices de Consumo año 2010 En el gráfico 2.6 refleja el comportamiento entre el consumo de energía (MWh) contra los servicios prestados por la entidad durante el año 2010. Podemos observar que durante los meses de julio a septiembre no hay correspondencia entre los servicios prestados y el consumo de energía eléctrica, existen dos factores que justifican la disminución en la prestación de servicios, primeramente en estos meses los planes de servicios prestados son menores por vacaciones masivas del personal de la entidad y por las características de la población del territorio, que por ser mayoritariamente de otras partes del país vacacionan en sus territorios de origen. El elevado consumo energético pudiera justificarse con las altas temperaturas del verano y la necesidad de mantener el clima para la conservación y condiciones óptimas de trabajo del equipamiento electromédico que requiere un mayor consumo por climatización, sin embargo, el estudio demuestra que aún no se toman todas las medidas necesarias para lograr la correspondencia entre estos elementos, que deben ser los indicadores para medir Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 44 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero el índice de eficiencia de la institución, valorando que el IC promedio es de 0,0110 MWh/SP y en esos meses oscila entre los 0,0119 y 0,0133 MW/h/SP, al igual que 8000 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 7000 6000 S/P 5000 4000 3000 2000 1000 Fe b. M ar zo Ab ril M ay o Ju ni o Ju l io Ag os Se pt . O ct . No v. Di c. En er o 0 MWh en diciembre que se dispara hasta los 0,0147 MWh/SP (ver fig. 2.5.2) S. Prest. E. C.(MWh) Figura 2.6. Energía Eléctrica contra Servicios prestados Cuando se analiza en forma de gráfico de dispersión con coeficiente de correlación R2 ≥ 0,75, el índice de consumo de electricidad, se obtienen gráficos que demuestran la no correlación entre la cantidad de pacientes atendidos y los kWh. En el gráfico 2.6 se observa que no existe correlación con un coeficiente R² = 0.4416, además de que el valor de la pendiente es negativo. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 45 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Figura 2.7. Gráfico de Dispersión Mediante el gráfico de la figura 2.5 podemos ver que en los primeros meses del año 2010 el índice de consumo alcanza su mayor valor, debido a que históricamente se ha estudiado que en este período el plan de servicios se eleva producto a las actividades del hospital (cirugías partos, ingresos etc.) Los meses de menor índice son los de verano producto al poco personal en la entidad. Análisis de la facturación eléctrica Mediante el Acuerdo No. 3944, del Comité Ejecutivo del Consejo de Ministros, fueron aprobados, con carácter provisional hasta tanto sea adoptada la nueva legislación sobre la organización de La Administración Central del Estado, el objetivo y las funciones y atribuciones específicas de este ministerio, entre las que se encuentra la de dirigir, ejecutar y controlar la aplicación de la política de precios del Estado. Se aplicará a los servicios de consumidores clasificados como de Media Tensión con instalaciones de cogeneración u otras que generen energía eléctrica, cuya demanda máxima del SEN sea igual o inferior a su capacidad de generación (en kW) en explotación activa o mantenimientos planificados, cuya extensión sea inferior a un mes completo de la facturación de electricidad. En caso que la industria cese su explotación activa por tiempo continuo, superior a un mes completo de facturación, se aplicará en toda su envergadura la tarifa correspondiente a este nivel de voltaje. La tarifa eléctrica aplicada al Hospital Guillermo Luis Fernández Hernández- Baquero es la siguiente: Tarifa de media tensión (M-1.A) ,20h o más de servicios, $5,00 mensuales x cada kW contratado en horario pico (17:00-21:00). ¾ $ 0.083 por cada kWh consumido en el horario pico. ¾ $ 0.042 por cada kWh consumido en el horario del día. ¾ $ 0.028 por cada kWh consumido en horario de madrugada. Las industrias contratarán la máxima demanda para el control de la penalización, sobre la base de la capacidad real necesaria (capacidad real de todas las instalaciones eléctricas deducidas las capacidades de su instalación de Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 46 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero generación disponible), más la capacidad de su mayor instalación de generación propia, pero nunca mayor del 90 % de la capacidad instalada de transformación. Si la demanda máxima registrada en el horario de día y pico es mayor que la contratada, se facturará el exceso al triple del valor de la demanda de la tarifa de media tensión M-1.A., o sea $ 15,00 por kW en exceso. Se aplica la cláusula del factor de potencia. Se aplica la cláusula de ajuste por variación del precio del combustible. Se penalizará con un factor de potencia menor de 0.90. Entre 0.90 y 0.92, no habrá penalización ni bonificación, quedando la factura sin variación. Se bonificará con un factor de potencia de 0.92 hasta 0.96. Cuando el factor de potencia sea mayor de 0.96, la bonificación se calculará utilizando el valor de 0.96. En el gráfico 2.7 se muestra el análisis de la tarifa eléctrica en los años del 2008 hasta abril del 2011, donde se puede percatar que el 2011 lleva un 20% del total de los gastos de facturación. Figura 2.8. Análisis de la tarifa eléctrica por año Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 47 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Figura 2.9. Estructura de gasto de la facturación eléctrica En el gráfico 2.8 se aprecia que el consumo durante el día es el que más aporta a la facturación eléctrica con un 84 %, seguido por las penalizaciones con un 13 %, debido al bajo factor de potencia existente en la instalación. Levantamiento de cargas instaladas Para tener una idea general de las cargas instaladas en la entidad se realizó un levantamiento cuyo resultado aparece en la tabla correspondiente (Anexo 1). Como resultado del análisis realizado se tiene que, la potencia instalada es 1307.76kW. Con toda la información recuperada, es posible conocer la estructura de esta carga instalada, con la cual se tiene una idea del peso que representa cada familia de equipos en la composición global de los consumidores mostrándose estos resultados en el gráfico 2.10. Los equipos de climatización y la refrigeración son los que definen el consumo de energía eléctrica en el hospital. Como se observa en este gráfico, el mayor peso de consumo en la carga instalada en la entidad recae sobre la climatización, la cual representa un 81 %, seguida por los equipos de lavandería los cuales suman un 4 %, continúan la iluminación general con un 3 %, al igual que los equipos de electromedicina con un 2 % y por último los equipos de cocina y esterilización que son los menores consumidores del hospital. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 48 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Estratificando el consumo de potencia activa a partir de cálculos estimados del tiempo de trabajo de todas las cargas del hospital se pudo realizar un gráfico de Pareto. Se tomó como base la misma estructura de la potencia instalada pero en este caso el gráfico de barra y el de por ciento acumulativo indican que entre la climatización, tomógrafo y la iluminación general se consume aproximadamente el 90 % de la energía eléctrica (Ver gráfico 2.10.). Figura 2.10. Estructura de las cargas instaladas Figura 2.11. Gráfico de Pareto del pronóstico de la demanda tomando como referencia la estructura de la carga instalada Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 49 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Figura 2.12. Comportamiento de las potencias Activa, Reactiva y Aparente El gráfico 2.11 representa el comportamiento de las potencias trifásicas P, Q, y S de la entidad. Con este gráfico se llegó a la conclusión de que el mismo está subcargado, donde el mayor valor de la potencia aparente en ese año es de 250 kVA lo que equivale a un coeficiente de carga del transformador de un 25 % aproximadamente, por debajo de la capacidad nominal del transformador que es de 1000 kVA. Además se puede observar en la figura que la diferencia entre el consumo de potencia activa y aparente es muy pequeña a consecuencia del bajo consumo de reactivos de manera general, lo cual se manifiesta en un factor de potencia que oscila entre 0.83 y 0.87. Análisis del comportamiento del factor de potencia en el Hospital en el transcurso del año 2010 El factor de potencia energéticamente hablando es la relación entre la potencia activa y la potencia aparente del circuito, es una medida del grado de aprovechamiento de la energía eléctrica; como se muestra en el gráfico 2.12 el factor de potencia en el del hospital se encuentra fuera de los parámetros establecidos para un óptimo funcionamiento, por lo que se concluye que existe una descompensación del factor de potencia que requiere una atención inmediata. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 50 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Para el análisis del comportamiento del factor de potencia en el sistema se puede ver en la figura donde existe un bajo factor de potencia incluso con valores muy pequeños como 0.50, esto es debido a la falta de instalación de banco de condensadores que regulen el cosφ del centro. En las lecturas dio un promedio de 0.83 lo que demuestra la falta de instrumentos y de tecnología para la regulación del mismo. Figura 2.13. Historial del Factor de Potencia (Ver Anexo 1) Figura 2.14. Importe por penalización del Fp. (Anexo 1) Como se ha podido observar en el gráfico 2.13 los años que más han afectado la economía del hospital producto de las penalizaciones del bajo factor de potencia ha sido el año 2010, la cifra estaba valorada en más de 8000 CUP, con respecto al 2011 el estudio se realizó hasta abril y lleva más de $2000 CUP, por eso es Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 51 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero preciso la reducción en el costo de la electricidad para mantener un el nivel de consumo de potencia reactiva por debajo del valor penalizable, según el sistema tarifario en vigor. Ya que un factor de potencia alto permite la optimización de los diferentes componentes de una instalación. Se evita el sobredimensionamiento de algunos equipos, sin embargo, para lograr los mejores resultados a nivel técnico, la corrección debe llevarse a cabo lo más cerca posible de los receptores. 2.3.6 Resultados de la aplicación de las herramientas de la Gestión Energética Cálculos de beneficios económicos en la institución Cálculos de beneficios potenciales para mejorar el factor de potencia Si se conecta al hospital un banco de condensadores, se podrá ahorrar anualmente una suma de dinero considerable, pudiendo realizar de esta forma otras inversiones en beneficio de la entidad. Tabla 2.3 Beneficios potenciales Factor de Potencia Mejora del Factor de Potencia en HGLFHB Beneficios potenciales kWh/año $ /año - 1274.4 Método de cálculo estimado empleado Los beneficios económicos se pueden obtener empleando los siguientes datos y ecuaciones: Tabla 2.4 Datos para el cálculo estimado (FPD) Factor de potencia deseado (0.94) 200.4 (FPB) Factor de potencia base (0.92) 9419.33 (Ippa)Importe por penalización anual 1074 (Itpa) Importe total promedio anual 10493.33 Ecuación para determinar el Importe por FP = 0.9 anual (IFP=0.90) Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 52 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero IFP(0.90 ) = Itpa − Ippa Ecuación 2.1 Importe por Factor de Potencia Ecuación para determinar el Importe por Bonificación por elevar el FP a 0.94 (IFP=0.94): IFP ( 0 . 94 ) = ⎡ ⎛ 0 . 92 ⎢ ⎜ 0 . 94 ⎣⎝ ⎤ ⎞ ⎟ − 1 ⎥ xIFP ⎠ ⎦ ( 0 . 90 ) Ecuación 2.2 Importe por Bonificación Ecuación para determinar el Importe Ahorrado Anualmente (IAA) IAA = IFP (0.90 ) + IFP(0.94 ) Ecuación 2.3 Importe horrado anualmente Beneficios potenciales para mejorar la demanda contratada Tabla 2.5 Demanda contratada Demanda Contratada Beneficios potenciales kWh/año Demanda contratada mayor a la real registrada $ /año 3975.00 Tabla 2.6 Datos para el cálculo estimado Los beneficios económicos se pueden determinar empleando los siguientes datos y ecuaciones: (DMC) demanda máxima contratada: 220 (DMRP) demanda máxima real promedio: 123 (DMR) demanda máxima registrada: 133 (PKDC) precio por cada kW de demanda contratada: 5 Ecuación para el cálculo de la demanda máxima contratada propuesta: Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 53 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero MDP = DMRP.100% 80% Ecuación 2.4 Demanda máxima contratada Ecuación para el cálculo del beneficio potencial ($/año): BP = (DMC − MDP ).PKDCx12 Ecuación 2.5 Beneficio Potencia En el análisis de iluminación se hizo un levantamiento de la cantidad de lámparas, cuyo resultado se recogen, donde se pudo comprobar que existen aún un número considerables de lámparas que podrían ser sustituidas, de 40 W por 32 W. Esto le traería a la entidad grandes beneficios debido a que si se hacen estos cambios se podrá ahorrar anualmente una suma de dinero considerable. Método de cálculo empleado La Energía Eléctrica Ahorrada se puede determinar empleando los siguientes datos y ecuaciones: Tabla 2.7 Beneficios por cambios de lámparas ineficientes Fuente de Luz propia Cambio de 839 lámparas fluorescentes ineficientes (40W) x lámparas fluorescentes eficientes (32 W). Beneficios potenciales kWh/año $ /año 73730 11059.5 Tabla 2.8 Datos para el cálculo estimado (PLNE) Potencia instalada de las lámparas no eficientes existentes (kW) 33.6 (PLE) Potencia instalada de las lámparas eficientes (kW) 13.4 (Tal) Tiempo de trabajo anual del alumbrado 3650 Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 54 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Ecuación para el cálculo de (CLNE), consumo de lámparas no eficientes existentes (kWh) CNLE = PLNE .Tal Ecuación 2.6 Consumo de lámparas no eficientes Ecuación para el cálculo de (CLE), consumo de las lámparas eficientes (kWh) CLE = PLE.Tal Ecuación 2.7 Consumo de lámparas eficientes Ecuación para el cálculo de la Energía Eléctrica Ahorrada (Ea): Ea = CLNE − CLE Ecuación 2.8 Energía Eléctrica Ahorrada Nota: En la realización del cálculo se tuvo en consideración como promedio el factor de uso de las luminarias en los diferentes locales alrededor de 10h. Falta de insulación en las redes de vapor: Tabla 2.9 Insulación en las redes de vapor Insulaciones en las redes de Vapor Insulación de 28m de tuberías de 2” y de 8 válvulas de las redes distribución de vapor Beneficios potenciales kWh/año $ /año 1 715.5 248.75 Método de cálculo empleado Se tuvo en cuenta para el cálculo la diferencia de temperatura de trabajo del vapor con el medio ambiente (125 grados C) y la presión del vapor (8.5 atm), el diámetro (2”) y longitud del cada tramo de tubería sin insular (28m) y por tablas se determinó las pérdidas de energía en k Cal/metros lineales * hora; se empleó la siguiente fórmula para el cálculo de las pérdidas en ton * hora fuel oíl. Se asumió que cada válvula sin insulación representa 1 m de tubería sin insular (8 válvulas = 8 m). Pérdidas (ton * hora) = (# metros x k Cal/metros lineales * hora) / (9 600 k Cal/Kg. x 1 000 Kg. / ton) Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 55 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Tabla 2.10 Datos de beneficio de las tuberías de vapor Diámetro Longitud Pérdidas Ton / hora (Inch) (m) (kcal/metros lineales*hora) 2 28 399 0.0012 Se llevó este total x hora a 4 horas diarias de trabajo de la caldera = 0.028 ton * día, se convirtió la ton de Fuel oíl a TCC utilizando el factor de conversión 0.9903 =0.028, este resultado se divide por el factor de conversión de TCC a Electricidad (0.340) = 0.082 MWh * día x 1000 = 82 kWh*día x 365 días al año = 29930 kWh/año. Falta de hermeticidad en locales climatizados Tabla 2.11 Beneficios potenciales en los locales climatizados Locales Climatizados Lograr la hermeticidad en paredes, evitar filtraciones donde están instalados los aires (Terapia intermedia, Cardiología, Cuerpo de guardia, etc.). Beneficios potenciales kWh/año $ /año 3532.032 529.8048,00 Método de cálculo Potencia instalada 18 aires acondicionados (kW): (18 aires acondicionados x 560 W)/1000 = 10.08kW Se le aplica el 4 % de pérdidas x Falta de Hermeticidad = 0.4032 kW Tiempo de trabajo: 8 h/día Potencia ahorrada anual (kWh/año) = (Potencia Instaladas x pérdidas)/100 x Tiempo de trabajo x 365 días= 0.4032 kW x 24 h x 365 días = 3532.032 kWh/año Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 56 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Principales oportunidades de beneficios potenciales detectadas Tabla 2.12 Beneficios potenciales Benef. Potenciales Descripción 1 2 3 4 5 Cambio de 839 lámparas fluorescentes ineficientes (40W) x lámparas fluorescentes eficientes (32 W) Logrando la hermeticidad en Locales Climatizados Insulación de 28m de tuberías de 2” y de 8 válvulas de las redes de distribución de vapor Demanda contratada mayor a la real registrada Mejora del Factor de Potencia en Hospital Guillermo Luis kWh/año $ /año 73730 11059.5 3 532.032 529.80 1 715.5 248.7 215 865 3975.0 168298 1274.4 - - - - 463 140.5 17087.4 Aplicación de métodos de estimulación para el uso 6 racional de portadores energéticos que se vinculen directamente con el desempeño de cada trabajador en el centro. Aplicación de medidas disciplinarias, administrativas 7 o de otra índole ante violaciones de lo establecido en el Programa Energético. Total Implementación del Sistema de Gestión Energética ¾ Mantener el máximo de eficiencia en el almacenamiento, distribución, consumo y utilización de la energía y sus residuales, con el propósito de seguir la disminución sistemática de los índices de consumo e influir de forma decisiva en la mejoría de los servicios prestados por el Hospital. ¾ Mantener una adecuada organización y control de la contabilidad de los portadores energéticos. ¾ Desarrollar una ética de la conservación de la energía, favoreciendo la protección del Medio Ambiente. ¾ Tomando como guía el Capítulo 8 del Manual para la organización de la dirección técnica en la producción, referido a la Gestión Energética, como un Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 57 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero instrumento didáctico y práctico, mantener un trabajo dinámico, que nos permita una labor más eficiente en todo lo concerniente a los portadores energéticos. ¾ Perfeccionar la metodología y ejecución de las Inspecciones y Auditorías Energéticas, de forma que quede en cada una de ellas bien definido dónde están las dificultades, cuantificando las pérdidas y dictando las medidas concretas y necesarias para su erradicación. ¾ Determinar dónde están las potencialidades de ahorro de portadores energéticos y confeccionar los programas para su explotación. ¾ Confeccionar el Programa de Ahorro de Electricidad en Cuba (PAEC), Plan y Programa de Economía Energética con mejor calidad, compatibilizado con el Plan de Negocios y el aseguramiento de los presupuestos para la ejecución de las inversiones, de ser estas necesarias. ¾ Preparar un personal capacitado para integrar el Grupo de Economía Energética, que sea capaz de enfrentar cualquier reto técnico que se le presente. ¾ Mejorar la vinculación que existe entre el comportamiento de los indicadores energéticos y los resultados económicos. ¾ Establecer dentro del sistema de estimulación la bonificación por ahorros de portadores energéticos, en especial al personal que influye directamente en esos ahorros. ¾ Integrar la preparación, la divulgación y la información energética, a fin de aumentar la educación hacia el control y el uso racional de la energía. ¾ El Sistema de Gestión Energética elaborado para implantarlo en el Hospital debe estar confeccionado a partir de la integración de diez elementos fundamentales: Estructura y organización del Grupo de Economía Energética: ¾ Auditoría Energética ¾ Programa de Economía Energética ¾ Reglamentación Técnica de Equipos y Sistemas, para asegurar el Uso Racional de la Energía ¾ Planificación Energética ¾ Inspección Energética Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 58 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero ¾ Investigación e Innovación Tecnológica ¾ Preparación del Personal y Divulgación Energética ¾ Evaluación de resultados 2.4 Plan de medidas cuantificado para dar solución al banco de problemas energéticos Para la mejor utilización de los equipos y así lograr un incremento de la eficiencia energética, se trazaron un grupo de medidas: Energía Eléctrica ¾ Garantizar la lectura diaria del metro contador del hospital en general. ¾ Realizar mensualmente auditorías energéticas en toda el área del hospital. ¾ Se hará uso racional de los elevadores, solo se moverá en ellos el personal que realmente lo necesite. (de 3 solo se quedará 1 trabajando después de las 5pm.Se ahorra 22kWh). ¾ Se desplazará el funcionamiento del horario pico (5pm-9pm.22kW) el uso racional de todos los motores eléctricos, motobombas para agua, etc. ¾ Mantener limpios los bombillos ahorradores y luminarias fluorescentes, así como los acrílicos que protegen las lámparas para no disminuir el nivel de iluminación del hospital. ¾ Desconectar los trasformadores de lámparas que no se usen, ya que están deterioradas y tratar de recuperarlos en mantenimiento (ahorro 1.1kWh). ¾ Garantizar el mantenimiento de todos los motores, incluyendo el alineamiento y engrase de los puntos móviles de apoyo, para así brindar una operación segura y con buena eficiencia energética (ahorra 140kWh diario). ¾ Evitar que el tanque de agua elevado y los dos de reserva de nefrología se desborden y así se logrará ahorrar agua y electricidad (ahorra 11kWh). ¾ Instalar banco de condensadores para así mejorar el factor de potencia y evitar las penalizaciones de la OBE (ahorra $300.00 mensual promedio). ¾ Seccionalizar los circuitos eléctricos de iluminación (ahorra hasta un 30%). Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 59 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Refrigeración ¾ Asegurarse que las puertas cierren herméticamente, revisando periódicamente las juntas para que sellen correctamente (ahorra 400kWh diario). ¾ No introducir productos calientes en las cámaras de refrigeración (ahorra 2220kWh diario). ¾ No sobrecargar de productos los refrigeradores ni las cámaras, solamente mantenerlas a su capacidad normal. (ahorra 400kWh). Climatización ¾ No utilizar los acondicionadores de aire no tecnológicos en los horarios picos, instalar brazos hidráulicos y bisagras de vaivén en las puertas de los locales climatizados, no abrir estas puertas frecuentemente ya que así se pierde energía (en 5 horas 16.8 kWh). ¾ Limpiar cada 15 días los filtros de los acondicionadores de aire y los Split para evitar sobre consumo. Fijar el termostato de los equipos a 24 grados centígrados (4.5 kWh). ¾ Revisar los salideros de aire por ventanas y puertas (ahorra hasta un 20%, 18 kWh). ¾ Plantas Eléctricas Auxiliares (Grupo Electrógenos) Volvo - Penta 600kVA. ¾ Maximizar la utilización de las plantas en horarios picos, se alimentará un 73 % de todo el hospital y no de la red nacional. Se ejecutará esta acción en cuanto la OBE lo solicite. Hasta 250 kWh cuando se necesite. ¾ Controlar el consumo de diesel y el tiempo de trabajo de las Plantas Eléctricas. ¾ Evitar que las mismas trabajen por debajo de su carga nominal ya que son en estos casos ineficientes. 2.5 Sistema de Gestión Total Eficiente de Energía en la entidad La utilización racional de la energía requiere de métodos racionales que enfoquen la solución del sobre-consumo, el exceso de pérdidas, la explotación de las instalaciones, desde el punto de vista técnico-económico y ambiental. Por otra parte las diferentes soluciones y medidas a implantar están basadas en un Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 60 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero análisis integral que se corresponda con las características específicas del consumidor. Para lograr la eficiencia energética de forma sistemática es necesaria la aplicación apropiada de un conjunto de conocimientos y métodos que garanticen esta práctica. Ellos deben ser aplicados a los medios de trabajo, los recursos humanos, los procesos, la organización del trabajo, los métodos de dirección, control y planificación. A tal efecto, se ha desarrollado una tecnología para la Gestión Energética en las entidades, que sintetiza la experiencia, procedimientos y herramientas obtenidas en la labor por elevar la eficiencia y reducir los costos energéticos en la industria y los servicios. Acciones para implementar Sistema de Gestión Total Eficiente de la Energía ¾ Capacitación al Consejo de Dirección y especialistas en el uso de la energía. ¾ Establecimiento de un nuevo sistema de monitoreo, evaluación, control y mejora continua del manejo de la energía. ¾ Identificación de las oportunidades de conservación y uso eficiente de la energía en el hospital. ¾ Proposición, en orden de factibilidad, de los proyectos para el aprovechamiento de las oportunidades identificadas. ¾ Organización y capacitación del personal que decide en la eficiencia energética. ¾ Establecimiento de un programa efectivo de concienzación y motivación de los recursos humanos del hospital hacia la eficiencia energética. ¾ Preparación de la entidad para auto diagnosticarse en eficiencia energética. 2.5.1 Propuestas de inversión para la institución El Hospital ha sido penalizado por bajo Factor de Potencia en estos últimos años, por lo que proponemos mejorarlo mediante la instalación de un banco de condensadores que logre disminuir el consumo de reactivo con la consecuente mejora del factor de potencia, lo que permite la disminución de las pérdidas en todo el sistema y podemos liberar capacidades en los equipos, reduciendo las caídas de tensión, así como lograr que la instalación en su conjunto tenga un factor de potencia superior. Esto reduce el costo de electricidad, cuando la tarifa Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 61 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero incluye recargos por bajo factor de potencia y bonificaciones por valores elevados, lo cual suele ser la mayor ventaja económica de esta propuesta. La potencia reactiva no puede ser anulada debido a que muchos equipos la utilizan para su funcionamiento, sin embargo su circulación por transformadores y líneas de las instalaciones produce pérdidas de energía, lo que hace necesario llevar de la mano estos elementos inversamente proporcionales para solucionar satisfactoriamente el problema. Tenemos que el factor de potencia actual en la instalación es de 0.83 por lo que es necesario instalar un banco de condensadores, para que este sea elevado a 0.94 y de esta forma la instalación sería bonificada. Cálculo del banco de condensadores para el mejoramiento del Factor de Potencia Datos: Pn= Potencia Aparente nominal cos ϕ (real ) = 0,83 cos ϕ (deseado ) = 0,94 Pa= Potencia Activa demandada Qc= Cantidad de reactivo necesario para compensar Q= Potencia reactiva Sn=1000kVA Cálculos: Ecuación 2.9 Potencia activa Pa = Sn ⋅ cos ϕ (0,83) Pa = 830kW Mejora del Factor de Potencia: Ecuación 2.10 Qc = Pa.(0,309 ) Qc = 257ckVAr Se necesitan 0.309 kVAr por cada kW de la carga para mejorar el factor de potencia (Ver Anexo 1). Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 62 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Para una carga de 830 kW se necesitan 256.47kVAr de compensación de reactivo. Compensación en los terminales del transformador: Ecuación 2.11. Potencia reactiva Q = Sn 2 − Pa 2 Q = 557,76kVAr Ecuación 2.12. Potencia reactiva del sistema Qsist = Q − Qc Qsist = 301,29kVAr Ecuación 2.13. Potencia aparente S1 = Pa 2 + Qsist 2 S1 = 882,9kVA Comprobación del cos ϕ cos ϕ = Pa S1 cos ϕ = 0,94 Compensación para incrementar la potencia activa disponible Para una carga de 100kW y un factor de potencia de 0.83 inductivo, la potencia aparente de la carga adicional es de: Ecuación 2.14. Potencia aparente para una carga adicional S2 = P(c arg aadicional ) fp (inductivo ) S 2 = 125kVA La potencia reactiva para la carga adicional sería Ecuación 2.15 Potencia reactiva para una carga adicional Q2 = S 2 2 − P2 2 Q 2 = 75kVAr La potencia total a alimentar será: Ecuación 2.16 Potencia total Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 63 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Pt = P1 + P 2 Pt = 930kW La máxima capacidad reactiva de un trasformador de 1000 kVA cuando entrega 930 kW sería: Q2 = S 2 2 − P2 2 Q 2 = 367 kVAr La potencia total demandada por la instalación después de conectada la carga adicional sería: Ecuación 2.17 Potencia reactiva total Qt = Q1 + Q 2 Qt = 632,7kVA El banco mínimo de capacitores a instalar es: Qc = 265,76kVAr Cálculos de las pérdidas por transformación antes de la compensación Datos: Pfe = Pérdidasenelhierro2,594kW T 1 = T 3 = Tiempo det rabajodeltransformadorenhoras ⋅ 720h Pcu = Pérdidasenelcobre ⋅ 11,115kW Ecuación 2.18. Pérdidas por transformación antes de la compensación: 2 ⎛ kVAr ⎞ Pt (ac ) = Pfe ⋅ T 1 + ⎜ ⎟ ⋅ Pcu ⋅ T 3 ⎝ kVAn ⎠ Pt (ac ) = 110282,90 / año Pérdidas después de la compensación: Ecuación 2.19 Pérdidas por transformación después de la compensación: 2 ⎛ S1 ⎞ Pt (dc ) = Pfe ⋅ T 1 + ⎜ ⎟ Pcu ⋅ T 3 ⎝ kVAn ⎠ Pt (dc ) = 96350,03kW / año Ahorro en pérdidas después de la compensación: Ecuación 2.20 Ahorro en pérdidas después de la compensación: Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 64 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero ∆Pt = Pt (ac ) − Pt (dc ) ∆Pt = 168298,44kW / año Capacidad Liberada: Ecuación 2.21. Capacidad liberada: kVA1 = Pa cos ϕ1 kVA1 = 954 Ecuación 2.22. Pérdidas: kVA2 = kVA1 ⋅ (cos ϕ1 − cos ϕ 2 ) kVA2 = 882,95 kVA2 = kVA1 − kVA2 kVA2 = 71,05 2.5.2 Valoración Económica A continuación se presenta un estudio del impacto que produce la compensación de la potencia reactiva en los sistemas eléctricos, para ello se han cuantificado las pérdidas actuales que se tienen en el sistema, el costo que representa la implementación de las inversiones necesarias y el tiempo de recuperación. Los indicadores dinámicos para la evaluación de las inversiones, parten del desarrollo de un modelo, en el que se consideran las entradas (ingresos) y las salidas (gastos) de efectivo a causa de realizar el proyecto, calculando el flujo resultante en varios años. Costo de los Bancos de condensadores El costo estimado de los bancos de condensadores se valora según la oferta de la firma suministradora, en el caso que se ocupa la firma suministradora es la Corporación COPEXTEL, S.A., esta firma ya incluye el costo de los bancos de condensadores. Bancos de capacitores automáticos 230 y 440 V, 3Ø, 60 Hz, compuestos de condensadores VARPLUS2 con membrana de supresión, resistencia de descarga y fusible de protección incluidos. Construidos con materiales compatibles con el ambiente, Regulador Automático / Manual NR-6 con microprocesador y protecciones (desconexión y reconexión automática) por regulación inestable, baja tensión, sobretensión, sobretemperatura, sobrecargas armónicas, Disyuntor Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 65 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero General interbloqueado con la puerta. MARCA MERLIN GERIN. Contactores TELEMECANIQUE tipo LC1. Tabla 2.13 Costos de transformadores No. Descripción Costo Total (CUC) 1. Banco de Condensadores de 260 kVAr 3120 Ahorro en pérdidas eléctricas Cuando se realiza la compensación en cualquier entidad, se reduce en gran medida las pérdidas, permitiendo un ahorro monetario. Tabla 2.14. Ahorro en pérdidas eléctricas Pérdidas AC Pérdidas DC Ahorro pérdidas 110282.90 kW/año 96358.03 kW/año 168298 kW/año Tiempo de recuperación de la inversión Ta = Inversióntotal / penalizaciones + ahorroenpérdidas Ta = 0,013 La inversión se recupera en menos de un mes aproximadamente. Resultados de la inclusión en el sistema eléctrico del Banco de Condensadores: ¾ Ahorro por pérdidas de energía eléctrica 168298 kW/año. ¾ Ahorro por concepto de penalización en el orden de $ 58983.24 MN al año. ¾ Pago por concepto de bonificación que equivale $ 14880.27 MN al año. Otro aspecto a tener en cuenta es la disminución de la demanda contratada desde valores de (300 kW hasta 220 kW), representa una disminución en cuanto al pago por demanda contratada de $ 3975. Facturación: Importe Cargo Variable (ICV) = [(Prp * Cp) + (Prd * Cd)] * K Cargo Variable = [(0.083*108874) + (0.04*449273)] * 1.486 = 40133.089 Importe Cargo Fijo (ICF) = Prcf * Dc Cargo Fijo = 5.00 * 250 = 1250 Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 66 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Importe de pérdidas IPerd =168298 Importe Facturación Normal (IFN) = ICF + ICV + IPERD (IFN) =58281.089 Importe Factor de Potencia (IFP) = IFN * [(fp normal / fp real) – 1] Penalizaciones: Caso 1 Penalización: IFP = 58281.089*[(0.90/0.83) – 1] IFP = 4915.27*12=58983.24 Bonificación: IFP = 58281.089* [(0.92/0.94)-1] IFP = -1240.023*12 = -14880.27 al año 2.6 Conclusiones del capítulo: En el capítulo fueron objeto de análisis los consumos históricos de portadores energéticos, mediante los cuales se pudo constatar que los mayores consumos de la empresa recaen en la Electricidad con un 94.02 %. Dentro del análisis se observó que existe un factor de potencia de 0.83 y se establecieron los Índices de consumo del Hospital. Mediante la supervisión energética realizada se conocieron los problemas existentes con respecto al nivel de conocimiento de los trabajadores sobre gestión y eficiencia energética, el estado del equipamiento y las instalaciones, los cuales afectan la operatividad y fiabilidad del sistema. Las principales dificultades detectadas están referidas fundamentalmente a: ¾ Insuficiente análisis de los índices de eficiencia energética ¾ Desconocimiento de la incidencia de cada portador energético en el consumo total ¾ La instrumentación es insuficiente para el control de la eficiencia energética ¾ No existen mecanismos efectivos para lograr la motivación por el ahorro de energía. ¾ Sistema de información y planificación energética poco efectivos Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 67 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero ¾ Desconocimiento por los trabajadores de la tarifa aplicada a la empresa ¾ Los equipos más consumidores no cuentan con metas de consumo ¾ No existe un sistema de divulgación interno de las experiencias en materia de ahorro de energía. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 68 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero CAPÍTULO III: Sistema de Gestión Ambiental y particularidades del tratamiento de residuales 3.1 Introducción En el presente capítulo se abordan los temas fundamentales relacionados con el diagnóstico de las prioridades ambientales y las particularidades del sistema de tratamiento de residuales en este centro asistencial. Se parte de un análisis del Sistema de Gestión Ambiental y posteriormente se destacan las fortalezas y debilidades en este sentido. Se realiza un análisis de las principales deficiencias en el SGA y se determinan los aspectos ambientales a resolver, así como el comportamiento al tratamiento de residuales y los resultados de la aplicación de las herramientas de la Gestión Ambiental, basadas en las normas cubanas e internacionales establecidas a tal efecto. 3.2 Generalidades del Sistema de Gestión Ambiental: Existen muchas formas de definir un SGA, pero evidentemente todas ellas se refieren al mismo concepto. Por ello, podemos tomar a modo de primera definición, la recogida en la ISO 14001: Un Sistema de Gestión Ambiental, “ es la parte del sistema general de gestión que incluye la estructura organizativa, la planificación de las actividades, las prácticas, las responsabilidades, los procedimientos, los procesos y los recursos para desarrollar, implantar, llevar a efecto, revisar, y mantener al día la política medioambiental.” No obstante, existen otras formas de definir un SGA, que son más fácil de interpretar para todos como la siguiente: Un Sistema de Gestión Ambiental, “ es un conjunto de procedimientos, técnicas y elementos organizativos y de control, sencillos, que adaptados a las particularidades de una empresa, tienden a conseguir tres objetivos claves: 1. El cumplimiento de la legislación ambiental 2. La mejora del comportamiento ambiental 3. La comunicación externa de estos hechos Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 69 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Objetivos de la implantación de un SGA Este tipo de sistema tiene como principales objetivos los siguientes: 1. Conocer el nivel del cumplimiento de la normativa medioambiental de la organización donde se implanta. 2. Evaluar y reducir los posibles impactos ambientales actuales y futuros de actividades y servicios. 3. Mejorar la relación con las administraciones competentes y la imagen externa de actividades y productos. 4. Aumentar la competitividad mediante la racionalización de aquellos procesos que generen residuos y emisiones. 5. Anticipar los requerimientos de sus propios clientes. 6. Mejora de la imagen para evitar posibles conflictos de la organización con la comunidad donde se integra la organización. Metodología a seguir en la creación de un SGA: Si se quiere ahorrar tiempo y recursos al implantar un Sistema de Gestión Ambiental, es importante seguir un plan de acción sencillo y efectivo. Los pasos a seguir podrían ser los siguientes: 1. Obtención del compromiso de la dirección, que ha de apoyar el SGA y comunicar este compromiso a toda la organización. 2. Escoger un equipo responsable para la creación e implantación del SGA con suficiente formación medioambiental y conocimiento de la estructura y funcionamiento de la organización. 3. Preparar un esquema con las tareas a realizar y un presupuesto que incluya los gastos de personal, de formación, de consultores externos, y de los materiales y equipos necesarios. 4. Formación de un equipo de coordinación de la implantación, con presencia de representantes de todas las áreas de la organización. 5. Involucrar a los trabajadores que son los mejores conocedores de la actividad que se desarrolla en la empresa. 6. Evaluación inicial para conocer el estado actual de la empresa, observar las prácticas ambientales que se llevan a cabo y determinar las posibles áreas donde es posible mejorar. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 70 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero 7. Modificación de la planificación en función de los resultados de la etapa anterior, y establecer los recursos necesarios para ello. 8. Preparación de los procedimientos de actuación necesarios y de la documentación necesaria. 9. Verificar un plan de acción flexible que permita adaptarse a los cambios que se puedan presentar en el futuro. 10. Formación de los empleados, principalmente se debe informar a éstos de los impactos de las actividades que llevan a cabo y de los nuevos procedimientos para minimizar los mismos. 11. Asegurar las mejoras continuas mediante auditorias y controles periódicos. Política Ambiental Revisión por la Dirección Planificación Comprobación y acción correcta - Aspectos ambientales - Requisitos legales - Objetivos y metas - Programas - Seguimiento y medición - No conformidades y acciones correctoras y preventivas - Registros identificables - Auditorias del SGA Implantación y funcionamiento - Estructuras y responsabilidades - Formación, sensibilización y competencia - Comunicación - Documentación y control - Planes de emergencia Fig. 3.1 Elementos que integran un Sistema de Gestión Ambiental Según directrices propias Reconocimiento interno Según normativa Reconocimiento externo NC-ISO-14001 Requerimientos Adicionales Automáticamente R/135-2006 del CITMA Figura 3.2. Opciones de implantación de un SGA Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 71 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero MOTIVACIONES Y VENTAJAS DE LA IMPLANTACIÓN DE LOS SGA La implementación de un Sistema de Gestión Medioambiental es una práctica voluntaria de una empresa. A pesar de ello, comienza a considerarse necesaria por muchas razones: -Creciente rechazo hacia las empresas que degradan el medio ambiente. -Aumento del interés de los ciudadanos por aquellas organizaciones y productos con algún tipo de distintivo ambiental. -Gran incremento de la normativa ambiental que dificulta que se garantice su cumplimiento. -Demanda de las empresas a sus proveedores de una garantía de un buen nivel de gestión ambiental. -Posibilidad de aprovechar mejor los recursos y reducir el volumen de residuos y emisiones generados. Presión Social Presión Legislativa Implantación del SGA Ventajas Competitivas Presión de Mercado Mayor Rendimiento Figura 3.3. Motivaciones para la implantación de un SGA Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 72 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Aparte de las motivaciones anteriores, el éxito de la implantación de un SGA también radica en la gran cantidad de ventajas directas e indirectas y que en la totalidad de los casos se pueden traducir en beneficios económicos. Los beneficios potenciales de la implantación de un SGMA podrían ser los siguientes: 1. Ahorro de costos a medio y largo plazo - Gracias a la revisión del sistema productivo se consigue disminuir el consumo de materias primas, agua y energía. A la vez que ello comportará una optimización de los costes derivados de la gestión de los residuos y emisiones que se generan. - La disminución del riesgo de accidentes, con el correspondiente ahorro costes - derivados (indemnizaciones, trabajos en de descontaminación, etc.). Supone reducir considerablemente la probabilidad de recibir una sanción por incumplimiento de la normativa ambiental y sus costes asociados. 2. Mejora de la imagen - Acredita frente a terceros, clientes, administración, empleados y público en general su correcta gestión ambiental, de forma que mejora sustancialmente la imagen corporativa de la organización. 3. Cumplimiento de la legislación y mejora de las relaciones con la Administración Ambiental A tal efecto basamos el estudio a partir de lo dispuesto en las Normas Cubanas establecidas a tal efecto (NC 133-202; NC 133-202-1; NC 134-202; NC 135-202; NC 39/99 e ISO 14001), así como la Norma Internacional ISO/FDIS 50001, con el cumplimiento de las mismas garantizamos: - Asegura el cumplimiento de la legislación ambiental. - Permite adoptar una política activa frente a futuras regulaciones. - Evita posibles sanciones e infracciones mediante su prevención. - Facilita la concesión o renovación de permisos o licencias, así como la obtención de ayudas públicas para llevar a cabo actuaciones medioambientales. 4. Aumento de la motivación de los empleados - Un punto importante a considerar en los SGA es la implicación de todo el personal en el cumplimiento de los objetivos fijados, así como en la necesidad de que el personal reciba la formación adecuada para el correcto Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 73 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero desarrollo del sistema. Las principales ventajas de implementar un SGA en una organización se refieren a los siguientes aspectos: • Tiende al cumplimiento de la legislación ambiental vigente • Reduce los gastos innecesarios • Mejora la imagen corporativa • Aumenta la competitividad • Mayor motivación de los empleados 3.2.1 Prioridades Ambientales y personas que deciden en las mismas El estudio minucioso de las áreas donde se genera el mayor volumen de los residuales, tanto sólidos como líquidos y emanaciones gaseosas al ambiente (peligrosos o no) en esta institución, arrojó los siguientes resultados: Tabla 3.1 Prioridades ambientales PRIORIDAD Morgue Laboratorio Patológica AREA OPERTARIO Anatomía Patológica Anatomía Anatomía Patológica Biseladores (2) Auxiliares (3) Técnicos (3) Auxiliares (3) JEFE INMEDIATO J´ Dpto. y J´ Servicios J´ Dpto. y J´ Servicios J´ Dpto. y J´ Servicios J´ Dpto. y J´ Servicios J´ Dpto. y J´ Servicios J´ Dpto. y J´ Servicios J´ Dpto. y J´ Servicios Incinerador Servicios Operador (1) Banco de Sangre Lab. Clínicos Auxiliares (3) Cuidados Intensivos C. Intensivos Auxiliares (3) Salones quirúrgicos (2) Cirugía Auxiliares (2) Salón de Parto Ginecología Auxiliares (4) Enfermería (18) Salas de hospitalizados Auxiliares (21) y Cuerpo de Guardia J´ Dpto. (18) y J´ Servicios Servicios J´ Servicios Evacuación residuales de Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera Obreros (2) 74 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero De la tabla anterior se desprende que se cuenta con 26 prioridades que generan la mayor cantidad de residuales, definidos dentro de 8 áreas, donde se involucran 45 operarios y 25 jefes inmediatos, sobre los cuales debe centrarse la atención, pues en ellos se concentra la responsabilidad del manejo y evacuación de estos residuales. Diagnóstico socio-ambiental al personal que incide en las prioridades ambientales de la institución: ¾ Bajo nivel escolar de los operarios. ¾ Insuficiente preparación en lo referido a Gestión Ambiental y salud del trabajo de los operarios y J´ inmediatos. ¾ No existe motivación ni compromiso con la Gestión Ambiental en los operarios, J´ inmediatos y directivos. ¾ No tienen conciencia del papel que juegan en la Gestión Ambiental de la institución y el entorno ni los operarios, J´ inmediatos ni directivos. ¾ Realizan mecánicamente sus labores atendiendo a la rutina, sin que exista una preparación previa para ocupar los puestos. ¾ No existe atención priorizada ni a operarios, ni jefes inmediatos. ¾ No cuentan con los medios de protección necesarios ni con los insumos para la clasificación de los residuales. 3.2.2 Aspectos Ambientales a resolver En este sentido debemos destacar que la institución cuenta con un Banco de Problemas General en el cual se recogen los aspectos ambientales fundamentales a resolver, dentro de los objetivos planteados para la gestión ambiental, sin embargo no se encuentran desglosados por áreas, por lo que los trabajadores no tienen conciencia de los problemas puntuales de sus puestos de trabajo, debido a lo cual que no son capaces de actuar sobre los mismos. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 75 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Tabla 3.2. Aspectos ambientales a resolver OBJETIVO ASPECTOS AMBIENTALES A RESOLVER 1. Insuficiente preparación del personal en Gestión Ambiental 2. Falta de motivación y compromiso de trabajadores y directivos con la Gestión Ambiental 4. Incrementar la eficiencia en la Gestión Ambiental de la institución 3. Desconocimiento y desinformación por parte de los trabajadores y directivos de efectos nocivos de su gestión 4. Falta de atención priorizada al personal que decide en la Gestión Ambiental 5. Carencia de medios de protección 6. Incinerador ineficiente 7. Carencia de transporte adecuado para la transportación de los residuales peligrosos 8. Traslado de la alimentación de hospitalizados por los mismos ascensores de personal y otros servicios 1. Insuficiente preparación del personal para la clasificación de los residuales 2. No existe control en la clasificación de los residuales 3. Carencia de monitoreo en la clasificación y tratamiento de los residuales 4. Carencia de los insumos necesarios para la clasificación de 5. Lograr un correcto tratamiento de los residuales los residuales 5. Carencia de medios de protección para la clasificación de los residuales 6. No está determinado adecuadamente el destino final de algunos residuales peligrosos 7. Vertimiento de residuales peligrosos en el vertedero municipal y redes de alcantarillado 8. Carencia de instrumentos y equipos que para la correcta determinación del volumen de residuales generado y vertidos 9. Carencia de transporte adecuado para traslado de los residuales hacia el vertedero municipal Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 76 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero 10. Tratamiento inadecuado a los residuales en el vertedero municipal 11. No existe chequeo y control por parte de Servicios Comunales de lo que se vierte en el vertedero municipal La tabla 2.2 nos muestra que en la entidad en su conjunto existen 18 aspectos ambientales fundamentales a resolver, en lo relacionado con la Gestión Ambiental y tratamiento de residuales, referidos a los objetivos de incrementar la eficiencia en la Gestión Ambiental de la institución y lograr un correcto tratamiento de los residuales en la misma, pues el No. 11 del último objetivo, realmente compete a la Dirección Municipal de Servicios Comunales, además se hace necesario desglosar los problemas por áreas, de forma tal se tenga el control de estos en las áreas afectadas. 3.2.3 Elementos generales de la insuficiente Gestión Ambiental Después de realizar un recorrido exhaustivo por toda la instalación e intercambiar con personal médico, paramédico y de servicio, así como monitorear el traslado y depósito de los residuales en el vertedero municipal (Ver anexos 3), se pudo determinar que las principales irregularidades que limitan adecuada Gestión Ambiental y el correcto tratamiento de los residuales en el Hospital están centradas en los siguientes aspectos. Deficiente gestión administrativa: Dentro de la gestión de la administración se detectaron como principales dificultades el que no se analizan los problemas de Gestión Ambiental y tratamiento de residuales en los Consejos de Dirección ni se le da seguimiento a las deficiencias que por azar se detectan. No se aplica el tratamiento diferenciado individual ni colectivo al personal que decide en la Gestión Ambiental y el tratamiento de residuales, ni existe evidencia de la aplicación de medidas disciplinarias, administrativas o de otra índole ante violaciones de lo establecido en los Programas de Gestión Ambiental y tratamiento de residuales. Deficiente control de los residuales que se generan: El control de los residuales que se generan no está sustentado en una herramienta que facilite el control de los mismos, el control se hace por unidades físicas (No. de Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 77 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero bloques viscerales, placentas y amputaciones) independientemente del volumen o masa que generen. No existe cultura del detalle en el sentido del control, lo que implica que los análisis estadísticos y posibles pronósticos no tengan la profundidad y veracidad necesaria. Existe una inadecuada preparación y concienzación de los recursos humanos y del estudiantado en materia de Gestión Ambiental. No se cuenta con un programa de preparación y actualización continua para el personal de dirección y los operadores de los puestos claves que garantice la optimización y eficiencia en la Gestión Ambiental y tratamiento de residuales para mantener un nivel adecuado en los indicadores estipulados, lo que demuestra que se hace necesario gestionar la preparación de los mismos, pues en el caso de los directivos los conocimientos sobre gestión Ambiental es muy pobre, careciendo de herramientas propias para realizar la supervisión. Las insuficiencias anteriores pudieran superarse mediante la gestión de preparación del personal y directivos mediante convenios con otras entidades como el ISMM y la Oficina Municipal del CITMA. Deficiente instrumentación: El centro no cuenta con ninguna herramienta para medir el volumen o masa de residuales generados y vertidos (básculas y otros similares). Carencia de insumos para el tratamiento de residuales: En este sentido se carece de las bolsas plásticas adecuadas para la recolección, clasificación, traslado y tratamiento de los residuales, así como cestos adecuados para su envase, pues no son suministrados por los organismos superiores, ni se asigna presupuesto para su adquisición, esto último queda en el epígrafe del presupuesto del terreno de nadie, es decir insumos, sin desglosar para esta actividad. Carencia de medios de transporte para los residuales: La institución carece de los medios de transporte de residuales, tanto internos como externos, pues los carros especializados para el movimiento interno de los mismos no existen y mucho menos para el transporte externo hacia los destinos finales. Carencia de medios de protección individual: El personal encargado de la limpieza, recolección, clasificación y tratamiento de los residuales carece de los medios mínimos necesarios, como guantes, calzado, Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 78 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero vestuario y filtros respiratorios. Las auxiliares trabajan con guantes quirúrgicos de goma desechados de esta actividad y los obreros que atienden el saneamiento de la institución lo hacen con guantes agrícolas, el calzado que usan son chancletas las auxiliares y los obreros el que tengan, el vestuario con el que se les antoje, pues no lo tienen asignados, no cuentan con tapaboca u otro filtro respiratorio. Carencia de medios de transporte Deficiente Gestión Administrativa Deficiente instrumentación Insuficiente Gestión Ambiental Carencia de medios de protección Carencia de insumos Deficiente control de residuales Figura 3.1 Gráfico causa y efecto de la insuficiente Gestión Ambiental 3.2.4 SGA y tratamiento de residuales Enfoque de gestión respeto al medio ambiente La institución debe basar su gestión en los siguientes pilares: Sistema de Gestión Ambiental que permita conocer y gestionar la repercusión que la actividad sanitaria desarrollada produce en el medio ambiente así como la realización de cambios en las instalaciones y operativas existentes, minimizando el impacto en el medio, al tiempo que se asegura el cumplimiento de la reglamentación ambiental e industrial aplicable. El seguimiento al cumplimiento de objetivos y metas mediante los indicadores de desempeño ambiental, y de los resultados de la evaluación del cumplimiento de la legislación y requisitos aplicables, para marcar las pautas de comportamiento en el proceso de mejora. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 79 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero En el hospital debe realizarse la identificación, evaluación y determinación de cuáles de sus aspectos ambientales derivados de las actividades, productos y servicios prestados (tanto en situaciones de funcionamiento normal como en situaciones anormales o de emergencia) puedan resultar en impactos (repercusión) significativos en el medio ambiente de forma que la organización pueda dirigir hacia ellos todos sus esfuerzos de mejora. Dichas actuaciones se pueden realizar mediante la determinación de: Gravedad (Gr): Grado de peligrosidad / incidencia Magnitud (Mg): Cuantificación del aspecto Frecuencia (Fr): Probabilidad de Ocurrencia Cada una de ellos puede alcanzar un valor que oscila de 1 a 5 utilizando para el cálculo de la Significancia la expresión (3Gr + 2Mg) x Fr. Los aspectos cuya importancia sea superior a 45 (derivado de sustituir en la anterior fórmula el valor medio (3) de cada una de las características evaluadas), serán considerados significativos. Siempre que sea necesario y al menos anualmente se debe revisar la valoración de los aspectos ambientales, a la luz de los resultados del seguimiento de los indicadores del desempeño ambiental. Al objeto de facilitar la asimilación de lo anterior, se analiza la interacción de las actividades del hospital con el medio ambiente mediante una doble vertiente: Aspectos Ambientales de la Actividad Asistencial; Aspectos derivados de las Actividades No Asistenciales o de Soporte. Entre los elementos más preocupantes a tener en cuenta tenemos: 1º. Evaluar, al menos cualitativamente el grado de contaminación atmosférica utilizando técnicas específicas como la de “Escala y Peso” empleada en el campo de Evaluación de Impacto Ambiental (EIA), cuyos métodos tienen como objetivo propiciar el análisis material de los proyectos de desarrollo para lograr que la toma de decisiones sea lo más lógica y racional posible y puede ser aplicable a diagnósticos ambientales específicos. Para ello se pueden realizar varias acciones que arrojen la información necesaria, como son: Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 80 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero 1. Mediciones de contaminantes del aire disponible como CO, CO2, SO2, NO2, Pb, polvo sedimentable y en suspensión, hollín e hidrocarburos, entre otros. 2. Cálculos de dispersión del SO2 expulsados por chimeneas 3. Cálculos del radio de protección sanitaria 4. Control del flujo de los vientos 5. Localización de otras fuentes fijas de contaminación atmosférica En esta institución se hace necesario estas mediciones, pues además de las chimeneas de los grupos electrógenos, cuenta con un incinerador que además de ser ineficiente en su combustión y contar con una sola cámara que en estos momentos está afectando a los asentamientos poblacionales que les quedan al suroeste. En estudios realizados a escala mundial se ha comprobado que los gases emanados por los incineradores de centros hospitalarios tienen entre otras las siguientes características: La emisión de bacterias o virases. La emisión de moléculas orgánicas de bajo peso molecular (como el tricloroetileno y el tetracloroetileno). La emisión de moléculas orgánicas de alto peso molecular (también llamados "productos de combustión incompleta", como los benzopirenos, los policloruros de bifenilo, los hidrocarburos aromáticos polinucleares y otros orgánicos policíclicos, muchos de estos cancerígenos) La emisión de partículas tóxicas suficientemente pequeñas para ser aspiradas a lo profundo de los pulmones. Las pequeñas partículas respirables están cargadas de metales pesados Los incineradores son un excelente generador de dioxinas y furanos (de la familia de las dibenzodioxinas y dibenzofuranos, comúnmente aglutinadas bajo la denominación de "dioxinas" y que son de las sustancias más cancerígenas que existen). Atendiendo a lo antes expuesto para el caso del incinerador proponemos: Modelación de las emisiones El incinerador perteneciente al Hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero, por su ubicación actual no cumple con lo establecido en cuanto a los requisitos higiénicos sanitarios establecidos para este tipo de instalación. Ya que sus emisiones afectan de Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 81 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero forma directa a los pobladores del Reparto Caribe, los cuales se quejan fundamentalmente del mal olor de estas, pues los humos por la dirección predominante de los vientos en el territorio se dirigen directamente hacia las viviendas ubicadas a partir de la calle Carlos J. Finlay hasta el edificio 49, así como en las instalaciones de los Combinados Lácteo y Cárnico, Acopio, CUBIZA y almacenes de la Unión de Empresas del Níquel, por su cercanía a dicha fuente contaminante. En ocasiones al variar la dirección del viento afecta las demás áreas del mencionado reparto. La construcción de este incinerador se llevó a cabo por el centro de proyectos del níquel (CEPRONI) en conjunto con la empresa de la construcción ECI # 3, el cual cuenta con un área de aproximadamente 40 m2 y su principio de funcionamiento está basado en una sola cámara para la quema de residuales hospitalarios (En la actualidad para estos menesteres se utilizan incineradores de doble cámara). En dicho incinerador desde su construcción hasta la fecha se han quemado los residuales provenientes de diferentes áreas de la instalación hospitalaria. Por lo que existe una gran variedad en los desperdicios que en él se incineran, generalmente de origen orgánico. Los principales materiales que en él se queman fueron obtenidos por entrevista con los responsables de las áreas que tributan los residuales y el operador de dicha instalación y están caracterizados fundamentalmente por: desechos provenientes de la morgue, salones quirúrgicos, salón de parto, banco de sangre y laboratorios. El estado técnico del equipamiento del incinerador es de forma general bueno, pero vale destacar que no cuenta con un control de la temperatura para la quema de los residuales, el mismo trabaja a una temperatura constante de alrededor de los 850 0C, lo que trae consigo que no se tenga un control riguroso de la temperatura a la cual se queman los diferentes materiales que se incineran en esta instalación, lo que pudiera traer consigo que se emitan a la atmósfera diferentes contaminantes como consecuencia de una quema incompleta. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 82 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Para tratar de mitigar el efecto del incinerador se propone, como una posible solución, el cambio en la localización del mismo tratando por esta vía que las emisiones no afecten de forma tan directa a la población del reparto Caribe y las instituciones antes mencionadas, así como valorar la posibilidad de mejorar sus características técnicas. Con el objetivo de validar la propuesta para una nueva localización del incinerador en el presente trabajo se propone realizar un estudio del cálculo de la zona de protección sanitaria para la nueva micro localización, partiendo del radio mínimo admisible de protección sanitaria para esta clase de instalación y los parámetros meteorológicos de la zona de estudio los cuales se pueden obtener por mediciones realizadas en la estaciones meteorológicas ubicadas en el territorio (EPM y Aeropuerto Orestes Acosta). También realizar el cálculo de la altura mínima admisible de la chimenea para la expulsión de los diferentes contaminantes que son emitidos al aire, según la norma vigente para tales efectos. Cálculo de la zona de protección sanitaria Para darle respuesta a la factibilidad de la nueva micro localización del incinerador, se propone emplear una metodología de acuerdo con lo establecido en la norma cubana NC 93-02-202 ¨Requisitos Higiénicos Sanitarios: Concentraciones máximas admisibles, alturas mínimas de expulsión y zonas de protección sanitarias.¨ (Modificada por la NC 39/1999) Para el cálculo de la zona de protección sanitaria del incinerador o fuente contaminante del aire se determina en su micro localización por la fórmula siguiente: l = 0.5l0 ( p Ur + ) p0 Us Donde: Ur: Velocidad media anual del viento en el rumbo dado Us: Velocidad media anual del viento en la región L: Radio de protección sanitaria por rumbo Lo: Radio mínimo admisible de protección sanitaria dependiente de la clase de industria P: Frecuencia promedio anual del viento en el rumbo dado Po: Frecuencia promedio de referencia del los vientos imaginaria circular (Ver valores en anexo 2.3 y esquema en anexo 2.4) Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 83 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Cada radio de protección sanitaria calculado se traza desde el centro de la fuente emisora en el sentido del viento. El contorno obtenido definirá la zona de protección sanitaria de dicha fuente, siendo en este caso el mayor radio obtenido de 754 m. Dentro de los límites de la zona de protección sanitaria se prohíbe la construcción de viviendas, centros y áreas de recreación y descanso de la población, centros de estudio, hospitalarios e instalaciones de carácter social o de similares características. 2º. El tratamiento de los residuales, fundamentalmente sólidos, aunque no debemos descuidar el caso específico de la sangre, la cual en su mayoría en estos momentos se está drenando por la mesa de preparación de cadáveres de la morgue diluida con cloro, pues el incinerador no cumple con los requisitos para la quema de los materiales plásticos (combustión incompleta), dejando una gran cantidad de residuos sólidos y emanando gran cantidad de partículas de carbón y CO. En el caso de los residuales sólidos no son clasificados y separados para darles el destino final adecuado y se vierten en el vertedero municipal (ver fotos de anexo 3). 3.3 Plan de medidas para dar solución a los aspectos ambientales a resolver: Para garantizar una adecuada Gestión Ambiental y el correcto tratamiento de los residuales, se propone el siguiente plan de medidas: Gestión Ambiental: ¾ Gestionar y garantizar la preparación de directivos y trabajadores en los aspectos básicos de la Gestión Ambiental, para lo cual se cuenta con personal altamente capacitado en el territorio, fundamentalmente en el ISMM. ¾ Incrementar la motivación y compromiso de directivos y trabajadores con la Gestión Ambiental con acciones concretas de concientización y pertenencia. ¾ Realizar acciones de divulgación de los efectos nocivos que puede generar la actividad asistencial hospitalaria y sus consecuencias. ¾ Crear un sistema de atención priorizada y personificada con los obreros y directivos que deciden en la Gestión Ambiental y tratamiento de residuales que incluya la alimentación, vestuario y los medios de protección mínimos adecuados. ¾ Independizar el traslado a través de los ascensores de los alimentos a las salas de hospitalizados de el traslado de personal y otros servicios. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 84 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero ¾ Realizar inversión en la adquisición de un nuevo incinerador de doble cámara y fijar su ubicación fuera de los perímetros del hospital de forma tal que no afecte comunidad alguna o realizar reformas sustanciales en el existente que mitigue la situación actual, así como en los medios de transporte e instrumentos de medida para cuantificar los residuales producidos y vertidos que si urge su adquisición. ¾ Implementar el sistema de control y monitoreo de la recolección, clasificación, transporte y tratamiento final de los residuales producidos. ¾ Gestionar se garanticen los medios de protección e insumos necesarios para la recolección, clasificación transporte y tratamiento final de los residuales producidos. ¾ Crear las condiciones necesarias para el tratamiento final de los residuales peligrosos y eliminar de inmediato su depósito en el vertedero municipal. ¾ Crear una comisión conjunta de la institución, la Dirección Municipal de Salud, Higiene y Epidemiología y la Dirección Municipal de Servicios comunales para el monitoreo y control del vertimiento y tratamiento de los residuales en el vertedero municipal. 3.4 Conclusiones del capítulo En el presente capítulo fueron objeto de análisis las principales deficiencias desde el punto de vista de la Gestión Ambiental y el tratamiento de residuales, mediante lo cual se pudo constatar que las mayores dificultades están centradas en aspectos organizativos y de gestión administrativa. Mediante la observación y contactos con los trabajadores y directivos realizados se conocieron los problemas existentes con respecto al nivel de conocimiento de los trabajadores sobre gestión energética y tratamiento de residuales, el estado del equipamiento y las instalaciones, los cuales afectan la operatividad y fiabilidad del sistema. Las principales dificultades detectadas están referidas en lo fundamental a: ¾ Insuficiente dominio por trabajadores y directivos del SGE y tratamiento de residuales. ¾ Falta de motivación y compromiso de estos con la GE en la institución. ¾ Carencia de divulgación del SGE y la implicación ambiental de la institución ¾ No existe atención priorizada a los trabajadores y directivos que deciden en la GA y tratamiento de residuales. ¾ Carencia de ascensores para servicios especializados. ¾ Tecnología inadecuada para la incineración y el transporte de residuales. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 85 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero ¾ No existe control y monitoreo en la recolección, clasificación, transporte y tratamiento final de los residuales producidos. ¾ Carencia de insumos y medios de protección. ¾ .Desconocimiento y condiciones para el tratamiento final de residuales peligrosos. ¾ Vertimiento de residuales peligrosos en lugares inadecuados. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 86 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Conclusiones Generales: Luego del análisis de las condiciones actuales, los resultados expuestos, las medidas adoptadas y la realización del diagnóstico Energético y Ambiental en el Hospital Guillermo Luis Fernández-Hernández Baquero, se llegó a las siguientes conclusiones: 1. El diagnóstico energético y ambiental realizado, constituye una base para su realización en instalaciones hospitalarias con características similares, con el fin de valorar el consumo de los portadores energéticos y su proyección ambiental. 2. Queda demostrado que aún existe un gran número de insuficiencias por resolver, tanto en el control del consumo de los portadores energéticos, como en la proyección ambiental de la institución. 3. Se evidencia que existe una reserva importante para el ahorro de estos portadores y la necesidad apremiante de aplicar un sistema de gestión ambiental que mejore la imagen de la institución, las que se resuelven en su mayoría, aplicando el sistema de medidas propuesto en la presente investigación, siendo aplicables a otras instalaciones con características similares. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 87 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Recomendaciones: 1. Dar seguimiento por la institución de forma sistemática al diagnóstico preliminar realizado, a través de un diagnóstico en profundidad, evaluando como una prioridad de la administración, la solución a las insuficiencias detectadas en el consumo de portadores energéticos y la proyección ambiental de la institución y socializar la experiencia en el sector, como vía de aplicación en otras instalaciones con características similares. 2. Aprovechar las reservas de ahorro detectadas para mejorar los índices económicos en la gestión energética, comenzando de forma inmediata la aplicación del sistema de mejoras derivado de la presente investigación, así como utilizar las herramientas del Sistema de Gestión Ambiental propuestas para mejorar la proyección ambiental de la institución. 3. Dejar abierto el horizonte a futuras investigaciones que puedan profundizar en la aplicación consciente de los Sistemas Integrados de Gestión Energética y Gestión ambiental. Autor: Lic. Ramón Alberto Martija Herrera 88 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero BIBLIOGRAFÍA 1. ACOSTA MARRERO, GUSTAVO. Sicrometría práctica del aire exterior. Editorial científico – técnica, 1999. 2. ALEMÁN LÓPEZ, J. F.; H. ECHEMENDÍA MOURE. Gestión empresarial con vistas a disminuir la demanda máxima de la Red en la empresa de Alcoholes Finos de Caña SA. (ALFICSA). Cienfuegos: Fórum de Ciencia y Técnica, 2006. 3. ÁLVAREZ., Y. B.Tesis: Compensación de la energía reactiva en el Hospital Guillermo Luis Fernández – Hernández Baquero. Moa. 2009. 4. ARZOLA R. J. ″Sistemas de Ingeniería″. La Habana: Editorial “Felix Varela”, 2000. 5. AYDOGAN O., YUN L., y SINGH C. ″Post-Outage Reactive Power Flow Calculations by Genetic Algorithms: Constrained Optimization Approach″. IEEE Transactions on Power Systems, vol. 20, no. 3, august 2005. 6. BABÓN, GONZÁLEZ. J. 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Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero ANEXO A TABLA 1 Consumo eléctrico hospital Guillermo Luís junio/2010-mayo/2011 Mes Junio/2010 Plan (MW) Real (MW) 72,00 71,88 Julio/2010 75,00 68,68 Agosto/2010 Septiembre/2010 Octubre/2010 73,00 72,00 72,00 73,04 74,10 74,45 Noviembre/2010 72,00 61,52 Diciembre/2010 63,00 53,32 Enero/2011 Febrero/2011 Marzo/2011 Abril/2011 Mayo/2011 Promedio 55,46 55,02 56,07 62,19 65,10 66,07 60,14 38,83 42,42 46,74 68,47 61,13 Observaciones Equipos de esterilización fuera de servicio Equipos de esterilización fuera de servicio Equipos de esterilización fuera de servicio Problemas con el contador Problemas con el contador Problemas con el contador TABLA 2 Incremento de la demanda con las nuevas instalaciones de pediatría Sistemas Alumbrado Tomacorrientes Tomacorrientes Climatización Equipamiento Totales Potencia instalada (Kw) 12,50 35,25 2,25 5,36 0,00 55,36 Voltaje (V) No. De fases 127 127 220 220 127 y 220 1 1 2 2 2 Incremento potencia demandada (Kw) 8,75 7,75 0,50 5,36 16,08 38,44 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Anexo B Esquema metodológico para la implementación del Sistema de GTEE �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Anexo C Representación gráfica de la implementación del Sistema de GTEE �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Anexo 1.1 Tabla 1.1 Índice de consumo. MESES Enero Feb. Marzo Abril Mayo Junio Julio Agos Sept. Oct. Nov. Dic. Total E. C. Serv. (MWh) Prest. 6913 6627 6415 6647 6160 5811 5782 5484 5859 6518 6187 5369 5495. de Cons MWh/SP 55,171 53,405 59,514 61,718 67,671 71,878 68,683 73,039 74,101 65,389 67,58 78,952 0,0080 0,0081 0,0093 0,0093 0,0110 0,0124 0,0119 0,0133 0,0126 0,0100 0,0109 0,0147 PROMEDIO 73772 797,101 0,0110 Tabla 1.2 Energía Consumida contra Servicios Prestados 2010 SERVICIOS PRESTADOS MESES Enero Feb. Marzo Abril Mayo Junio Julio Agos Sept. Oct. Nov. Dic. P. Cons. C. Total Cama Ext. Guard. 907 762 817 732 745 692 709 752 796 808 791 689 768 789 838 1195 866 645 814 747 808 923 843 646 5238 5076 4760 4720 4549 4474 4259 3985 4255 4787 4553 4034 6913 6627 6415 6647 6160 5811 5782 5484 5859 6518 6187 5369 ENERGIA Dif. Serv. / CONSUMIDA (MWh) P. Cama 6006 55,171 5865 53,405 5598 59,514 5915 61,718 5415 67,671 5119 71,878 5073 68,683 4732 73,039 5063 74,101 5710 65,389 5396 67,58 4680 78,952 PROMEDIO 766,7 823,5 4557,5 6147,7 5381,0 66,425 5496. de Cons MWh 0,0080 0,0081 0,0093 0,0093 0,0110 0,0124 0,0119 0,0133 0,0126 0,0100 0,0109 0,0147 0,0110 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Tabla 1.2 Levantamiento de la carga instalada. Familia de equipos Consumo (kW) Climatización y Refrigeración 1058,8 Caldera y Cocina 36,80 Somatón 60,00 Iluminación general 39,76 Electromedicina 26,00 Lavandería 26,00 Ascensores 24,00 Turbina y Esterilización 36,00 Tabla 1.3. Consumo de energía activa y reactiva en todo el año. Pot. Act (kWh) Meses Pot. React ( va.) Día Día Enero 30585 192.94 Febrero 30979 194.74 Marzo 35238 196.84 Abril 35721 187.65 Mayo 39409 200.90 Junio 40406 214.67 Julio 37675 189.96 Agosto 40660 197.71 Septiembre 40362 192.43 Octubre 40251 205.06 Noviembre 34269 187.28 Diciembre 177.03 28973 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Tabla 1.4. Importe por penalización del Factor de Potencia Meses Importe por Penalización de Factor de Potencia. Enero 549,22 Febrero 442,58 Marzo 396,11 Abril 277,42 Mayo 98,13 Junio 210,20 Julio 100,94 Agosto 107,02 Septiembre 589,81 Octubre 905,40 Noviembre 1223,82 Diciembre 1.427,90 Total 6328,55 Tabla 1.5. Análisis de la tarifa eléctrica por año Año Consumo 2008 99954,15 2009 130972,8 2010 109829,98 2011 48587,88 Tabla 1.6 Estructura de gasto de la facturación eléctrica. Año Demanda Contratada Día Pérdida Penalizaciones 2008 450 643689 23098 4221,1 2009 300 491732 24068 3541,24 2010 300 449273 23724 6328,55 2011 250 107851 7709 9531,12 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Tabla 1.7. Historial del factor de Potencia Año 2008 2009 2010 2011 Enero 0,84 0,84 0,84 0,75 Febrero 0,84 0,82 0,85 0,69 Marzo 0,86 0,82 0,86 0,67 Abril 0,86 0,50 0,87 0,78 Mayo 0,87 0,86 0,89 Junio 0,87 0,86 0,88 Julio 0,88 0,88 0,89 Agosto 0,88 0,88 0,89 Septiembre 0,92 0,88 0,85 Octubre 0,83 0,88 0,82 Noviembre 0,86 0,86 0,79 Diciembre 0,84 0,85 0,75 Tabla 1.8. Comportamiento de las potencias del sistema. Comportamiento del consumo de energía en el 2010 Meses P(kWh) Q(kVArh) S( va.) Enero 54441 35165,41 38896,15 Febrero 52570 32579,96 70927,62 Marzo 60996 36192,9 67081,6 Abril 58361 33074,7 76583,14 Mayo 68159 34918,89 44831,42 Junio 71599 38645,05 78578,65 Julio 69935 35828,76 81538,2 Agosto 72569 37178,2 90669,76 Septiembre 77101 47782,91 83400,3 Octubre 68355 49479,27 80702,5 Noviembre 63755 44002,37 66588,29 Diciembre 49977 177.03 47871,6 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Tabla 1.9. Importe por penalización del Factor de Potencia Año 2008 2009 2010 2011 Enero 523,83 733,54 549,22 2402,55 Febrero 549,47 911,50 442,58 2.643,78 Marzo 392,37 912,15 396,11 3.020,35 Abril 380,16 8.218,12 277,42 1.464,44 Mayo 315,59 493,18 98,13 Junio 285,68 413,24 210,20 Julio 214,10 226,83 100,94 Agosto 209,79 233,56 107,02 248,10 589,81 947,40 222,72 905,40 Noviembre 402,71 434,33 1.223,82 493,97 1.427,90 Septiembre Octubre Diciembre - - �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Anexo 1.2: Tabla 1.2.1 Tabla de buscar el Factor K para el Cálculo de los Bancos de Condensadores. FACTOR DE POTENCIA Factor de potencia que se desea (cosϕ2) ORIGINAL (cosϕ1) 1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93 0.92 0.91 0.90 0.65 1.169 1.027 0.966 0.919 0.877 0.840 0.806 0.774 0.743 0.714 0.685 0.66 1.138 0.996 0.935 0.888 0.847 0.810 0.775 0.743 0.712 0.683 0.654 0.67 1.108 0.966 0.905 0.857 0.816 0.779 0.745 0.713 0.682 0.652 0.624 0.68 1.078 0.936 0.875 0.828 0.787 0.750 0.715 0.683 0.652 0.623 0.594 0.69 1.049 0.907 0.846 0.798 0.757 0.720 0.686 0.654 0.623 0.593 0.565 0.70 1.020 0.878 0.817 0.770 0.729 0.692 0.657 0.625 0.594 0.565 0.536 0.71 0.992 0.849 0.789 0.741 0.700 0.663 0.629 0.597 0.566 0.536 0.508 0.72 0.964 0.821 0.761 0.713 0.672 0.635 0.601 0.569 0.538 0.508 0.480 0.73 0.936 0.794 0.733 0.686 0.645 0.608 0.573 0.541 0.510 0.481 0.452 0.74 0.909 0.766 0.706 0.658 0.617 0.580 0.546 0.514 0.483 0.453 0.425 0.75 0.882 0.739 0.679 0.631 0.590 0.553 0.519 0.487 0.456 0.426 0.398 0.76 0.855 0.713 0.652 0.605 0.563 0.526 0.492 0.460 0.429 0.400 0.371 0.77 0.829 0.686 0.626 0.578 0.537 0.500 0.466 0.433 0.403 0.373 0.344 0.78 0.802 0.660 0.599 0.552 0.511 0.474 0.439 0.407 0.376 0.347 0.318 0.79 0.776 0.634 0.573 0.525 0.484 0.447 0.413 0.381 0.350 0.320 0.292 0.80 0.750 0.608 0.547 0.499 0.458 0.421 0.387 0.355 0.324 0.294 0.266 0.81 0.724 0.581 0.521 0.473 0.432 0.395 0.361 0.329 0.298 0.268 0.240 0.82 0.698 0.556 0.495 0.447 0.406 0.369 0.335 0.303 0.272 0.242 0.214 0.83 0.672 0.530 0.469 0.421 0.380 0.343 0.309 0.277 0.246 0.216 0.188 0.84 0.646 0.503 0.443 0.395 0.354 0.317 0.283 0.251 0.220 0.190 0.162 0.85 0.620 0.477 0.417 0.369 0.328 0.291 0.257 0.225 0.194 0.164 0.135 0.86 0.593 0.451 0.390 0.343 0.302 0.265 0.230 0.198 0.167 0.138 0.109 0.87 0.567 0.424 0.364 0.316 0.275 0.238 0.204 0.172 0.141 0.111 0.082 0.88 0.540 0.397 0.337 0.289 0.248 0.211 0.177 0.145 0.114 0.084 0.055 0.89 0.512 0.370 0.309 0.262 0.221 0.184 0.149 0.117 0.086 0.057 0.028 0.90 0.484 0.342 0.281 0.234 0.193 0.156 0.121 0.089 0.058 0.029 - 0.91 0.456 0.313 0.253 0.205 0.164 0.127 0.093 0.060 0.030 - - 0.92 0.426 0.284 0.223 0.175 0.134 0.097 0.063 0.031 - - - 0.93 0.395 0.253 0.192 0.145 0.104 0.067 0.032 - - - - 0.94 0.363 0.220 0.160 0.112 0.071 0.034 - - - - - 0.95 0.329 0.186 0.126 0.078 0.037 - - - - - - 0.96 0.292 0.149 0.089 0.041 - - - - - - - 0.97 0.251 0.108 0.048 - - - - - - - - 0.98 0.203 0.061 - - - - - - - - - �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Tabla1. 2.2. Composición de portadores (tcc). Portadores tcc % % Acumulado Energía Eléctrica 175 94.02 94.02 Fuel oíl 10.6 5.69 99.71 LPG 0.41 0.22 99.93 Diesel 0.13 0.07 100 Total 186.14 100 393.66 Tabla1. 2.3. Costos por Portadores. Portadores Costo (MP) Electricidad 130972.8 Fuel oíl 13874.37 Gas licuado 27718.97 Diesel 5495.38 Tabla1. 2.4 Registro Histórico de Servicios contra Energía Eléctrica Año 2006 2007 2008 2009 2010 Promedio Consumo (kWH) 813103 816023 905098 830503 827792 838503,8 Servicios Prestados 72021 71823 71817 73133 73772 72513,2 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Anexo 1.3: Ubicación de los transformadores en el Hospital. No S, KVA Up, V Us, V Is, A Conexión Piso Ubicación T 1 1000 13800 460 1250 ∆/Υ 1 2 37 440 220/127 97 ∆/Υ 1 3 15 440 220/127 39 ∆/Υ 1 4 75 440 220/127 160 ∆/Υ 1 5 16 440 220/127 42 ∆/Υ 1 Cuarto subestación Entrada a las plantas eléctricas Al lado del baño de mantenimiento Al lado del taller de los eléctricos “C”. Al lado del taller de los eléctricos “C”. 6 50 440 220/127 131 ∆/Υ 1 7 45 440 220/127 118 ∆/Υ 1 8 37 440 220/127 42 ∆/Υ 3 Banco de la Ortopedia. No 1 sala de 9 16 440 220/127 42 ∆/Υ 3 Banco de la Ortopedia. No 2 sala de 10 16 440 220/127 42 ∆/Υ 3 Banco de prematuros. sala de 11 16 440 220/127 42 ∆/Υ 3 Banco de nefrología 12 10 440 220/127 26 ∆/Υ 3 Banco al lado del salón de operaciones. 13 150 440 220/127 131 ∆/Υ 3 14 27 440 220/127 71 ∆/Υ 3 Banco al lado del salón de operaciones. 15 50 440 220/127 396 ∆/Υ 3 Salón de operaciones 16 16 440 220/127 42 ∆/Υ 4 Sala de obstetricia. 17 50 440 220/127 131 ∆/Υ 4 Sala de puerperio. la �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Anexo 1. 4: Monolineal Hospital �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Anexo 2. 1: Problemas fundamentales en la Gestión Ambiental del Hospital: 1. Los alimentos a las salas de hospitalizados se realizan por los mismos ascensores por donde circula el personal, pues los ascensores de servicios están fuera de funcionamiento. 2. No existe un sistema de control efectivo de los residuales patológicos y no patológicos, pues no se carece de básculas, flujómetros u otros instrumentos para su control. En este sentido los residuales generados en los salones quirúrgicos como papel, gasa, algodón y otros son entregados a comunales para su posterior procesamiento, sin existir un sistema de control adecuado de lo que se genera y entrega, solo en el área de anatomía patológica se cuenta con un control de los elementos físicos que se entregan para incinerar, los que se contabilizan de la siguiente manera: o De 10 a 15 unidades (bloques visearles) mensuales. o De 90 a 100 placentas en dependencia del número de partos. o Alrededor de 10 000 ml de sangre (por aproximación) o Elementos de amputaciones (de acuerdo a las practicadas) o Alrededor de 24 kg de residuos de biopsias mensuales. Al alcohol utilizado en estas prácticas se les da otros usos y no se le da el tratamiento debido. 3. No todos los residuales generados en la instalación que deben ser incinerados se incineran, pues el incinerador instalado no responde a las condiciones de quemado de los mismos. 4. No existe la recirculación del aire en los salones quirúrgicos, pues no existe el sistema de clima central. 5. Se ha creado una situación de insatisfacción en la población aledaña a la institución por la contaminación atmosférica producida por el incinerador. �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Anexo 2. 2: Características técnicas del incinerador: Características: Marca: WEISKAUPT Tipo: LIZ-B Nacionalidad: Alemania Año de fabricación: 2008 Potencia eléctrica: 1,64 Kw Cámaras de combustión: 1 Potencia llama del quemador: 415 Kw Control de temperatura: 0 a 800 oC Capacidad de quemado: 10 bloques visearles (*) (*) Es necesario señalar que con 10 bloques visearles o al introducirse los residuales de los salones como papel, gasa, algodón u otros la incineración se hace incompleta. Chimenea: Altura (h): 25 m Diámetro: 1 m en la base y 0,75 m en el cuerpo Ventilador de la chimenea: Potencia: 4,3 Kw Voltaje: 220 V Intensidad: 8,3 A RPM): 1736 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Anexo 2.3: Datos para el cálculo del radio de la zona de protección sanitaria (Aportados por el Departamento de Gestión Ambiental Industrial) Zona de protección sanitaria Radio mínimo admisible Lo para Instalación de clase (3 )   Factores eólicos calculados por  rumbos: Rumbo Fact. eólico N 0,73 L 300 NNE 0,62 300 NE 1,04 312 ENE 1,72 516 E 2,58 774 ESE 1,34 SE 0,94 402 300 SSE 0,48 300 S 0,47 300 SSW 300 SW < 1,0 < 1,0 WSW < 1,0 300 W < 1,0 300 WNW < 1,0 300 NW < 1,0 300 NNW < 1,0 300 300 Zona de protección sanitaria  1 N 16 NNE 15 NE 14 ENE 13 E 12 ESE 11 SE 10 SSE 9 S 8 SSW 7 SW 6 WSW 5 W 4 WNW 3 NW 2 NNW 300  300  300  300  300  300  300  300  300  300  402  774  516  312  300  300  �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Anexo 2.4 Color Colo Colo Colo Color Colo 0 150 metros 300 �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Anexo 3: Testimonio Gráfico: Medio de transporte para el traslado de los residuales sólidos Estado del vertedero antes de la descarga del Hospital (28/09/2011) �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Procedimiento para la descarga de los residuales en el vertedero Muestra de residuales vertidos �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Muestra de residuales vertidos Muestra de residuales vertidos �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Muestra de residuales vertidos Muestra de residuales vertidos �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Muestra de residuales vertidos Muestra de residuales vertidos �Diagnóstico energético - ambiental en Hospitales. Estudio de caso hospital Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero Muestra de residuales vertidos Estado del vertedero posterior a la descarga del Hospital (28/09/2011) � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Tesis Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Diagnóstico energético-ambiental en hospitales. Estudio de caso hospital "Guillermo Luis Fernández Hernández-Baquero" Creator An entity primarily responsible for making the resource Ramón Alberto Martija Herrera Publisher An entity responsible for making the resource available Editorial Digital Universitaria de Moa Type The nature or genre of the resource Tesis maestría Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 2013 https://repoedum.ismm.edu.cu/files/original/636034860719ecf0eebc472c4295629c.pdf eccc7ca9b27a0f5027d15ec7392789ee PDF Text Text TESIS EVALUACIÓN DE RIESGOS POR INUNDACIONES DE LA COMUNIDAD PRADERA ALTA SECTOR 2, MUNICIPIO MARACAIBO Lizetty Díaz �Página legal Título de la obra: Evaluacion de riesgos por inundaciones de la comunidad Pradera Alta sector 2, municipio Maracaibo, 92pp. Editorial Digital Universitaria de Moa, año.2015 -- ISBN: 1. Autor: Lizetty Díaz 2. Institución: Instituto Superior Minero Metalúrgico ¨ Dr. Antonio Núñez Jiménez¨ Edición: Lic. Liliana Rojas Hidalgo Corrección: Lic. Liliana Rojas Hidalgo Digitalización. Lic. Liliana Rojas Hidalgo Institución de los autores: ISMM ¨ Dr. Antonio Núñez Jiménez¨ Editorial Digital Universitaria de Moa, año 2015 La Editorial Digital Universitaria de Moa publica bajo licencia Creative Commons de tipo Reconocimiento No Comercial Sin Obra Derivada, se permite su copia y distribución por cualquier medio siempre que mantenga el reconocimiento de sus autores, no haga uso comercial de las obras y no realice ninguna modificación de ellas. La licencia completa puede consultarse en: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/ar/legalcode Editorial Digital Universitaria Instituto Superior Minero Metalúrgico Ave Calixto García Íñiguez # 75, Rpto Caribe Moa 83329, Holguín Cuba e-mail: edum@ismm.edu.cu Sitio Web: http://www.ismm.edu.cu/edum �Instituto Superior Minero Metalúrgico “Dr. Antonio Núñez Jiménez” Facultad de Geología y Minería Departamento de Geología EVALUACION DE RIESGOS POR INUNDACIONES DE LA COMUNIDAD PRADERA ALTA SECTOR 2, MUNICIPIO MARACAIBO. Tesis para optar al título académico de Máster en Geología Autor: LICDA. LIZETTY DIAZ Tutor: Dra. ALINA RODRIGUEZ Moa, Noviembre de 2014 �ÍNDICE PAG Introducción…………………………………………………………………… CAPITULO I: Marco Teorico………………………………………………… 1.1. Introducción 1.2. Consideraciones generales sobre las inundaciones…… 1.3. Bases Legales…………………………………………………………….. 1.4. Estado del Arte sobre la Cartografia del Riesgo en Venezuela y Latinoamerica……………………………………………… 1.5. Características Físico Geográficas y Geolólogicas del área de investigación………………………………………………………. 1 10 10 10 14 1.6. Conclusión…………………………………………………………………. CAPITULO II Marco Metodologico……………………………………….. 2.1. Introduccción…………………………………………………………….. 2.2. Tipo de Investigación…………………………………………………… 2.3. Cartografia de Riesgo por Inundación………………………… 2.3.1. Evaluación de Amenazas………………………………………. 2.3.1.1. Metodología general para la Evaluación de Amenaza…………………………………………………………………………… 2.3.1.2. Evaluación del grado de Amenaza o Peligrosidad……………………………………………………………………. 2.3.1.3. Resultados esperados de la Evaluación de Amenazas………………………………………………………………………… 30 31 31 31 32 36 38 15 18 41 42 2.3.2. Evaluación de Vulnerabilidad………………………………. 42 2.3.3. Evaluación del Riesgo…………………………………………. 45 2.4. Metodología utilizada en la presente Investigación…….. 47 2.5. Conclusiones………………………………………………………………. 55 CAPITULO III. Analisis y Discusión de los Resultados…………… 56 3.1. Introducción……………………………………………………………… 56 3.2. Diagnostico de las áreas de Amenazas y Vulnerabilidad de la 56 Comunidad Padrera Alta sector 2, Municipio Maracaibo 3.3. Caracterización de los factores Geológicos que intervienen en la ocurrencia de inundaciones en el área de estudio…………………………………………………………………………….. 3.3.1. Suelo………………………………………………………………….. 3.3.2. Geomorfología…………………………………………………… 3.3.3. Hidrología…………………………………………………………… 3.4. Evaluación de Riesgo por Inundacones………………………... 3.5. Conclusiones………………………………………………………………… Conclusión……………………………………………………………………….. Recomendaciones…………………………………………………………….. Referncias Bibliográficas………………………………………………… Anexos……………………………………………………………………………… 58 59 63 68 70 74 75 78 79 82 VI �ÍNDICE DE FIGURAS E IMAGENES PAG FIGURA 1. Mapa de las Formaciones del estado Zulia…………… FIGURA 2. Mapa Geológico del área de estudio…………………….. FIGURA 3. Mapa Geológico del Occidente de venezuela………… FIGURA 4. CLASIFICACIÓN DE LA VULNERABILIDAD………………………. FIGURA 5. FACTORES QUE EXPLICAN LA VULNERABILIDAD…………… FIGURA 6. ELEMENTOS CONTROLABLES Y NO CONTROLABLES DEL RIESGO………………………………………………………………………………. 20 29 30 42 43 46 FIGURA 7. SONDEO E INTERPRETACIÓN DE LAS CURVAS Y 62 CAPAS…… IMAGEN 1. MAPA GEOREFENCIADO DE LA COMUNIDAD PRADERA ALTA SECTOR 2……………………………………………………………………. IMAGEN 2. CURVAS DE NIVEL………………………………………………….. IMAGEN 3. MAPA GEOMORFOLÓGICO DE LA ZONA DE ESTUDIO………. IMAGEN 4. CURVAS DE NIVEL CON PERFIL TOPOGRÁFICO……………… IMAGEN 5. DRENAJES Y CURVAS DE NIVEL………………………………… IMAGEN 6. CROQUIS DE LA COMUNIDAD PRADERA ALTA SECTOR 2 POR MANZANA, DRENAJE Y CURVA DE NIVEL……………………………… 54 55 57 66 68 69 IMAGEN 7. MAPA DE RIESGO POR INUNDACIÓN DE LA COMUNIDAD PRADERA ALTA SECTOR 2 ……………………………………………………… 73 VII �ÍNDICE DE FOTOS Pag Foto 1. Mesa de trabajo con la comunidad pradera alta………………………. 49 Foto 2. Entrevista con la comunidad…………………………………………….. 49 Foto 3. Censo socioeconómico de la comunidad pradera alta sector 2…...... 50 Foto 4. Evaluación de la infraestructuras de la comunidad pradera alta sector 2……………………………………………………………………………… 50 Foto 5. Aperturas de las calicatas en las avenidas y calles de la comunidad. 51 Foto 6. Toma de muestras de las calicatas realizadas en la comunidad…… 51 Foto 7. Georesistivimetro marca PASI, modelo E2DIGT……………………… 52 Foto 8. Ubicación del S.E.V de la comunidad pradera alta sector 2…………. 53 Foto 9. Muestras para el análisis mineralógico………………………………… 54 Foto 10. Suelos heterogéneos no consolidados de la comunidad…………… 63 Foto 11. Áreas planas de la zonas de estudio y socavamiento en el sitio… 64 Foto 12. Áreas anegadizas cerca del drenaje principal……………………….. 69 Foto 13. Tipos de viviendas de la comunidad pradera alta sector 2 ……….. 71 Foto 14. Desechos sólidos en la calle y drenajes de la comunidad ………… 74 VIII �ÍNDICE DE TABLAS Y ANEXOS Pag Tabla 1. Parámetros climáticos promedio de Maracaibo……………………… 23 Tabla 2. Ubicación del S.E.V y delimitación del área de estudio……………. 52 Tabla 3. Profundidad del S.E.V………………………………………………….. 61 Anexo 1. Censo comunitario……………………………………………………… 83 Anexo 2. Formato de inventario de riesgos naturales e inducidos…………… 85 IX �INTRODUCCIÓN Venezuela es un país sometido a un alto número de amenazas naturales, unas del tipo geológico, otras hidrometeorológicas y las tecnológicas, tales amenazas han causado a lo largo del tiempo efectos adversos especialmente en las poblaciones concentradas en el occidente del país. Estas zonas densamente pobladas demandan atención urgente en lo relacionado a la Gestión Riesgos y Administración de Desastres, lo cual solo puede lograrse con un conocimiento exhaustivo de las causas, distribución espacial y consecuencias de los eventos adversos, así como los mecanismos de respuesta optima que debe manifestar la población afectada en un momento determinado. La sociedad Venezolana se encuentra distribuida a lo largo y ancho del territorio nacional en forma desigual. Definiendo espacios de ocupación con características geográficas, climatológicas, sociales y culturales que se convierten en factores determinantes que aumentan los el riesgo socio-natural y por ende afecte al país. Esto implica un reto de modelo de desarrollo por cuanto es bien sabido que el mayor o menor grado de vulnerabilidad como elemento condicionante del riesgo es generada por el hombre como: el aumento de la ocupación irracional del territorio, el crecimiento descontrolado de la población, las carencias en dotación y calidad de viviendas e infraestructura, los procesos de degradación ambiental, falta de conocimiento individual o institucional, ausencia de especificaciones técnicas de viviendas seguras entre otras. Con lo anterior expuesto, se sostiene que al entender la planificación territorial como un proceso de carácter integral, más allá de la mera planificación físico espacial, sus fines últimos se refieren, además, al mejoramiento de la calidad de vida de la población, considerada como el grado de bienestar de las comunidades y de la sociedad, determinado por la satisfacción de sus necesidades fundamentales, entendidas éstas, como los requerimientos de los grupos humanos y de los individuos para asegurar su existencia, permanencia y trascendencia en un espacio dado y en un momento histórico determinado. Ahora bien, para que un fenómeno natural sea peligroso para las personas, requiere ciertas condiciones de la vida humana en su entorno, como asentamientos humanos mal ubicados, ambiente deteriorado, hacinamiento, escasez de recursos económicos, inadecuada educación, descuido de las 1 �autoridades, desorganización, entre otros. Todos estos elementos configuran una población altamente vulnerable. Una población que está expuesta a recurrentes amenazas de los fenómenos naturales, es una población que vive en riesgo permanente, pues supone que el cualquier momento puede ocurrir un desastre. No tener conciencia del riesgo en el que se encuentra una población es el caldo de cultivo para que ocurra un desastre, ya que al conocérselo no se pude actuar sobre él para manejarlo. Contrariamente a lo que se piensa comúnmente que un desastre es un evento espectacular, y donde las poblaciones se enfrentan recurrentemente a situaciones de desastre, como los hundimientos, las inundaciones, los incendios, que afectan tanto o más que los grandes desastres (sismos), pues van aumentando la vulnerabilidad de la población, su pobreza y la desesperanza. Resumiendo, un desastre ocurre cuando un evento o fenómeno natural se convierte en peligro (o amenaza), pues puede afectar negativamente a una comunidad, que al no contar con suficientes capacidades (económicas, educativas, de infraestructura) para enfrentar este peligro, se convierte en vulnerable; por ejemplo, es el caso de personas sin recursos que viven en sitios propensos a inundaciones. Venezuela en los últimos años, aunado al crecimiento del índice demográfico ha llevado a ocupar de manera irracional y en condiciones muy precarias, espacios no aptos para asentamientos humanos, construyendo infraestructura de cualquier tipo en cualquier sitio, como en los márgenes cercanos de los cauces de ríos, en quebradas y canales, en los bordes de los taludes de los vertientes, en áreas anegables entre otros, sin identificar las amenazas naturales existentes en el entorno, sin las normas de construcción establecidas y con materiales no adecuados para tal fin, lo que conlleva la modificación del entorno natural y el ambiente, de tal forma que ahora se ha vuelto un riesgo socio natural. Hoy en día, el acelerado crecimiento que han experimentado las principales ciudades en lo anteriormente descrito, indica que estamos desafiando a la naturaleza, que le estamos invadiendo su campo de acción, y es por eso, que las tragedias y catástrofes que han ocurrido en el mundo y en nuestro país, son cada vez más frecuentes, y esto es un indicativo de que debemos reconocer que 2 �vivimos en un entorno dinámico, lleno de fenómenos naturales y que debemos, de nuevo, aprender a respetar a la naturaleza. Lo lamentable es, que nosotros mismos somos culpables ante estas situaciones, debido a la intervención sin control alguno en los procesos de orden natural como la sobre explotación de la tierra, intervención de las cuencas, el desvío y rellenos de los cauces de los ríos, remoción de la capa superficial y modificación topográfica entre otros, que ha llevado a importantes situaciones de inestabilidades potenciales ocasionando muchas veces daños irreparables, y que influyen de esta manera a las comunidades que se ven afectadas por la acción de los procesos y riesgos de orden natural e inducidos. Todos estos factores combinados entre sí han generado las condiciones necesarias para que se presenten los desastres, no como eventos naturales, sino como eventos sociales disparados por fenómenos naturales. Ante tales circunstancias, es necesario detenerse un poco para analizar la situación; comprender la dimensión de la evolución social en el cual se está induciendo y corregir el rumbo, es por eso necesario establecer en las comunidades la evaluación de zonas de altos riesgos como un instrumento de prioridad. La Gestión de Riesgos juega un papel importante puesto que comprende un gran conjunto de acciones destinadas a transformar los escenarios de riesgos, identificando las potenciales amenazas y vulnerabilidades presentes en el ámbito geográfico de un proyecto, proponiendo métodos de prevención y mitigación para reducir dichos riesgos y fortaleciendo estrategias de preparación y respuesta para afrontar de la mejor manera posible los posibles impactos potenciales (Regina, 2009). Es por ello, que la gestión de los riesgos consiste en una serie de actividades diseñadas para reducir las pérdidas de vidas humanas y la destrucción de propiedades e infraestructuras. Los resultados de este proceso continuo de manejo o gestión de riesgos pueden ser divididos en:  Medidas para disminuir el riesgo de desastres a largo plazo (prevención), eliminando sus causas como la intensidad de los fenómenos, la exposición o el grado de vulnerabilidad. 3 � Medidas de preparación cuyo objeto es asegurar una respuesta apropiada en caso de necesidad, incluyendo alertas tempranas oportunas y eficaces, así como evacuación temporal de gente y bienes de zonas amenazadas.  Medidas de respuesta cuando está sucediendo o ha sucedido un desastre (manejo o gestión de desastres, recuperación, reconstrucción). Las medidas de prevención, incluyen la realización de estudios y análisis para identificar, evaluar y cuantificar el nivel de amenaza, vulnerabilidad y riesgo, así como las acciones para mitigar (reducir) los efectos de los peligros observados. Los estudios y análisis de identificación y evaluación de amenazas y vulnerabilidades están englobados en el denominado análisis de riesgos. El análisis de riesgos tiene como objetivo servir como base para la elaboración de los planes de reducción de desastres, y más allá de los planes de desarrollo municipal. Debido a la problemática del incremento acelerado de la comunidad en espacios inundables donde se construyen infraestructuras de cualquier tipo, sin identificar las amenazas naturales del entorno y sin las normas establecidas llevan a un riesgo socio natural a una comunidad que no tiene conciencia de ocupar espacios sin tomar en cuenta la peligrosidad que se pueda presentar, en donde los sectores más frágiles de la sociedad ante los desastres naturales son los más pobres, que suelen ocupar los ambientes más propensos, con poblaciones muy numerosas, el crecimiento urbano desordenado, el aumento de la población y de la pobreza, incrementa la vulnerabilidad de las personas a los fenómenos naturales. Es decir, que en muchos países, estados, municipios y comunidades vulnerables a estos fenómenos, no poseen la capacidad de planificar una estrategia de prevención de los riesgos. El desequilibrio que ello provoca en cualquier ecosistema puede ser causa suficiente para que todo empeore en las regiones. Esta información no suele divulgarse porque en general cuestiona decisiones políticas o particulares que perjudican a toda la comunidad, lo cual lleva a la degradación ambiental provocada por la actividad humana la cual contribuye en gran medida a acelerar los fenómenos peligrosos e incrementar los riesgos, especialmente aquellos relacionados a la inestabilidad de terrenos, inundaciones y procesos torrenciales, ya que la deforestación, el manejo de las cuencas sin planificación, el uso 4 �intensivo de los suelos, las prácticas agrícolas inadecuadas, la ocupación de las llanuras de inundación de los ríos, entre otros, incrementan la intensidad y la probabilidad de los fenómenos, o la vulnerabilidad, según el caso. La Unesco, dispone de programas para examinar los riesgos y las soluciones posibles para atenuar los efectos de los desastres naturales, dichos programas tratan sobre la sensibilización de las comunidades mediante la educación, la formación, la comunicación y la información. Su meta es edificar una cultura a los desastres naturales en todas las comunidades del mundo. La medición de los niveles de evaluación de riesgos supone un procedimiento con una metodología participativa de valoración multisectorial que exige la identificación, reflexión análisis y planteamiento de acciones tendentes a reducir las condiciones de riesgo a través de la inclusión transversal de la variable riesgo en todos y cada uno de los ámbitos sectoriales de desarrollo. Estos permitirán identificar las áreas susceptibles a inundaciones, debido a que en las actividades iniciales (diagnóstico) que son de gran importancia debido a que nos proporciona una visión general de la situación del área de trabajo, en el cual se estima la probabilidad de la ocurrencia del fenómeno presente en ella, y lograr minimizar las amenazas del terreno. Por esta razón, se han desarrollado estudios del riesgo y de la Geología tanto local como regional. Así mismo se han desarrollado metodologías para la evaluación de la amenaza y riesgo de este tipo de eventos. Entre estos estudios se encuentran determinaciones de umbrales de lluvia detonantes a nivel nacional y local que faciliten este tipo de investigación. Para el estudio de ésta, hay que realizar una revisión de diversos aportes y tendencias, en esencia la transdisciplinaria y multidimensional, donde este proyecto pretende proporcionar al investigador obtener datos primarios y secundarios, ya que estos se obtienen directamente de la realidad presente a través de la observación del fenómeno u objeto; y también los obtenidos por segundas personas e instituciones, debido a que información dada por personas que han vivido en esas comunidades desde que ocuparon esos espacios. En este sentido, esta investigación se encuentra concebida con la idea de propiciar a las comunidades un entendimiento conceptual de los desastres como producto de procesos sociales y naturales que se conjugan para generarlos. Se presenta una metodología para entender los riesgos socio natural y sus tres componentes: 5 �amenaza o peligrosidad, vulnerabilidad y las deficiencias en las medidas de preparación, prevención y reducción. Para el caso específicos, existen lugares como en la ciudad de Maracaibo con vulnerabilidad y de fuerte presión por la ocupación de su territorio, debido a que cuentan con espacios para el desarrollo urbano adecuado y en los sitios donde se encuentran los centros poblados están en constantes peligro porque las construcciones en su mayoría se encuentran en zonas de riesgos. De allí la necesidad de contribuir a fin de crear conciencia al respecto e introduciendo medidas correctivas y estableciendo responsabilidades para tratar de minimizar las vulnerabilidades y así reducir el riesgo. Durante los últimos 25 años la Cuidad de Maracaibo ha presentado un crecimiento demográfico gigantesco hacia el noroeste de esta ciudad. Esto trae como consecuencia la poca o no inexistente planificación del ordenamiento político territorial, debido principal a esta causa. Sin duda alguna, esta situación afecta significativamente a las comunidades de Pradera Alta, Hato Cardón y Villa Luna asentadas al noroeste de la ciudad de Maracaibo, en la parroquia Francisco Eugenio Bustamante. De igual manera, se proporcionará información importante para ser utilizada en el ordenamiento territorial del sector, tal como la zonificación del uso y potencial del suelo, sobre la base de su nivel o susceptibilidad a las amenazas, así como el nivel de degradación, a través de la elaboración de los mapas de riesgo de fenómenos y geomorfológicos correspondiente a la comunidad del Barrio Pradera Alta sector 2, Parroquia Francisco Eugenio Bustamante, Municipio Maracaibo, estado Zulia. También es importante mencionar que los suelos inestables son la amenaza permanente en la parroquia puesto que la constitución geológica principalmente en zonas areno- limo - arcillosas, asociados con las precipitaciones de gran intensidad, es la principal causa de los movimientos de materiales inestables. Cabe destacar, que hace aproximadamente 20 años un grupo de habitantes respondiendo a la necesidad de poseer viviendas propias, decidieron establecerse en estos terrenos en los cuales existían un hato y un jagüey. El jagüey ya ha sido rellenado con escombros., sobre él se han construido algunas 6 �viviendas satisfaciendo así la necesidad de algunas personas de tener techo propio. La Parroquia Francisco Eugenio Bustamante, se encuentra en el Municipio Maracaibo del estado Zulia, localizado geográficamente en el extremo noroeste del Lago de Maracaibo del Estado Zulia, donde el Barrio Pradera Alta tiene como vía principal la Circunvalación 3, entrando por la avenida principal del Barrio 19 de Abril con una extensión aproximada de superficie de 25 hectáreas divididas en 23 manzanas El sector de Pradera Alta no se escapa a esta realidad hoy en día, ya que el uso irracional de los suelos, magnificados por la intervención inadecuada de las personas, ha llevado a importante situaciones de inestabilidades tanto actuales como potenciales, y es como se menciona anteriormente, la intervención del hombre en los procesos de orden natural como el desvió y rellenos de los causes de los ríos, quebradas y canales, remoción de la capa superficial y modificación topográfica ha ocasionado muchas veces daños irreparables, y que influyen de esta manera a la comunidad que se ven afectados por la acción de los procesos riesgosos de orden natural e inducido. Hace 20 años las tierras de la comunidad de Pradera Alta formaban parte de granjas abandonas por sus dueños, según los testimonios de los habitantes de dicha comunidad. Esta razón motivo a un grupo de personas a tomar las tierras con el propósito de construir sus viviendas, ya que carecían de estas. Sin embargo, hasta los momentos en la comunidad no han sido consolidados los servicios públicos básicos, solo cuentan con la prestación del servicio de electricidad, y la disponibilidad del agua potable es a través de tomas de tuberías clandestinas. Actualmente ningún organismo público local, regional o nacional ha dado respuesta a sus necesidades. Por otra parte, aproximadamente desde hace 8 años como consecuencia del desnivel topográfico, la perforación de pozos sépticos y, la toma clandestina de agua potable han generado probablemente la inestabilidad del terreno, y la apertura de un sistema de canales que sirven como aliviadero de la planta C de Hidrolago. Aunado a esta problemática la comunidad se encuentra clasificada según Protección Civil como zona potencial de amenaza y riesgo. 7 �Esta denominación se debe posiblemente a que durante el ciclo de invierno (período de precipitaciones) se producen las inundaciones en el sector, debido a que las viviendas se encuentran por debajo del nivel topográfico de las calles, las cuales representan en muchos casos hilos de escorrentía superficial de aguas producto de la caída de fuertes precipitaciones. Esto trae como consecuencia la imposibilidad del mejoramiento de la calidad de vida (“buen vivir”) de los habitantes del sector. Por otro lado, bajo estas condiciones no es posible la consolidación y prestaciones de los servicios públicos en el Barrio Pradera Alta y los sectores aledaños. Es importante, saber que cada componente se analizan en forma detallada y se determinan los factores que inciden en ellos, para así representarlos en un mapa de riesgo por inundaciones, el cual indica el grado o nivel de peligro de los diferentes fenómenos naturales, así como su evolución a través del tiempo. En él se puede incluir una propuesta de zonificación territorial, considerándolo para la identificación, tipificación y caracterización de las amenazas presentes en la comunidad. Todo esto conlleva a plantearse los siguientes objetivos de investigación: Objetivo general: Evaluar los riesgos por inundaciones de la comunidad Pradera Alta sector 2, Municipio Maracaibo. Objetivos específicos  Diagnosticar las áreas de amenazas y vulnerabilidad de la comunidad Pradera Alta sector 2, Municipio Maracaibo  Caracterizar los fenómenos presentes en la zona de estudio para mitigar los riesgo de la comunidad Pradera Alta sector 2, municipio Maracaibo  Diseñar mapas de riegos de inundaciones y geomorfológico correspondiente a la comunidad del Barrio Pradera Alta sector 2, Municipio Maracaibo Es por todo lo anteriormente expuesto, que esta investigación permita el desarrollo de evaluar la amenaza de crecidas en donde si se conocen los factores condicionantes como la geomorfología, hidrología y el uso de suelo, es posible obtener los planos de inundaciones en la comunidad, entonces se puede 8 �prevenir y minimizar los riesgos, en donde las variables a estudiar son los riesgos por inundaciones en la sociedad, esto es debido a que estos espacios inundables, pueden permitir realizar una evaluación de riesgo en la colectividad para minimizar estos, donde la determinación del riesgo con fines de evaluar es tarea laboriosa y complicada por la interrelación de los factores, y los procesos que generan las perdidas Esta investigación se centra en un estudio de tipo descriptiva, exploratoria de campo, que difiere de los demás estudios en términos del propósito, objetivos y métodos de recolección de datos a utilizar. En la actualidad los avances en computación y la concepción de nuevos software, permiten realizar la evaluación de riesgos, determinar la susceptibilidad y la vulnerabilidad del terreno de manera precisa y confiable. En la actualidad los Sistemas de Información Geográfica (SIG), realizan el análisis de la susceptibilidad de inundaciones de estos, así como la elaboración de mapas de peligrosidad de manera sistemática, rápida y eficiente, conociendo los datos y realizando los mapas del área. 9 �CAPÍTULO I – MARCO TEORICO 1.1 Introducción 1.2 Consideraciones generales sobre las inundaciones 1.3. Bases legales 1.4 Estado del arte sobre la cartografía del riesgo en Venezuela y Latinoamérica 1.5. Características físico geográficas y geológicas del área de investigación 1.6. Conclusión 1.1 Introducción El presente capítulo constituye la base conceptual del tópico de estudio y nos acerca, desde un punto de vista teórico, a lo que posteriormente será el objeto de nuestra investigación aplicada. Aquí se precisa los conceptos de inundación, riesgo, amenaza y vulnerabilidad, que luego traslada al escenario de la problemática asociada a las inundaciones y su evaluación, y como éstos se vinculan con la normativa legal que regula la gestión de este riesgo. 1.2 Consideraciones generales sobre las inundaciones Las inundaciones constituyen eventos recurrentes en los ríos y se presentan como consecuencia de lluvias fuertes o continuas que superan la capacidad de transporte de los ríos y la capacidad de absorción del suelo. Debido a esto el nivel del agua supera el nivel de banca llena y se produce la inundación de las tierras adyacentes. Estos eventos ocurren de forma aleatoria en función de los procesos climáticos locales y regionales. Estadísticamente, los ríos igualan o exceden el nivel medio de inundación cada 2.33 años (Leopold y otros, 1984). Las inundaciones pueden ocurrir debido al comportamiento natural de los ríos o a alteraciones producidas por el hombre. Las condiciones naturales corresponden a las características climáticas y físicas propiciadas por la cuenca en su estado natural, como son: el relieve, el tipo de precipitación, la cobertura vegetal y la capacidad de drenaje. Entre las alteraciones provocadas por la acción del hombre se tienen: la impermeabilización de los suelos al urbanizar, la deforestación, la alteración de los cursos y la canalización de los ríos, la construcción de obras hidráulicas, entre otras. 10 �Una cuenca en estado natural posee mayor interceptación vegetal, mayores áreas permeables, menor escurrimiento superficial del suelo y un drenaje más lento en relación con las características que presenta una vez es intervenida. Por esta razón las inundaciones se producen con menor frecuencia en una cuenca no intervenida Los problemas resultantes de los desbordamientos de las corrientes de agua dependen del grado de ocupación de la planicie de inundación y de la frecuencia con la cual ocurren las inundaciones. La población de mayor poder adquisitivo tiende a habitar las localidades seguras, mientras que la población más pobre ocupa las áreas de alto riesgo de inundación, provocando problemas sociales que se repiten durante cada creciente. Cuando la frecuencia de las inundaciones es baja la población subvalora el riesgo y ocupa las zonas inundables. Esta situación genera consecuencias catastróficas cuando se presentan nuevas inundaciones. No obstante la predicción de las inundaciones y sus efectos resulta ser una tarea bastante compleja, por cuanto el pronóstico del comportamiento hidrológico de largo plazo es difícil debido, por una parte, a la aleatoriedad de los fenómenos meteorológicos y, por otra, al gran número de parámetros y variables involucradas en los procesos hidrológicos (lluvia – escorrentía). Existen medidas para el control y el manejo de las inundaciones, las que pueden ser de tipo estructural y no estructural. Las medidas estructurales son aquellas que modifican el sistema fluvial evitando los daños generados por las crecientes, en tanto que las medidas no estructurales son aquellas en que la magnitud de los daños se reduce como consecuencia de una mejor convivencia de la población con las crecientes. Las medidas estructurales son todas aquellas obras de ingeniería (diques, presas, canales de desviación, etc.) en las cuales se interviene el sistema fluvial natural afectando los proceso hidrodinámicos y morfológicos en él. Estas intervenciones pueden originar efectos adversos que requerirán para su manejo y control la construcción de nuevas obras. Las medidas estructurales no pueden ser proyectadas para dar una protección total, ya que esto exigiría una protección contra la mayor creciente posible, lo cual física y económicamente no es factible. Es decir, las medidas estructurales no permiten controlar o evitar por completo las inundaciones, solamente tienden a minimizar los impactos originados por éstas (Tucci y otros, 2003). Una medida 11 �estructural puede crear una falsa sensación de seguridad, generando una mayor ocupación de áreas inundables, lo cual podría ocasionar daños significativos cuando se presenten inundaciones superiores al evento de diseño. En consecuencia, el control y el manejo más eficaz de las inundaciones se obtienen al establecer estrategias que combinen las medidas estructurales y no estructurales, permitiendo a la población minimizar las pérdidas y lograr una convivencia armónica con el río. Es decir, las medidas no estructurales complementan con gran efectividad las actuaciones estructurales por encima de su umbral de protección. El costo de protección de un área inundable a través de medidas estructurales, en general, es superior al de las medidas no estructurales. Por esta razón, las medidas no estructurales en conjunto con las estructurales pueden disminuir significativamente los daños con un costo menor Los mapas de riesgos de inundación constituyen una medida no estructural para el control de inundaciones. Estos mapas son modelos que permiten la evaluación y predicción de las consecuencias de un evento de precipitaciones extraordinarias, es decir, permite identificar, clasificar y valorar las áreas potencialmente inundables del territorio. La condición de riesgo se presenta únicamente cuando ocurre un evento natural en un área ocupada por actividades humanas que deben soportar las consecuencias de dicho evento. En consecuencia, el riesgo puede dividirse en tres componentes estrechamente interrelacionados: la amenaza, la vulnerabilidad y la exposición. La amenaza o peligro se define como la probabilidad de ocurrencia de un fenómeno natural con una cierta magnitud, generalmente de carácter sorpresivo y de evolución rápida que afecta a un componente o a la totalidad del sistema territorial expuesto. En consecuencia, las inundaciones constituyen las amenazas, que son el resultado de la combinación de la tipología, las características de los eventos lluviosos y el conjunto de factores físicos del área afectada. Desde esta perspectiva, la diferencia fundamental entre la amenaza y el riesgo es que la primera se refiere a la probabilidad de que se manifieste un evento natural, mientras que el segundo está relacionado con la probabilidad de que se den ciertas consecuencias (Fournier, 1985). La vulnerabilidad se refiere a la predisposición o susceptibilidad de los componentes antrópicos del sistema territorial para ser dañados total 12 �(destrucción) o parcialmente (deterioro) debido al impacto de la amenaza. Representa la medida de probabilidad de daño o pérdida de un componente o sistema territorial expuesto a la acción de la amenaza. La vulnerabilidad depende de dos condiciones: la ubicación del componente respecto a la zona de impacto de la amenaza (exposición) y las características y el estado de conservación del mismo. Por tanto, la vulnerabilidad es esencialmente una condición humana (Lavell, 1994). La exposición o elementos en riesgos se refieren a la distribución espacial de la población, actividades económicas, bienes materiales, obras de ingeniería, etc., sobre las que puede impactar la amenaza. En consecuencia, el riesgo de las inundaciones depende de la ocurrencia y magnitud de la amenaza natural y de la vulnerabilidad de un elemento o sistema territorial expuestos a ella. En el caso de las inundaciones, la manifestación del desastre se presenta cuando el impacto de los desbordamientos supera los mecanismos de defensa adoptados por la sociedad, generando perjuicios económicos, sociales, físicos, entre otros. Así, para que un evento de desbordamiento se convierta en desastre es necesario que sus consecuencias tengan un impacto en una estructura humana vulnerable. Por esta razón, no todos los eventos de precipitaciones fuertes o constantes pueden ser considerados como amenazas, por cuanto su peligrosidad depende del grado de vulnerabilidad de los elementos expuestos al riesgo Para la evaluación del riesgo de inundaciones es necesario determinar, en primer término, los mapas de amenazas (mapa de inundación) y de vulnerabilidad, para posteriormente integrarlos obteniendo el mapa de riesgos. La realización de una cartografía de riesgo es un paso previo ineludible a la puesta en práctica de cualquier tipo de medida no estructural y, por tanto, esencial para poder llevar a cabo una gestión eficaz de las zonas inundables (CEDEX y Otros, 2002). A partir de los criterios para la clasificación del riesgo se han desarrollado varias metodologías para la elaboración de los mapas de riesgo debido a inundaciones. Estas metodologías generalmente se basan en la determinación de un valor límite para la profundidad del agua, la velocidad del flujo o una combinación de estos dos parámetros. 13 �1.3. Bases legales La presente investigación está fundamentada jurídica y legalmente por leyes, reglamentos y ordenanzas entre otros, que de acuerdo a la Constitución de la República Bolivariana de Venezuela (1.999), y en armonía con los acuerdos internacionales, garantizan el compromiso nacional con la protección del medio ambiente. Nuestro país cuenta con una amplia legislación en relación a este tópico, como la Ley Orgánica de Ordenación Urbanística. (Gaceta Oficial Nº 33.868, 16-12-1987 Este instrumento jurídico tiene por objeto la ordenación del desarrollo urbanístico en el territorio nacional con el fin de procurar el crecimiento armónico de los centros poblados, establece, entre otros aspectos, las competencias que en dicha materia corresponden a los Poderes Nacional y Municipal, como autoridades urbanísticas y la planificación urbanística. Dentro de la planificación urbanística, se encuentran los planes de ordenación urbanística (POU) y los planes de desarrollo urbano local (PDUL), en los cuales se establecen, en los primeros, los lineamientos para la ordenación urbanística en el ámbito local y, en los segundos, los usos del espacio dentro de las áreas urbanas. Adicionalmente, se establece la posibilidad de dictar planes especiales cuyo objetivo fundamental es la ordenación, creación, defensa o mejoramiento de algún sector particular de la ciudad, en especial las áreas de conservación histórica, monumental, arquitectónica o cualquier otra que amerite un tratamiento por separado, dentro del plan de desarrollo urbano local. Así mismo, la Ley Orgánica del Ambiente (Gaceta Oficial Nº 5.833 del 22 de diciembre de 2.006), el mismo establece las disposiciones y los principios rectores para la gestión del ambiente, en el marco del desarrollo sustentable como derecho y deber fundamental del Estado y de la sociedad, para contribuir a la seguridad y al logro del máximo bienestar de la población y al sostenimiento del planeta, en interés de la humanidad. De igual forma, establece las normas que desarrollan las garantías y derechos constitucionales a un ambiente seguro, sano y ecológicamente equilibrado. De igual manera, la Ley de Gestión Integral de Riesgos Socio-naturales y Tecnológicos (Gaceta Oficial Nº 39.095 del 9 de enero de 2.009), la cual tiene por objeto conformar y regular la gestión integral de riesgos socio-naturales y 14 �tecnológicos, estableciendo los principios rectores y lineamientos que orientan la política nacional hacia la armónica ejecución de las competencias concurrentes del Poder Público Nacional, Estadal y Municipal en materia de gestión integral de riesgos. Todos ellos tienen el fin de mejorar la gestión en el ámbito territorial y la conservación de ecosistemas. 1.4 Estado del arte sobre la cartografía del riesgo en Venezuela y Latinoamérica Con la finalidad de cumplir con el principal objetivo de esta investigación, es necesario abordar un estado del arte, haciendo referencia a experiencias previas en investigaciones, para sustentar varias premisas fundamentales: el status de las investigaciones referidas a la cartografía del riesgo dentro del contexto venezolano y latinoamericano, hacia dónde se inclinan, su importancia, su demanda social, el apoyo institucional y la necesaria proyección de estas investigaciones. En los últimos años, la frecuencia y diversidad de amenazas naturales, la magnitud de los daños, además, las pérdidas materiales y humanas asociadas con éstas han generado una reflexión y un debate sobre los factores ajenos a los eventos físicos en sí, que podrían ayudar a explicar los niveles de destrucción e impacto que afectan la economía y sociedad. Una explicación en torno a esta reflexión es la llamada vulnerabilidad social o humana, ante lo cual se hace necesaria la gestión en la reducción del riesgo (Lavell, 2000). En el año 2001, en el Departamento de Ciencias de la Tierra de la UPEL, Instituto Pedagógico de Caracas, se desarrolló la línea de investigación denominada “Gestión y Educación para la Mitigación y Reducción del Riesgo y el Desastre”, coordinada por Méndez Williams, Pacheco Henry y Ruiz Simón. En esta materia, el departamento ha tenido varios enfoques para el estudio de la gestión de riesgo, debido principalmente a partir del fenómeno de lluvias extraordinarias, ocurrido en el estado Vargas en diciembre de 1999, conocido como “la tragedia de Vargas”, uno de los de mayor magnitud en Venezuela por la gran cantidad de personas afectadas; al mismo tiempo, comenzaron a realizar una serie de investigaciones con estudiantes de pregrado, que tenían como eje el estudio de riesgo por deslizamientos, orientadas hacia el aspecto educativo. 15 �Actualmente, la UPEL cuenta con otras líneas de investigación relacionadas, en la Sede de Maracay se encuentra una bajo la coordinación del profesor José Sierra denominada “Educación en Gestión de Riesgo” y dos más en Caracas, una coordinada por Méndez Williams, Henry Pacheco y Simón Ruíz, llamada “Investigación, Educación y Gestión de Riesgos y Desastres”; y otra por Scarlet Cartaya sobre “Estudio en geografía de los riesgos naturales y antrópicos, ecogeografía y conservación de recursos naturales”. Por otro lado, cabe destacar la importancia que tienen estos estudios, no sólo en el contexto nacional, sino latinoamericano y mundial; de acuerdo al seminario sobre “Reducción de Riesgos ante la Ocurrencia de Desastres Naturales en América Latina y el Caribe” realizado en México en el año 2006 [s.n] se precisa que “Desde finales de la década de los años ochenta, la preocupación por la ocurrencia de desastres provocados por la combinación de fenómenos naturales y las acciones realizadas por el hombre (…) se han convertido en un tema de interés nacional…”. Este interés se incrementa en la década de los noventa, donde crece considerablemente el número de investigaciones, discusiones y propuestas, enfocadas en esta temática, generando una tendencia dentro de las ciencias tanto geográficas como afines. En el año 2002, desde la óptica de la Comisión Europea y desde lo que se considera la propia realidad, América Latina “Es la más urbanizada de las regiones en desarrollo” y también “Se encuentra entre las regiones de alto riesgo en cuanto a fenómenos naturales” (p. 4), es una región de gran diversidad geográfica y, a menudo, sufre problemas derivados de fenómenos climáticos o geomorfológicos que se convierten en amenazas latentes. Es bien conocido que, en la gran mayoría de los casos, los altos niveles de urbanismo se convierten en un factor que interviene de forma negativa en la naturaleza, considerándose al agente antrópico también como una variable desencadenante de este problema, generando la aceleración de procesos “naturales” que se convierten en amenazas de riesgo. Por otro lado, dentro de muchas otras instituciones importantes se puede mencionar el caso de Banco Interamericano de Desarrollo, institución financiera multilateral para el desarrollo económico y social de América Latina y el Caribe, el cual fijó especial interés en el tema de la Gestión de Riesgo de Desastres en el 16 �año 2007; con el fin de superar el desafío del aumento de los riesgos y las pérdidas atribuibles a los desastres naturales, se destacan dentro de sus estrategias, la prioridad a las medidas para reducir la vulnerabilidad en su apoyo a los países de la región, incluso destacan textualmente en dichas estrategias lo siguiente; “Información sobre el riesgo para facilitar las decisiones: evaluar los métodos vigentes de determinación de los riesgos, establecer indicadores de la vulnerabilidad y del progreso en su reducción, y promover una amplia difusión de información sobre riesgos.” Es decir, que a nivel internacional existe un respaldo importante, sólo queda de parte de los investigadores, en especial los del área de la Geografía, dirigir en mayor medida sus enfoques en ese sentido, por lo que es pertinente reiterar la idea de que esto sería una gran oportunidad para proyectar a esta disciplina en un marco social e institucional bien interesante en Latinoamérica. Por otro lado, también se puede contar con la metodología del Instituto Colombiano de Ingeniería y Minería (IGEOMINAS), propuesta en el año 2001, mediante Castro et. al. (2006), en su obra titulada: “Evaluación de riesgos por fenómenos de remoción en masa: Guía metodológica”, la cual ha sido puesta en práctica por varios investigadores, dentro de los cuales destaca el trabajo de Cartaya, Méndez y Pacheco en el año 2006: “Modelo de zonificación de la susceptibilidad a los procesos de remoción en masa a través de un Sistema de Información Geográfica” aplicado a la microcuenca de la quebrada Curucutí, Estado Vargas, Venezuela. Además, la propuesta de Hervas, et. al. (2002), que ha sido validada por Zavala y Fidel, en una ponencia presentada en el XIII Congreso Peruano de Geología, llamada “Susceptibilidad a los movimientos en masa en la cuenca de la quebrada Hulanga. Pataz, La Libertad” en el año 2006. Finalmente, se pueden mencionar otras tantas que han sido puestas en práctica de forma particular, tal es el caso de Ramírez (2005) en su artículo denominado “Zonificación geomorfológica utilizando el concepto de estabilidad relativa aplicado a la microcuenca Los Tapiales, río Mucujún, El Vallecito, estado Mérida – Venezuela”; Ferrer y Laffaille (2005) “Zonificación física para la reducción de vulnerabilidad de barrios en los andes venezolanos”; Roa José Gregorio (2006) “Estimación de áreas susceptibles a deslizamientos mediante datos e imágenes satelitales: cuenca del río Mocotíes, estado Mérida-Venezuela”; y otros promocionados en años anteriores por la 17 �UNESCO, tales como “Desarrollo de una metodología para la identificación de amenazas y riesgos a deslizamientos en la cuenca del río San Juan, República Dominicana” y “Análisis de riesgo por inundaciones y deslizamientos de tierra en al microcuenca del Arenal de Montserrat” El Salvador” en los años 2000 y 2003 respectivamente, entre otros. Esto es sólo una muestra de lo que ha sido el desarrollo de las investigaciones en Gestión de Riesgo en América Latina y su representación cartográfica, queda como consideración que este tipo de investigaciones, deben ser ubicadas dentro de un marco en el cual se defina al riesgo como un problema no resuelto aún en los albores del siglo XXI, y que éstos no sólo están ligados con la naturaleza, sino más bien enmarcados en una relación hombre-naturaleza, por un lado la organización y estructura de la sociedad está implicada como causante del problema, por el otro es la más afectada. La sociedad moderna sumergida dentro del modelo económico capitalista se articula con un sistema moral que legitima la producción de riesgos. La relación poder-saber comprometida en las políticas sobre riesgos, parece haber sido desplazada por la politización de éstos, lo cual conlleva a pensar en torno a la correspondencia de este vínculo, cuya eficacia implica la comprensión del desastre como constructor social, suponiendo una profunda acción reflexiva en todos los espacios. 1.5. Características físico geográficas y geológicas del área de investigación La mayor parte del territorio del Estado Zulia se conformó, con grandes aportes de sedimentos marinos, durante los períodos terciarios y cuaternarios. Su configuración resulta del levantamiento del sistema de rocas precámbricas que componen las montañas de Mérida y la Sierra de Perija, conjuntamente con el movimiento que produjo el hundimiento de la fosa del Lago de Maracaibo en el cuaternario. Este proceso, alimentado por grandes presiones y calentamiento de la materia orgánica de las capas rocosas, generó los importantes depósitos de petróleo que se encuentran en la zona. Hidrología La mayor expresión hidrográfica del Estado Zulia es el Lago de Maracaibo el cual cuenta con 12.870 Km², y unos 550 Km², de costa. El Lago de Maracaibo es el núcleo colector de todos los ríos de la zona. Los ríos provienen de tres divisorias de aguas; los de la Costa Occidental se originan de la Sierra de Perija. Las sub18 �cuencas más importantes son la de los ríos Guasare-Socuy-Cachirí, la del río Santa Ana y la del río Catatumbo. Alguno de estos ríos forma lagunas y pantanos en el suroeste. Hacia la Península de la Guajira, la red hídrica es muy escuálida. Al sur del Estado, a través de las llanuras aluviales, desembocan los ríos que nacen en la Cordillera Andina, los cuales aportan una considerable carga sedimentaria que enriquece los suelos. Entre ellos se encuentran el Chama, Capazón, Torondoy y Motatán. En la Costa Oriental y desde la Sierra de Ciruma corren ríos que constituyen la reserva hidráulica del sector. Ciudades como Cabimas, Lagunillas y Ciudad Ojeda, dependen de ellos como fuentes de suministro de agua; entre los más importantes cabe destacar el río Pueblo Viejo, río Machango y río Misoa. Suelos El Estado Zulia cuenta con suelos de una gran variedad que producen grandes contrastes en el paisaje. En la zona norte, la Sierra de Perija, la Costa del Golfo de Venezuela hasta Castilletes y el norte de la Costa Oriental del Lago, encontramos suelos jóvenes sobre los cuales la sequía, la alta evaporación y el viento han producido una fuerte erosión y, en ciertas zonas, un carácter desértico. En el sur del Lago y en los márgenes de los río de la planicie Occidental encontramos suelos pantanosos con fuerte acumulación de materia orgánica, pero de uso agrícola muy escaso. Tanto en la planicie Oriental como en la Occidental, en zonas en la que se alternan las lluvias y la sequía, encontramos suelos de textura arcillosa y de estructura granular, y en ciertas áreas menores encontramos suelos cuyo alto grado de oxidación les confiere colores rojos y amarillos Posee suelos de textura media, con predominio de arcilla y agrietados durante la estación seca. A su vez presentan escaso desarrollo sometidos a una remoción natural de las formaciones superficiales; son delgados y susceptibles a los problemas de erosión por la deforestación del área. El relieve es poco accidentado a ondulado presentando una topografía plana. Esta puede ser valorada a partir de varias propiedades como: composición mineralógica o tipo de material (roca o formación superficial), textura, estructura, grado de meteorización y grado de fracturamiento. Para este alcance del modelo el factor litología se evaluará a partir de la caracterización mineralógica. 19 �Figura 1. Mapa de las formaciones del Estado Zulia. Fuente: Proyecto de Recursos Minerales (2010) Geomorfología El origen del relieve de la Región Zuliana es consecuencia de unos largos procesos geológicos; la orogenia del levantamiento y el plegamiento de los dos bloques montañosos del sistema andino; la formación de la depresión estructural y topográfica del lago, y el constante rellenamiento anterior y actual del graben que forma la cuenca sedimentaria del Lago de Maracaibo; son los principales acontecimientos que cubren cronológicamente el esquema general de la tectogénesis y de la morfogénesis en el desarrollo evolutivo de las unidades de relieve que caracterizan actualmente las formas del paisaje físico-territorial de la región. La unidad físico-natural del medio regional, muy variado en su composición geomorfológica es también el resultado de una serie de factores ambientales; fuertemente interrelacionados entre sí; el clima y los cambios climáticos influyen en los procesos erosivos y en las formas en que se depositan los materiales acarreados, el clima y sus efectos en la generación y desarrollo de los suelos; el clima y los suelos son soportes a su vez para la existencia de las plantas y los animales. Esto en conjunto da origen a una cadena de complejos procesos, los cuales son factores muy activos en la modelación del relieve. Efectivamente no existe uniformidad en las formas del relieve regional, con una fisonomía de los elementos territoriales varían de un lugar a otro, y las significaciones de su situación y la naturaleza de sus composiciones son 20 �diferentes aun cuando internamente hay amplitudes territoriales que presentan espacios geomorfológicos relativamente homogéneos. A pesar de las diferencias locales, en cierto modo es imposible desconocer las proporciones, las analogías que presentan los conjuntos espaciales que configuran la estructura físico-natural del territorio regional; zonas montañosas y zonas bajas gradualmente enlazadas componen una gran superficie de continuidad en la que más de la mitad de los terrenos son planos, una quinta parte son terrenos escarpados y el resto, superficies transicionales. En esta continuidad diferentes paisajes y ambientes naturales se presentan estrechamente articulados en el conjunto fisiográfico regional, el cual es particularmente diferenciable según las delimitaciones espaciales en cada unidad del relieve regional. Relieve En el Estado Zulia se pueden diferenciar cuatro grandes paisajes topográficos. En la parte Occidental, en la frontera con la República de Colombia, se encuentra la Sierra de Perija, cuya divisoria de aguas sirve de límite con Colombia. La sierra se divide en tres secciones: la Serranía de Motilones (continuación de los Andes Colombianos); al sur la Serranía de Valledupar tiene las mayores alturas, entre ellas el pico de Tetari (3.360 m); la tercera sección es la de Montes de Oca, al norte. En la Costa Oriental encontramos la Sierra del Empalado o de Ciruma, reserva hidráulica de la zona Oriental. El relieve premontano está formado por elevaciones menores de 2.000 m. Gran parte del material de estas áreas premontanas forma llanuras suaves en las zonas bajas. El piedemonte es una zona de transición entre las montañas y las tierras planas, que se encuentran por debajo de los 400 m de altura. Dispone de un gran drenaje a través de numerosas quebradas; en la costa oriental se aprecia el mismo patrón. Las áreas aluviales están constituidas por material sedimentario que proviene de las montañas que rodean al lago, sobre todo de los Andes. Ello ha dado lugar a las extensas planicies aluviales que rodean el sur del lago, como a las ciénagas y pantanos del suroeste. 21 �Clima El clima del Estado Zulia está dominado por las altas temperaturas durante todo el año. Cerca del 80 % del territorio tiene un régimen térmico elevado, mientras que el 20 % restante está sujeto a variaciones derivadas de las diferencias de altitud. En el norte el clima es semi-árido. El balance hídrico es negativo, con una evaporación que supera ampliamente a la precipitación. El período de lluvias se extiende de abril a noviembre y regularmente no se superan los 800 mm anuales. La temperatura media anual es de 27,8ºC. Este es el clima de la ciudad de Maracaibo. Sobre las riberas del lago domina el clima de sabana, caracterizado por temperaturas que pueden superar los 35ºC. La sequía, normalmente, abarca desde noviembre hasta abril. La Sierra de Perija cuenta con un clima tropical lluvioso con una corta estación seca de 2 a 3 meses, durante la cual la precipitación desciende de los 60 mm. El clima tropical lluvioso de selva representa las mayores precipitaciones en el Estado. Las lluvias alcanzan valores extraordinarios que en ocasiones bordean los 3.500 y 4.000 mm. De igual modo, predomina un clima cálido seco, se caracteriza por ser árido y semiárido, presentando elevadas temperaturas durante todo el año, fuerte evaporación y escasas precipitaciones. La temperatura promedio oscila entre 35° y 38° C; las lluvias oscilan entre 200 y 600 mm. En la zona meridional, la precipitación media anual se mantiene por encima de los 700 mm, ocurridas en precipitaciones cortas y violentas, que originan fuertes escorrentías con poca infiltración y retención de agua en los suelos. Por otra parte, la evaporación promedio anual supera los 1.800 mm, debido a la fuerte insolación diurna (entre 10 y 11 horas aproximadamente) y a la escasa nubosidad. Aun cuando la lluvia es escasa, hay un período de mayor sequía que va desde diciembre a abril. Las características climáticas que presenta la zona se deben en buena medida a la situación geográfica y a su topografía abierta, plana y poco accidentada que le expone a la acción de las brisas marinas, permanentes en el Golfo de Venezuela, cuyo efecto desecante se incrementa por la altas temperatura y la baja humedad del aire. 22 �Tabla 1 Parámetros climáticos promedio de Maracaibo Temperatura ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic Total Temperatura 31 31 32 32 31 32 32 33 32 31 31 31 32 Diaria máxima °C (°F) (89) (89) (90) (90) (89) (91) (91) (92) (90) (88) (89) (88) (90) Temperatura 23 23 25 25 25 25 26 25 24 24 24 23 25 diaria mínima °C (°F) (74) (75) (77) (78) (78) (78) (79) (78) (78) (76) (76) (75) (77) Precipitación 5 5 5 30 60 50 20 50 70 110 50 20 510 total mm (pulg) (0.2) (0.2) (0.2) (1,5) (2,6) (2,2) (1,0) (2,1) (3,0) (4,7) (2,2) (0,8) (20,3) Fuente: www.monografias.com 2010 De acuerdo con Urbani (2000), Urbani y Otros (2000) la Geología es una de las principales variables ambientales que intervienen en la estabilidad de las laderas, vertientes o taludes, e inundaciones, para ello se consideran los siguientes indicadores. Estratigrafía regional y local La descripción estratigráfica regional está sustentada por las unidades litoestratigráficas que se encuentran en las periferias del municipio Maracaibo y que suprayacen a las formaciones del Eoceno, las cuales se describen a continuación: Formación Icotea (Oligoceno) Una activa y prolongada erosión del Eoceno superior elimino una espesa sección eocena y continuó sobre grandes extensiones en la zona noreste de la cuenca de Maracaibo. Como representante del Oligoceno se encuentra en la cuenca la Formación Icotea, la cual es discordante tanto sobre el Eoceno truncado, como por debajo de la arena de Santa Bárbara de la formación La Rosa. La localidad tipo de la formación Icotea fue designada por Haas y Hubman (1937), en el sinclinal de Icotea, a lo largo de la costa oriental del lago en el estado Zulia. Litológicamente consiste de limolitas y arcillitas duras, macizas, típicamente de color blanco a gris claro, pero localmente abigarradas en verde claro, amarillo o rojo parduzco, ocasionalmente carbonáceas. En el lado oeste del Lago de 23 �Maracaibo contiene además de capas de areniscas verdes o grises, y pasa gradualmente a la parte basal del Grupo El Fausto. Algunos autores atribuyen a la formación Icotea un origen eólico con sedimentación subsiguiente en pantanos y lagunas, el espesor de dicha unidad es mayor en las áreas deprimidas siendo más delgado o ausente en las zonas elevadas de la superficie erosional pre-miocena. Se conoce un máximo de 180 m en el Sinclinal de Icotea en el Distrito Urdaneta. Formación La Rosa (Mioceno Temprano) El comienzo de la sedimentación miocena en la Cuenca de Maracaibo se caracteriza por una transgresión marina de considerable extensión territorial dentro de los límites del Lago, pero de duración relativamente corta. La base de la transgresión de la formación La Rosa está representada por un Intervalo arenoso conocido como Miembro Santa Bárbara. Por encima se encuentra el Miembro Lutitas de La Rosa, que marcan la extensión máxima de la transgresión (Zambrano et.al. 1972). La localidad tipo está en el Campo de La Rosa en el lado este del Lago de Maracaibo, área de Cabimas, y su nombre fue introducido formalmente por Hedberg y Sass (1937). En la sección tipo, la litología consiste en su mayor parte de lutitas arcillosas, verdosas, más o menos fosilíferas, con una cantidad subordinada de capas de areniscas e intercalación de areniscas y lutitas. En el lado oeste del lago la formación consiste casi completamente de lutitas arcillosas, verdosas y fosilíferas, con una pequeña cantidad de areniscas. Considerada en conjunto, la formación La Rosa es de ambiente marino oscilante y de poca profundidad. El espesor de dicha unidad en el área tipo es de 180 – 250 m, y alcanza su espesor máximo en el Sinclinal de Icotea, situado a 4 km. al norte del Campo Cabimas. En el Alto del Pueblo Viejo está ausente probablemente por no haberse sedimentado. Los espesores variables de esta formación reflejan su sedimentación sobre una superficie erosionada irregular. A la sedimentación de la formación La Rosa siguió la de los clásticos no marinos del Miembro Lagunillas Inferior identificado principalmente en el margen oriental de la cuenca. 24 �Formación Lagunillas (Mioceno Medio) Sobre la formación La Rosa en forma transicional y localmente interdigitada se sedimentó la formación Lagunillas, de la Cuenca de Maracaibo. La formación Lagunillas es una unidad del subsuelo del lago de Maracaibo, cuya área tipo es el Campo petrolífero Lagunillas. Sutton (1946) consideró que la formación es el resultado de sedimentación en ambientes de cambios rápidos de aguas salobres a marinas y de nuevo a aguas dulces. Se compone principalmente de una intercalación de lutitas, arcillitas, arenas, areniscas mal consolidadas y algunos lignitos. Esta formación se depositó de manera concordante y transicional sobre la formación La Rosa infrayacente, y lateralmente pasa a formaciones de ambiente más continental. Sutton (1946), dividió la formación Lagunillas en tres miembros: la parte inferior fue denominada Miembro Lagunillas Inferior, el cual contiene arenas petrolíferas importantes intercaladas con arcillas y lutitas carbonosas abigarradas, cuya base se coloca donde aparecen las primeras faunas marinas de la formación La Rosa, y el tope se coloca en la base de las lutitas del miembro Laguna suprayacente. El miembro Laguna contiene lutitas grises fosilíferas y lutitas arenosas que representan una breve incursión de aguas marinas normales. La mitad superior se denomina Miembro Bachaquero y se compone de intercalaciones de arcillas, lutitas arenosas y areniscas pobremente consolidadas. El ambiente de Bachaquero es marino en la base pasando en forma transicional a un ambiente más continental en el tope. El porcentaje de areniscas aumenta hacia el tope y son localmente petrolíferas en las áreas de Lagunillas y Bachaquero. El espesor de la formación Lagunillas es variable. En forma general se hace mayor en dirección oeste; en los campos de Tía Juana y Urdaneta presenta 450 y 900 m respectivamente. Algunas de las fallas del eoceno orientadas norte-sur continuaron activas durante el mioceno y obviamente tuvieron efecto notable en la migración y acumulación de hidrocarburo. Formación Isnotú (Mioceno Medio a Tardío) La formación Isnotú constituye la unidad intermedia del Grupo Guayabo, (formaciones Palmar, Isnotú y Betijoque), se reconoce en la parte suroccidental y suroriental de la Cuenca de Maracaibo. La secuencia del ambiente sedimentario 25 �continental exhibe gran variedad lateral y a veces es imposible separar definitivamente las unidades componentes. La formación Isnotú fue definida por Sutton (1946) con localidad tipo en las cercanías del pueblo Isnotú en el Estado Trujillo. Esta unidad se caracteriza por la intercalación de arcillas y areniscas, con cantidades subordinadas de arcillas laminares, carbón y conglomerados. Las arcillas, que constituyen cerca del 65 % de la formación, son macizas, localmente arenosas y de color gris claro, algunas son carbonosas y contienen restos de plantas. Las areniscas se presentan en capas de 2 a 3 m, de color gris claro a blancas, de grano fino a finalmente conglomeráticas, localmente micáceas y con rizaduras; dentro de las areniscas es común encontrar pelotillas de arcilla blanca. Carece de fósiles marinos, pero contiene restos de plantas. Su edad se deduce por correlaciones laterales. Salvador (1961) indicó que el ambiente de sedimentación es fluvial, y Florillo (1976) opina que dicha formación es el resultado de la sedimentación de abanicos aluviales y ríos trenzados, controlada por variaciones climáticas y por movimientos tectónicos de levantamiento andino. La formación se extiende a lo largo de la parte occidental del estado Zulia, entre la Sierra de Perijá y el Lago de Maracaibo, desde la región de Colon al sur hasta la de Páez. Durante el Mioceno, inició el lento hundimiento de la cuenca de Lago de Maracaibo que se rellenó gradualmente de sedimentos. Formación La Villa (Mioceno Medio - Tardío) Consiste principalmente de arcillitas rojizas, grisáceas, gris verdoso, moteadas, areniscas de grano fino a medio, mal escogida, localmente conglomeráticas de color gris a amarillo claro, regularmente moteadas en rojo púrpura. Ocasionalmente, se encuentran lutitas carbonáceas y vetas de lignito. Hacia el tope se encuentran vetas de conglomerado laterítico. La formación La Villa yace concordantemente y transicionalmente sobre la formación los Ranchos. En el tope, aparece en discordancia angular local, bajo la formación El Milagro. El léxico estratigráfico de Venezuela (1997) menciona que no contiene fósiles, salvo formas retrabajadas del eoceno y cretácico. Formación Onia. Informal (Plioceno - Pleistoceno) Hedberg y Sass (1937) aplicaron el término “Capas de Onia” a sedimentos jóvenes de carácter no marino en las partes sur y central de la Cuenca del Lago 26 �de Maracaibo. El nombre proviene del Río Onia, tributario del Río Escalante en el estado Mérida. Manger (1938) describió una sección en el pozo La Rita, a 2 km. De la población de La Rita, en la Costa Oriental del Lago, que Young (1956) recomendó como sección tipo. En el citado pozo se encuentran areniscas y limolitas gris verdoso de grano Grueso a fino, arcillosas, micáceas y friables, con un conjunto detrítico de minerales pesados metamórficos característicos de las “Capas de Onia”. Las limolitas contienen localmente capas calcáreas delgadas de color amarillo. Young (1960) hallo restos de peces y escasos gasterópodos en la formación Onia. El espesor de la formación varía normalmente entre 1220 y 95 m. El contacto inferior en la parte occidental del Lago es concordante y transicional con la formación La Villa. Existen dudas sobre su correlación a través de la Cuenca de Maracaibo. Formación El Milagro (Plioceno-Pleistoceno) Está expuesta en afloramientos sobre el Arco de Maracaibo, con localidad tipo en el barrio El Milagro en la ciudad de Maracaibo, donde se puede estudiar en los acantilados occidentales de la avenida de su nombre a lo largo de la costa del Lago; la unidad se conoce también en la Costa Oriental del Lago de Maracaibo del estado Zulia. Litológicamente está constituida de facies arenosas con notables niveles de ferrolita y lechos arcillosos o ferruginosos con madera silicificada. Un marcado paleosuelo ferruginoso separa las facies arenosas de facies arcillosas de colores verdosos. El ambiente de sedimentación de la unidad es fluvio-deltaico y lacustre marginal (Kerez y San Juan, 1964), ubicado a una distancia considerable de la fuente de sedimentos (Sutton, 1946). El espesor de la formación El Milagro sobre el centro del Arco de Maracaibo varía de 0 a 35 m; aumenta rápidamente hacia el sur alcanzando unos 150 m en el pozo Regional -1, unos 10 km, al suroeste de Maracaibo (Graf, 1969). En el subsuelo del Lago el espesor se desconoce. La formación El Milagro de edad Pleistoceno aflora en el sector con un espesor aproximado de 7,32 m. Esta unidad consiste de paleosuelo lateríticos bien cementados, que aparecen interestratificados de base a tope. Suprayace en contacto cóncavo con areniscas de grano medio de color morado que presentan internamente nódulos y tallos silicificados. Esta litofacie yace bajo arenisca gris claro meteorizada superficialmente. Infrayacente a ella se localizan litofacies 27 �arcillo-arenosa de color gris que gradan lateralmente a una arenisca de granos medio, micácea, con estratificación y laminación cruzada. Hacia la base se observa una arcilla rosada que contiene nódulos ferruginosos indicativos de intervalos de no sedimentación, además de un horizonte de yeso que evidencia la presencia de condiciones litorales. En cuanto al contenido paleontológico la unidad localmente es estéril, observándose solamente restos de tallos silicificados. Graf (1969), correlaciona la formación El Milagro en su parte superior con la formación Zazárida además de las formaciones Carvajal y Necesidad en la Serranía de Trujillo. En los sectores Primero de Mayo y El Milagro la unidad exhibe estructuras diagenéticas (nódulo) que varían de tamaño en el estudio lateral de campo; son indicativas de procesos de precipitaciones en la cuenca. Lateralmente hay cambio de salinidad y acuñamiento. De acuerdo a estos elementos geológicos la unidad designada El Milagro presenta un ambiente de formación fluvial a lacustre marginal. De acuerdo a Graf (1969), los sedimentos se depositaron en un amplio plano costero y de poco relieve y estuvieron expuestos a la meteorización y anegamiento durante el cuaternario. La unidad formacional del área se caracterizan por presentar litologías variadas como areniscas, arcillitas, entre otras, que cuando las mismas quedan descubiertas de vegetación tienden a meteorizarse rápidamente, lo que favorece la erosión en estos sitios descubiertos y los procesos de escorrentía transporta el material desagregado a áreas de menor pendiente. La unidad formacional distribuida en el área es El Milagro es de edad Pleistoceno, posiblemente extendiéndose al Plioceno, y se caracterizan por presentar litologías variadas como areniscas y arcillitas, entre otras, ya que cuando las mismas quedan descubiertas de vegetación tienden a meteorizarse rápidamente, lo que favorece la erosión en estos sitios descubiertos y los procesos de escorrentía transporta el material desagregado a áreas de menor pendiente. 28 �Figura 2. Mapa Geológico del área de estudio. Fuente: Nava y Salas (2008), modificado por Díaz L (2014) Patrón tecto-estructural Local. La cuenca del Lago de Maracaibo está enmarcada por tres alineamientos orogénicos mayores: la Sierra de Perijá al oeste, Los Andes de Mérida al sureste y la Serranía de Trujillo al este, el marco se completa con el sistema de la falla de Oca en el norte que aparentemente esta con la Cuenca del Golfo de Venezuela, aún no completamente definida y otras fallas como la del Tigre, Ancòn-Iturre entre otras, que definen el patrón tecto-estructural de la región, de los cuales están expresado en una serie de estructura morfo tectónica, la cual una de la más conocida como el Anticlinorio de Cojoro, y una serie de fallas que incide sobre la ciudad. De acuerdo a Funvisis, el área de investigación se encuentra en la Zona sísmica 3, forma espectral S3. 29 �Figura 3. Mapa Geológico del Occidente de Venezuela. Fuente: Léxico Estratigráfico de Venezuela (1998) Dentro del trabajo de investigación, no se representa ninguna estructura geológica significativa. 1.6. Conclusión En conclusión, desde el punto de vista geológico, los terrenos estudiados corresponden a la formación Milagro, la cual tiene, lateralmente, muchas variaciones litológicas, caracterizadas por presentar litologías variadas como areniscas, arcillitas, entre otras, que cuando las mismas quedan descubiertas de vegetación tienden a meteorizarse rápidamente, lo que favorece la erosión en estos sitios descubiertos y los procesos de escorrentía transporta el material desagregado a áreas de menor pendiente. Este factor causa inundaciones en áreas topográficamente deprimidas del sector 2 de Pradera Alta durante los periodos de lluvia. 30 �CAPÍTULO II MARCO METODOLOGICO 2.1 Introducción 2.2 Tipo de Investigación 2.3 Cartografía de riesgo por inundación 2.3.1 Evaluación de amenazas 2.3.1.1 Metodología general para la evaluación de amenazas 2.3.1.2. Evaluación peligrosidad del grado de amenaza o 2.3.1.3 Resultados esperados de la evaluación de amenazas 2.3.2 Evaluación de vulnerabilidad 2.3.3 Evaluación del riesgo 2.4 Metodología utilizada en la presente investigación 2.5 Conclusiones 2.1 Introducción En el proceso de evaluación del riesgo por inundaciones de la comunidad Pradera Alta, sector 2, Municipio Maracaibo se han utilizado diferentes métodos de investigación y una metodología de trabajo que son explicadas en el presente capítulo. 2.2 Tipo de Investigación Esta investigación se centra en un estudio de tipo descriptiva, exploratoria de campo, que difiere de los demás estudios en términos del propósito, objetivos y métodos de recolección de datos a utilizar. Los estudios de tipo descriptivos consisten fundamentalmente en la descripción de un fenómeno o situación mediante su análisis bajo circunstancias temporo espaciales determinadas, analizándose las características de la realidad o escenario que se estudia. Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades importantes de personas, grupos, comunidades o cualquier otro fenómeno que sea sometido a análisis. También se puede decir que el trabajo de campo implica la relación directa del investigador con las fuentes de información no documentales. Ezequiel Ander Egg (1977: 37-40) identifica dos tipos de contacto que caracterizan la investigación de campo: 1) global, que implica una aproximación integral al 31 �fenómeno a estudiar, identificando las características naturales, económicas, residenciales y humanas del objeto de estudio; y, 2) individual, que implica la aproximación y relacionamiento con las personalidades más importantes del grupo (identifica los líderes de los distintos niveles como los más importantes proveedores de información). La investigación que se presenta es un diseño no experimental, ya que no se realiza manipulación alguna sobre la variable objeto a estudio. Es decir, en esta investigación bajo ningún medio se hará variar intencionalmente la variable. En el presente trabajo lo que se hace es observar un fenómeno tal y como se da en su contexto natural, para después analizarlo. Para efectos de esta investigación por la consecución de los datos e información relativos a la variable, se considera además como una investigación de campo, que consiste en determinar directamente sobre el terreno los hechos que evidencian la situación indagada. 2.3 Cartografía de riesgo por inundación Los mapas de riesgo de inundación constituyen una importante herramienta de apoyo que puede ser utilizada para el cumplimiento de los siguientes objetivos: •Optimización de los planos de ordenamiento territorial de los municipios, de acuerdo con los riesgos de inundación. Los mapas permiten identificar las zonas con mayor riesgo de inundación. En estas zonas deben establecerse fuertes restricciones de uso del suelo. •Implementación y optimización de los sistemas de alerta y emergencia ante la ocurrencia de inundaciones. La predicción de la profundidad que alcanzaría la columna de agua en la planicie de inundación permite evaluar el impacto generado por una creciente determinada y establecer prioridades en las actividades a implementar antes y durante los desbordamientos. •Diseño de obras de protección. Dado que los mapas indican las zonas potencialmente inundables y el nivel que alcanzaría el agua al presentarse eventos extremos, contribuyen a identificar las zonas que deben protegerse y a realizar el pre dimensionamiento los diques de protección. •Los mapas que indican los niveles de riesgo aquí elaborados constituyen un primer y valioso paso para el control y manejo de las inundaciones originadas por 32 �las crecientes del cauce mediante la implementación de actuaciones no estructurales. •La cartografía de riesgo generada constituye una herramienta muy útil para el análisis del riesgo asociado a inundaciones y resulta indispensable para la cuantificación del mismo. Esta cuantificación representa el paso inicial para la evaluación del riesgo. Obtener datos hidrológicos directamente de los ríos o cursos de agua es un esfuerzo valioso pero que consume tiempo. Si tales datos dinámicos han sido obtenidos durante muchos años de aforos regulares, se pueden usar modelos para calcular la frecuencia estadística de los eventos de inundación, determinando así su probabilidad. Sin embargo, tales evaluaciones son difíciles sin aforos de por lo menos veinte años. En muchos países, los datos de aforos son insuficientes o no existentes. Como resultado, las evaluaciones del peligro de inundaciones, basadas en mediciones directas, pueden no ser posibles porque no hay una base para determinar los niveles específicos de inundación y los intervalos de recurrencia para determinados eventos. Se pueden realizar evaluaciones del peligro en base a datos de percepción remota, informes de daños y observaciones de campo cuando los datos cuantitativos son escasos. Tales evaluaciones presentan información graficada que define las áreas inundables que probablemente serán afectadas por una inundación de un intervalo específico (Riggs, 1985), se analizan las técnicas de cartografía del peligro de inundaciones, la aplicación de datos de satélite y los métodos, tanto tradicionales como recientes, para compilar y analizar la información necesaria. Existen particularidades de la superficie del terreno relacionadas con inundaciones, donde la planificación para el desarrollo regional debe tomar en cuenta las siguientes características de superficie, relacionadas con las inundaciones: - Topografía o pendiente del terreno, especialmente su horizontalidad; - Geomorfología, tipo y calidad de suelos, especialmente material de base de depósitos fluviales no consolidados; e - Hidrología y la extensión de las inundaciones recurrentes. 33 �Estas características comúnmente son consideradas en las actividades de evaluación de recursos naturales (OEA, 1984). Las preguntas a las que el estudio de planificación debe responder son; " ¿Cuan peligrosa es el área de estudio en relación con inundaciones recurrentes"? y "¿Cuál es la vulnerabilidad de las actividades de desarrollo existentes y propuestas?". Uno de los primeros pasos de un estudio de planificación es recopilar toda la información disponible relacionada con estas características y recomendar la instalación de equipos de aforo y estaciones hidrometeorológicas en regiones propuestas para el desarrollo, si es que no están ya disponibles. Existen técnicas dinámicas convencionales para el análisis de la frecuencia de inundaciones se han desarrollado durante el último medio siglo para evaluar cuantitativamente el peligro de las inundaciones. Estas técnicas tradicionales dan como resultado datos dinámicos históricos que, cuando están disponibles, se usan para cartografía de precisión de las llanuras de inundación. Además del registro de crecidas máximas durante un período de años (análisis de frecuencias), se requiere un estudio detallado (cortes transversales, pendientes y mapas de curvas de nivel) junto con estimados de asperezas hidráulicas, antes que se pueda determinar la extensión de inundaciones durante un intervalo de recurrencia esperado. En la cartografía tradicional de llanuras de inundación, los datos requeridos y los mapas incluyen lo siguiente: - El mapa base (topográfico) seleccionado, con el sistema de aguas subterráneas - Datos hidrológicos. - Mapas de suelos, fisiografía, geología, hidrología, uso de tierras, vegetación, densidad poblacional, infraestructura y asentamientos. Este método dinámico requiere de dilatados estudios de campo, a largo plazo, con una red de estaciones de aforo que puedan proporcionar los datos necesarios para evaluaciones precisas de riesgo. Rara vez está disponible información tan completa de muchos años para sistemas de ríos en países menos desarrollados. Para obtener información hidrológica, debe contactarse a instituciones hidrometeoro lógicas del gobierno, a fin de conseguir los datos y mapas disponibles. Los mapas de suelos y mapas geológicos frecuentemente demarcan las llanuras de inundación. Los mapas topográficos a escalas adecuadas para el proyecto generalmente están disponibles en el país. Lo que está más fácilmente 34 �disponible es la información derivada de técnicas estáticas, que son capaces de proporcionar información sobre evaluación del peligro de inundaciones. Otra técnica es la de percepción remota para áreas mayores tales como los principales valles de ríos, los fondos y el tiempo disponibles frecuentemente son limitados. Por lo tanto, usualmente no es posible llevar a cabo la recolección, costosa y detallada, de datos hidrológicos, su análisis y actividades cartográficas durante un estudio de planificación (OEA, 1969 y 1984). La tecnología de percepción remota, especialmente la tecnología espacial, proporciona ahora una alternativa económica y factible para complementar las fuentes tradicionales de datos hidrológicos. Estas técnicas estáticas proporcionan vistas del área que pueden ser analizadas respecto a ciertas características relacionadas con inundaciones y pueden ser comparadas con imágenes de fecha anterior o posterior, para determinar cambios en el área de estudio. Los métodos de percepción remota requieren de una plataforma tal como un satélite (p.e., Landsat) o una aeronave, además de un sensor, como el MSS, instalado en la plataforma. Las imágenes de satélites se pueden adquirir en formato digital (CCT) o analógico (película). Los datos digitales pueden no ser una alternativa debido a su costo y al requerimiento de equipos de cómputo y programas sofisticados. Por lo tanto, el propósito del método aquí presentado es proporcionar una técnica que hace uso de datos originales o de películas para la cartografía de llanuras de inundación y evaluación del peligro de llanuras inundables. También se discute a continuación el concepto de preprocesar CCTs, dado que es factible adquirir productos de películas digitalmente mejoradas para estas aplicaciones. Los mapas de inundaciones y peligros de inundación han sido preparados por muchos hidrólogos en todo el mundo con datos de aeronaves y satélites, principalmente las bandas visibles e infrarrojo (Deutsch, 1974). Unos pocos hidrólogos han utilizado los datos de infrarrojo térmico para cartografía de áreas inundadas (Wiesner et al., 1974, y Berg et al., 1981). Los datos de satélite pueden ser utilizados para encontrar indicadores de llanuras de inundación y son más fáciles de usar que las imágenes de aeronaves para demarcar llanuras de inundación (Soller et al., 1978). La información de la fotografía aérea realizada por computadora, o una combinación de ésta con 35 �imágenes de satélite, también ha sido utilizada. A su vez, se han usado las fotografías aéreas digitalizadas, en color infrarrojo, para clasificar la vegetación que se correlaciona con las llanuras de inundación. (Harker y Rouse, 1977). Los datos digitales Landsat han sido combinados con datos digitales de elevación para desarrollar relaciones etapa-área de áreas inundables (Struve, 1979). Una referencia integral sobre técnicas de percepción remota relacionadas con el curso de las aguas es Satellite Hydrology (Deutsch, Satellite Hydrology (Deutsch, 1981). que contiene más de 100 artículos sobre el tema. Existen diversos métodos para el análisis de riesgos debidos a amenazas naturales; sin embargo todos plantean una metodología de evaluación que distingue Amenazas y Vulnerabilidades. Entre los métodos que se utilizan están los métodos de análisis cualitativos y cuantitativos. Los métodos cuantitativos pueden aportar, cuando son aplicables, un grado de objetividad superior. Sin embargo, la escasez de datos prohíbe generalmente su aplicación consecuente. Además, para permitir una eficiente evaluación de riesgo, es generalmente más importante identificar correctamente las causas profundas (o factores) que causan el riesgo y que influyen sobre su dinámica (es decir sobre su crecimiento o su reducción), tanto del lado de las amenazas como del lado de las vulnerabilidades, que disponer de datos "exactos" sobre los riesgos en sí. En esta investigación se plantea por consiguiente una metodología de trabajo basada en análisis cualitativos. La aplicación de métodos cualitativos para el análisis de riesgos implica el conocimiento preciso de las amenazas, de los elementos en riesgo y de sus vulnerabilidades, pero expresados de forma cualitativa (basados en la experiencia y observaciones de campo). Las probabilidades de los eventos peligrosos son estimaciones realizadas partiendo de la experiencia de los especialistas, las vulnerabilidades y el riesgo son determinados también de forma relativa. 2.3.1 Evaluación de amenazas La amenaza es un agente agresor externo socio ambiental potencialmente destructivo con cierta magnitud dentro de un cierto lapso de tiempo y en una cierta área. Fenómeno social que puede causar heridos, muertes y daños graves. Como se mencionó anteriormente, aquellos fenómenos que de llegar a presentarse en un espacio y tiempo determinado pueden causar pérdidas y daños 36 �en comunidades o en sistemas que no se encuentren adaptados o preparados para absorber sin traumatismos sus efectos, a estos se les conoce con el nombre de “amenazas”. Si dichos eventos se llegaran a presentar en una zona en donde no existe presencia del hombre o de sus actividades son sencillamente expresiones de la naturaleza Por ejemplo, una zona poblada que se encuentra asentada cerca del área de influencia de un río y que a lo largo de su historia ha registrado inundaciones de diferente magnitud, con toda seguridad en años posteriores va a resultar afectada nuevamente por una inundación, la amenaza en este caso es la probabilidad de que el río aumente su cauce y ocasione daños sobre su área de influencia Las amenazas se clasifican en tres tipos: Amenazas naturales: Son propias de la dinámica de la naturaleza y en su ocurrencia no hay responsabilidad del ser humano y tampoco está en capacidad práctica de evitar que se produzcan. Según su origen, se clasifican en amenazas geológicas (sismos, erupciones volcánicas, tsunamis, deslizamientos) e hidrometeorológico (Huracanes, tormentas tropicales, tornados). En términos generales, las amenazas naturales son imposibles de evitar o prevenir, teniendo en cuenta que son expresiones propias de la dinámica de la naturaleza. Amenazas socios naturales: Existen amenazas aparentemente naturales como inundaciones, sequías o deslizamientos, que en algunos casos son provocadas por la deforestación, el manejo inapropiado de los suelos, la zonas desecación de inundables y pantanosas o la construcción de obras de infraestructura sin precauciones ambientales. Podrían definirse como la reacción de la naturaleza a la acción humana inadecuada sobre los ecosistemas. Las amenazas socio natural como las inundaciones o los deslizamientos, debido al manejo inadecuado de las cuencas hidrográficas o al conflicto en el uso del suelo, se pueden prevenir si actuamos sobre las actividades humanas que las causan (por ejemplo: deforestación u ocupación humana de suelos con vocación protectora). Amenazas antrópicas: Atribuibles a la acción humana sobre el medio ambiente y sobre el entorno físico y social de una comunidad. Ponen en grave peligro la 37 �integridad física y la calidad de vida de las personas, por ejemplo: incendios estructurales, contaminación, manejo inadecuado de materiales peligrosos, derrames de sustancias químicas, uso de materiales nocivos para el medio ambiente, entre otros. Frente a las diferentes amenazas que pueden afectar una comunidad determinada y que en muchos casos no se pueden evitar, se tienen que desarrollar acciones que apunten a bajar o eliminar la vulnerabilidad para disminuir el nivel de riesgo existente en una zona determinada, de ahí la importancia de diligenciar muy objetivamente la matriz de vulnerabilidad y plantear acciones para disminuirla (razón por la cual esto debe hacerse anualmente). Continuando con el ejemplo anterior de la comunidad asentada cerca al cauce del río, los factores de vulnerabilidad pueden ser físicos, como el estado y calidad de las construcciones, no hay muros de contención; sociales, como la poca organización y preparación de las comunidades, organizacionales los limitados recursos con los que cuentan los organismos o instancias de gestión dedicadas a la prevención y mitigación de riesgos; políticos, como la disposición de normas y mecanismos para la regulación del uso del territorio y la destinación de recursos para la reducción del riesgo. Hasta este momento tenemos la amenaza y la vulnerabilidad claramente definidas y cuando en una zona determinada confluye una o varias amenazas y estas se cruzan con los factores de vulnerabilidad de la comunidad o grupo social que habita en dicha zona, se generan entonces las condiciones de riesgo, las que pueden variar en la medida que alguno de los factores ya sea de la amenaza o de la vulnerabilidad cambian; de ahí la importancia de reconocer los ingredientes del riesgo (amenaza y vulnerabilidad) y establecer la posibilidad de actuar sobre ellos en forma anticipada, a fin de manejar las condiciones de riesgo existentes, de ser posible evitando la ocurrencia de desastres 2.3.1.1 Metodología general para la evaluación de amenazas El principal objetivo de una evaluación de amenazas (o de peligros) es predecir o pronosticar el comportamiento de los fenómenos naturales potencialmente dañinos o, en su defecto, tener una idea de la probabilidad de ocurrencia de dichos fenómenos para diferentes magnitudes. De esto modo, se logra una 38 �apreciación del riesgo que se correría en las zonas de influencia de las amenazas, si se utilizaría estas zonas para ciertos usos que implican niveles de vulnerabilidad alta (en particular el uso habitacional). La metodología de evaluación de amenazas inicia desde la presentación de una oferta técnica a la municipalidad interesada, y la elaboración de un plan de trabajo preliminar. Conlleva etapas de trabajo de campo para las observaciones y mediciones, y otras de oficina para el procesamiento de la información y la elaboración de mapas e informes. Esta metodología plantea trabajar con la base topográfica existente en el país a escala 1:50 000 para trasladar todas las observaciones y análisis de fenómenos peligrosos a planos o mapas hasta un nivel de detalle permitido a esta escala (mapas indicativos de amenaza). Una vez concluido el acuerdo con la municipalidad y comunidad, la secuencia de acciones más común y efectiva es la siguiente: - Definición de necesidades con las autoridades municipales en coordinación con la población y las instituciones locales y establecimiento del plan de trabajo. - Recopilación de información general y de antecedentes, utilizando técnicas participativas con la población (talleres) y otras fuentes. - Análisis de fotos aéreas y mapas topográficos - Elaboración de un diagnóstico y evaluación preliminar de campo - Levantamientos semi-detallados de campo - Elaboración de mapas y documentos de apoyo (encuestas, bases de datos...) - Elaboración de una propuesta de zonificación territorial (incluyendo elementos de uso de suelos y potencial de uso, así como el nivel de degradación ambiental) - Elaboración de Informe En lo referente a la información a recopilar, es importante definir el tipo de información requerida y desestimar datos secundarios o exceso de datos socioeconómicos, cuyas fuentes pueden ser mencionadas sin mayor detalle. Es importante identificar fuentes documentales para recabar testimonios personales sobre desastres pasados, signos indicadores de terreno, toponimia. La información obtenida debe ser evaluada antes de ser utilizada, con el fin de verificar su calidad, actualidad y confiabilidad utilizando para esto análisis 39 �comparativos, deductivos y correlaciones. En el caso de la información socioeconómica, debe cuidarse que ésta no sea muy antigua o con grandes diferencias temporales. La identificación de las zonas de interés especial se realizará partiendo de entrevistas a las autoridades municipalidades y a la población, con los cuales se puede realizar talleres participativos, con el fin de obtener la información directamente de los afectados e informar a la gente sobre la naturaleza del trabajo, para romper la desconfianza y, una vez que el trabajo ha sido realizado, para informarles sobre las medidas que se pueden tomar (eventualidad de que pueda instalarse algún sistema de observación y alerta, brindar consejos prácticos para el manejo del suelo, el manejo del agua, las construcciones.). La técnica del auto-mapeo se puede utilizar en este contexto. Se debe tener mucho cuidado para no adelantar opiniones sobre el peligro, sobre todo cuando éste parece elevado, para evitar una difusión distorsionada de la información. Estos aspectos son de gran importancia, ya que las metodologías participativas permiten involucrar a la población en las tareas de prevención y contribuyen a despertar o generar una conciencia de riesgo y prevención. Previo al trabajo de campo, se deben analizar los mapas topográficos y las fotos aéreas de la zona, con el objetivo de identificar áreas susceptibles a inestabilidades de terrenos, a inundaciones y procesos torrenciales. Estas actividades iniciales son de gran importancia ya que proporcionan una visión general previa de la situación del área de trabajo, lo que permite ahorrar esfuerzos y dinero al enfocar el trabajo de campo en zonas preseleccionadas, en cuya selección es importante incluir a representantes de la municipalidad. Durante el trabajo de campo se debe observar el área en detalle con el objetivo de encontrar evidencias que permitan definir límites, tipología de los fenómenos y grado de actividad en las zonas afectadas, lo cual proporcionará elementos para la evaluación del grado o nivel de peligrosidad del fenómeno, así como estimar la probabilidad relativa de ocurrencia del evento o eventos bajo estudio. El énfasis estará en las zonas de interés especial previamente identificadas, pero el recorrido debe cubrir toda la zona de estudio. 40 �2.3.1.2. Evaluación del grado de amenaza o peligrosidad Las clases de peligrosidad que se representan en un mapa de amenaza deben permitir apreciar el riesgo que se correría en un punto del espacio si se le daría a éste un uso común. Son de especial interés las amenazas que ponen en peligro la vida humana y - aunque en menor grado - las que ponen en peligro los bienes de la comunidad (por ej. las infraestructuras importantes) y de los particulares (viviendas, animales, herramientas, mobiliario.). Debido a la concentración de vidas humanas y de bienes que implica, el principal uso del espacio que puede significar riesgos elevados es el de vivienda en asentamientos humanos (pueblos, barrios, urbanizaciones). Por consiguiente, las clases de peligrosidad deberán sobre todo permitir una apreciación del riesgo que correrían, en un lugar del mapa, las vidas humanas (al exterior y al interior de casas o edificios comunes), así como los bienes en las edificaciones Las siguientes pautas pueden servir de referencia para establecer clases de amenaza o de peligrosidad, aunque cada tipo de amenaza pueda tener sus particularidades: Rojo: Peligro alto - Las personas están en peligro tanto al exterior como al interior de las viviendas o edificios - Existe un alto peligro de destrucción repentina de viviendas y edificios. - Los eventos se manifiestan con una intensidad relativamente débil, pero con una probabilidad de ocurrencia elevada, y las personas, en este caso, están sobre todo amenazadas al exterior de las viviendas y edificios. La zona marcada en rojo corresponde esencialmente a una zona de prohibición. Anaranjado: Peligro medio - Las personas están en peligro al exterior de las viviendas o edificios, pero no o casi no al interior. - Las viviendas y edificios pueden sufrir daños, pero no destrucción repentina, siempre y cuando su modo de construcción haya sido adaptado a las condiciones del lugar. 41 �La zona anaranjada es esencialmente una zona de reglamentación, donde daños severos pueden reducirse con medidas de precaución apropiadas. Amarillo: Peligro bajo - El peligro para las personas es débil o inexistente. - Las viviendas y edificios pueden sufrir daños leves, pero puede haber daños fuertes al interior de los mismos. La zona amarilla es esencialmente una zona de sensibilización. Blanco: ningún peligro conocido, o peligro despreciable según el estado de los conocimientos actuales 2.3.1.3 Resultados esperados de la evaluación de amenazas Como resultado de la evaluación de amenazas (o peligros) se generan dos tipos de mapas; sin embargo, su elaboración está en función de la disponibilidad de documentos e información básica. El producto de la evaluación de amenazas deberá hacer uso de los materiales disponibles. Los mapas topográficos a escala 1: 5000 son inevitables, porque son los únicos que cubren prácticamente todo. Según la realidad nacional los mapas factibles de realizar son: Mapas de inventario de fenómenos y Mapas indicativos de amenazas o peligros 2.3.2 Evaluación de vulnerabilidad La vulnerabilidad es el grado de pérdida de un elemento dado o conjunto de elementos de riesgos, como resultado de la presencia de un peligro ambiental y/o fenómeno natural de magnitud determinada Figura 4 Clasificación de la Vulnerabilidad. Fuente: Ministerio De Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial de Colombia (2005) 42 �También se puede decir, que la vulnerabilidad, tiene directa relación con las condiciones de debilidad o fragilidad de los elementos físicos o sociales de una comunidad, que pueden resultar afectados, dañados o destruidos al desencadenarse un fenómeno natural o antrópico, considerado amenazante para dicha comunidad y se podrían mencionar los siguientes:  Factores económicos: la pobreza es quizás la principal causa de vulnerabilidad, pero también lo es la utilización inadecuada de los recursos económicos disponibles.  Factores físicos: relacionados con la ubicación de las poblaciones y sus infraestructuras, el nivel de exposición a los fenómenos potencialmente peligrosos y la calidad de las estructuras y su capacidad de resistencia frente al impacto del evento peligroso.  Factores sociales: se refieren a la capacidad que tiene o no una comunidad para organizarse y la forma en que se estructura para enfrentar el riesgo.  Factores políticos: se refiere al nivel de autonomía que posee una comunidad para tomar decisiones sobre los problemas que la afectan, así como la capacidad de negociación de la comunidad frente a los actores políticos exógenos Por lo expuesto, podemos afirmar que un fenómeno natural se convierte en peligro cuando hay una población vulnerable expuesta a este fenómeno. Figura 5. Factores que explican la vulnerabilidad. Fuente: Díaz L (2013) 43 �La vulnerabilidad constituye un sistema dinámico, que surge como consecuencia de la interacción de una serie de factores y características (externas e internas) que convergen en una comunidad o área particular. A esta interacción de factores se le conoce como vulnerabilidad global. Esta vulnerabilidad global puede dividirse en varias vulnerabilidades o factores de vulnerabilidad, todos ellos relacionados entre sí: vulnerabilidad física; factores de vulnerabilidad económicos, sociales y ambientales. (Wilches-Chaux, 1993) La vulnerabilidad física se refiere a la localización de asentamientos humanos en zonas de amenaza, como por ejemplo en las llanuras de inundación de los ríos, al borde de los cauces. La vulnerabilidad estructural se refiere a la falta de implementación de códigos de construcción y a las deficiencias estructurales de la mayor parte de las viviendas, lo que conlleva a no absorber los efectos de los fenómenos naturales; la vulnerabilidad natural se refiere a aquella que es inherente e intrínseca a todo ser vivo, tan solo por el hecho de serlo. Los factores de vulnerabilidad económica y social se expresan en los altos niveles de desempleo, insuficiencia de ingresos, poco acceso a la salud, educación y recreación de la mayor parte de la población; además en la debilidad de las instituciones y en la falta organización y compromiso político, al interior de la comunidad o sociedad. Se ha demostrado que los sectores más pobres son los más vulnerables frente a las amenazas naturales. Un análisis de vulnerabilidad es un proceso mediante el cual se determina el nivel de exposición y la predisposición a la pérdida de un elemento o grupo de elementos frente a una determinada amenaza o peligro. La vulnerabilidad puede ser definida por tres niveles: baja, media y alta; también puede ser expresada como un porcentaje de elementos que pueden sufrir daño o destrucción (pérdida) sobre un total, aunque es difícil establecer una referencia de carácter absoluto. Los porcentajes pueden ser establecidos en función de las características del área, del tipo de fenómeno, de la densidad y frecuencia de ocupación humana, densidad de construcciones. Debido a la escala de trabajo (1:2 500), no es posible realizar verdaderos mapas de vulnerabilidad, ya que estos corresponden a una fase de estudios detallados y no es del todo viable, para áreas grandes como son las de los municipios. Por ello, se recomienda introducir la variable de vulnerabilidad dentro de los mapas de 44 �inventario o de amenaza a través de indicaciones que evidencien los elementos o grupos de elementos más vulnerables en zonas de mayor peligro. Por cuestiones de legibilidad, lo mejor es marcar la vulnerabilidad como parte de los sitios críticos, con un signo y un número que remita a una ficha. 2.3.3 Evaluación del riesgo El riesgo se define como la probabilidad de resultar afectados (daños y pérdidas) en caso de presentarse un fenómeno peligroso, en relación con la capacidad de resistencia y recuperación de los diferentes actores sociales frente a dicho fenómeno. Los riesgos se constituyen, también, como el resultado de las prácticas ambientales de la población que generan consecuencias no controladas, ni buscadas por ellos. En las dinámicas de desarrollo de los barrios se construyen peligros, los cuales van debilitando las capacidades de las personas y sus familias, construyéndose de esta manera los riesgos De igual manera, el riesgo es el grado esperado de pérdida de los elementos en riesgo debido a la presencia de peligros. Puede ser expresado en términos de pérdidas, personas heridas, daños materiales e interrupción de actividad económica. Podemos sintetizar lo expuesto en la siguiente fórmula: RIESGO = PELIGRO X VULNERABILIDAD X VALOR DE LAS PERDIDAS Está muy difundida la idea según la cual los desastres, en buena media, son culpa de la gente expuesta a la vulnerabilidad, riesgo y peligro. Es decir, se tiende a desconocer que estas poblaciones están expuestas a la vulnerabilidad por múltiples razones, como veremos más adelante, reduciendo la explicación a que por “ignorancia” o desidia, la gente no se cuida. Pero además, hay la inclinación por asumir que esta gente, dada su “inconciencia”, no está en la capacidad de hacer nada frente a una amenaza de desastre. Por el contrario, el imaginario común, estas personas aparecen como poco colaboradoras; sin capacidad de actuar autónomamente; como un estorbo en las medidas de prevención y emergencia. En el fondo prevalece la idea de ver a estas poblaciones como víctimas de las circunstancias. Es decir, son culpables y víctimas a la vez. 45 �Puede que muchos de estos supuestos sean parte de la realidad; pero es una versión parcial, muchas veces motivada por una visión pesimista de las capacidades de las poblaciones pobres para hacer frente a las adversidades. Se tiende así a descalificar las ideas, intereses, prácticas y aspiraciones de estas poblaciones, bajo el supuesto que su condición de pobreza material las condenas a la inacción y a la recurrencia de conductas riesgosas. Tal vez, la base del problema de esta versión pesimista de las capacidades para enfrentar la adversidad que supone la vulnerabilidad y el riesgo ante los desastres, está en que, por lo general, quienes se “hacen cargo” de esta problemática, se auto califican como profesionales técnicos, expertos en desastres, portadores de la solución. Desde esta postura, los “otros”, los afectados, “no saben”, por eso están en esa situación de vulnerabilidad y peligro permanente. Ante esto, afirmamos que hacer frente al riesgo, la vulnerabilidad y el peligro ante a los desastres, no es cuestión sólo de “especialistas”, o en el mejor de los casos, de que la población participe ocasionalmente como “mano de obra”. Se trata más bien de impulsar la participación ciudadana; es decir, de reconocer, social y políticamente, de que todas las personas, especialmente las más vulnerables, tienen derecho a construir su bienestar, su calidad de vida, y sobre todo a aumentar sus capacidades de controlar los riesgos Figura. 6 Elementos controlables y no controlables del riesgo. Fuente: Ministerio de Economía y Finanzas (2005) 46 �Para realizar análisis de riesgos, las evaluaciones de amenazas y vulnerabilidades son el primer paso. Las evaluaciones de riesgo pueden elaborarse a partir de una apreciación relativa del nivel de amenaza, de las indicaciones relativas a la vulnerabilidad global, y de la frecuencia de los fenómenos, mostrando una zonificación donde se indique el grado o nivel de amenaza y se le correlacione con el nivel de concentración de población y de inversiones o infraestructura. Con los recursos existentes y la escala de trabajo, no puede realizarse un mapa de riesgo propiamente dicho, pero sí pueden elaborarse mapas indicativos de amenazas con calificaciones de riesgo relativo. En particular, se puede llamar la atención sobre la existencia de lugares de alto riesgo mediante la representación de sitios críticos. La evaluación de riesgos comprende un análisis de probabilidades que ocurra un desastre conocido con determinada intensidad en cada zona evaluada y las pérdidas tanto físicas como funcionales que se espera que resulten de cala elemento en peligro (análisis de vulnerabilidad) en cada zona evaluada causado por el impacto de los desastres. Así mismo es presentada a través del mapa de riesgo, que es la presentación de los resultados de la valoración de riesgos en forma de mapa, el cual muestra los niveles de las pérdidas que pueden anticiparse en un área específica durante un periodo de tiempo determinado, como resultado del riesgo de desastre. Esta es un proceso de determinar la naturaleza y la dimensión de las pérdidas debido a los desastres en un área territorial y tiempo determinados. La evaluación de riesgos comprende un análisis de probabilidades que ocurra un desastre conocido con determinada intensidad en cada zona evaluada y las pérdidas tanto físicas como funcionales que se espera que resulten de cala elemento en peligro (análisis de vulnerabilidad) en cada zona evaluada causado por el impacto de los desastres. 2.4. Metodología utilizada en la presente investigación A continuación se describe, cada una de las actividades, las cuales engloban la utilización de métodos y técnicas, que conllevarán a la ejecución de esta investigación, y que permita cumplir con los objetivos establecidos; para tal efecto, 47 �el mismo va a ser dividido en las siguientes fases o etapas, entre las cuales se tiene: Fase I.- Revisiones bibliográficas y de antecedentes En esta primera fase y de gran importancia, permite conocer todos los estudios previos de interés que pudieran existir sobre el área, así como toda la documentación cartográfica disponible. Su importancia radica especialmente en que la naturaleza y calidad de la información y documentación existente puede ser determinante en la metodología a aplicar en el estudio y de la necesidad y/o intensidad de este. Se inicia con una revisión bibliográfica y de antecedentes, en esta oportunidad se tuvo la necesidad de realizar la búsqueda y recopilación de información, como estudios anteriores de la temática, así mismo la compilación de la hoja catastral Maracaibo Norte a escala 1:25.000, por parte del Instituto Geográfico de Venezuela Simón Bolívar, imágenes satelitales suministrada por la Sasplanet versión 13, Global Mapper versión 15.2, los raster y Arcgis 10.1todo esto con la finalidad de analizar e interpretar la información obtenida y de esta manera elaborar fichas de información técnica y bases de datos. Una vez cumplido lo anterior expuesto, se visitó a la comunidad como complemento a la fase I de la investigación, y se establecen contactos con sus habitantes a través de dos mesas de trabajo realizados los días martes 14 de junio, jueves 30 de junio y viernes 15 de julio del año 2.012, en la cancha de Usos Múltiples del sector Dos del barrio Pradera Alta, casa comunal del sector cuatro del barrio 19 de Abril, para conocer el Diagnostico de la comunidad y la vinculación con los actores involucrados, e identificar las principales necesidades o problemas de los afectados ( Foto 1). 48 �Foto 1. Mesas de trabajo con la comunidad de Pradera Alta Fuente Díaz L (2012) Dentro de este mismo contexto, se aplicaron varios conversatorios (Dialogo participativo), con entrevistas no estructuradas a personas de la comunidad del barrio Pradera Alta sector 2 con la idea de levantar la información histórica acerca de los eventos ocurridos en el área o sus alrededores. Finalmente se realizó una asamblea participativa para informar a la comunidad en general y establecer estrategias para el apoyo técnico-logístico e integración de esta con instituciones gubernamentales para la ejecución de la indagación pertinente. (Foto 2). Foto 2. Entrevista con la comunidad Fuente: Díaz L (2012) Fase II.- Diagnostico de la localidad de interés geológica Una vez cumplido la fase anterior, se hizo un recorrido por la comunidad para observar sus necesidades y problemas existentes a través de la información 49 �directa del escenario, para su evaluación previa, a través de un diagnóstico y levantamiento preliminar de campo. Así mismo se realizó un censo socioeconómico (Anexo 1) y se evaluó la infraestructura correspondiente al área de estudio con la inspección visual de las construcciones existentes, con entrevista no estructurada y lista de cotejo, tomas de fotografías y coordenadas geográficas, entre otros (Foto 3, 4). De igual manera se realizó un formato de inventario de riesgos naturales. (Anexo 2), donde se utilizaron criterios sobre la Geología Geomorfología, Hidrología, Suelo y Vegetación para el área de inundaciones y crecidas. Foto 3. Censo Socio-económico Pradera Alta sector 2 Fuente; Díaz L (2012) Foto 4. Evaluacion de las Infraestructuras de la comunidad Pradera Alta sector 2 Fuente: Diaz L (2012) Posteriormente se realizó un método de levantamiento geológico-geotécnico para evaluar las condiciones de los terrenos, se desarrolló la apertura de seis (06) calicatas (Foto 5) cumpliendo con la normativas exigidas por la Sociedad de 50 �Geotecnista de Venezuela (S.G.V.) en las avenidas 76D, 77 y 81, así como las calles 99J, 99G y 99N respectivamente, en las cuales se hicieron tomas de muestras de suelos (Foto 6) y una interpretación descriptiva de las unidades litológicas. Foto 5 .Apertura de la Calicatas en las avenidas y calles de la comunidad Fuente: Díaz L (2012) Foto 6 Toma de muestra de las calicatas realizadas en la comunidad Fuente: Díaz L (2012) Además, se realizó un sondeo eléctrico vertical (S.E.V.) en la avenida 77 con calle 99K de la comunidad Pradera Alta sector 2, aplicando el “Método Schlumberger” para la prospección y exploración del subsuelo, utilizando para las mediciones un georesistivímetro marca PASI, modelo E2 DIGIT, el estudio geoeléctrico tuvo la finalidad de detectar la presencia de lentes acuíferas, su profundidad y espesor de los niveles de suelos (Foto 7) 51 �Foto 7 Georesistivímetro marca PASI, modelo E2 DIGIT Fuente: Díaz L (2013) La elección del sitio fue decidida en función del lugar de mayor interés para las investigaciones geológicas que se están desarrollando en el área y de las condiciones logísticas de accesibilidad. Por estas razones y por los objetivos que se quieren alcanzar en este trabajo, se decidió ubicar el sondeo en la zona (Foto 8); más detalles de las ubicaciones de los S.E.V. se pueden obtener en la tabla 2. Tabla 2. Ubicación del S.E.V. y delimitación del área de estudio. SONDEO UBICACIÓN O REFERENCIA A lo largo de la Avenida 77 Alta esquina calle 99 kCota 47 m. 2 Pradera Coordenadas Coordenadas UTM del centro Geográficas del centro de simetría de simetría N: 1.175.673 N: 10.62397922574543 E: 0.206.207 E: -71.68506292246357 (s.n.m.) (ver fig.1A y 1B y foto 1). Fuente: Malandrino G (2012) 52 �Foto 8. Ubicación de S.E.V en la comunidad Pradera Alta sector 2. Fuente Díaz L (2012) Los resultados se han obtenido utilizando el programa de computación S.E.V. 2.0 de la Compañía Italiana “NUOVA INDACO” y distribuido por la Compañía PASI GEOSOFT de Turín, Italia. El manejo del programa consiste en sobre imponer a las datas de campo medidas e idóneamente corregidas, una curva matemática que posee el programa de interpretación con el fin de determinar la secuencia electroestratigráfica indicada en la misma figura, para posteriormente definir los litotipos (tipos de materiales) y condiciones probables en que se encuentra el subsuelo. Fase III.- Ensayos de laboratorios: En esta fase se aplicó los ensayos de laboratorio de la muestras de suelos tomadas en la etapa anterior, estos se rigen por las metodologías de ejecución, control y criterios de calidad establecidos en las Normas COVENIN, A.S.T.M. y A.A.S.H.T.O, y los lineamientos establecidos por el Colegio de Ingenieros de Venezuela (C.I.V.) y la Sociedad de Geotecnista de Venezuela (S.G.V.), y los mismos permitió dar a conocer las características físicas y mecánicas del suelo, así como la composición de los elementos en las capas de profundidad colectadas. Dentro de los ensayos aplicados solo se realizó la descripción e identificación de suelos y la humedad relativa (Procedimiento visual y manual), tomando como referencia el manual de ensayos de suelos del Laboratorio Fundalanavial y Geotecnia c.a. (Foto 9) 53 �Foto 9. Muestra para el análisis mineralógico Fuente: Díaz L (2012) Fase IV.- Procesamiento de la información: En esta fase, se procesa e interpreta la información de las etapas anteriores, que permitió delimitar lo más preciso posible el fenómeno de inundación, que afectan la zona de estudio, así como el grado o nivel de amenazas y vulnerabilidad de los diferentes fenómenos identificados y su evolución a través del tiempo. Las mismas se digitalizaron, para bajar los mapas georeferenciados y de alta resolución se utilizó Sasplanet versión 13 (Imagen 1), para bajar la data de las curvas de nivel (Imagen 2) y los raster (perfil) se utilizó Global Mapper versión 15.2, y utilizando el programa ArGIS, versión10.1 para las imágenes y los SHP (shapelife) con los cuales se diseñaron los mapas. Imagen 1. Mapa georeferenciado de la Comunidad Pradera Alta sector 2 Fuente: Andrade R, Díaz L (2014) 54 �Imagen 2. Curvas de Niveles. Fuente: Andrade R, Díaz L (2014) 2.5 Conclusiones En este capítulo se llega a la conclusión que con toda la información recabada y determinar una metodología adecuada para el procesamiento del análisis de los resultados, se obtuvo que importante la recopilación de la información y de los mapas existentes para realizar un estudio a detalle. De igual manera fue necesario el uso de un sondeo eléctrico vertical para saber cómo se encuentran los niveles de capa en subsuelo y la elaboración de las calicatas para determinar la composición mineralógica de la zona de estudio y por ultimo cuales fueron los programas utilizados para diseñar los mapas correspondientes. 55 �CAPÍTULO III – ANALISIS Y DISCUSION DE LOS RESULTADOS 3.1 Introducción 3.2 Diagnostico de las áreas de amenazas y vulnerabilidad de la comunidad Pradera Alta sector 2, Municipio Maracaibo 3.3 Caracterización de los factores geológicos que intervienen en la ocurrencia de inundaciones en el área de estudio 3.3.1 Suelos 3.3.2 Geomorfología 3.3.3 Hidrología 3.4 Evaluación de riesgo por inundaciones 3.5 Conclusiones 3.1 Introducción En este capítulo se presentan los resultados en la evaluación de riesgo por inundación obtenidos mediante el análisis cualitativo de la información obtenida durante el levantamiento sistemático y observaciones directas en las áreas correspondientes a la comunidad Pradera Alta sector 2, Parroquia Francisco Eugenio Bustamante, Municipio Maracaibo, Estado Zulia. 3.2 Diagnóstico de las áreas de amenazas y vulnerabilidad de la comunidad Pradera Alta sector 2, Municipio Maracaibo La comunidad Pradera sector 2 de la comunidad Pradera Alta, se encuentra compuesto por 23 manzanas, en donde se determinaran los sectores que se encuentran en amenaza o peligrosidad por inundacion. (Imagen 3). Esta investigación se basó en un análisis cualitativo, a través de un levantamiento sistemático y observaciones directas en las áreas correspondiente a la comunidad del Barrio Pradera Alta, sector 2, Parroquia Francisco Eugenio Bustamante Municipio Maracaibo, Estado Zulia; basados en indicios y evidencias que permitió definir límites, tipología de los fenómenos y grado de actividad en las zonas afectadas, lo cual proporcionará elementos para la evaluación del grado o nivel de amenazas y vulnerabilidad, así como los factores que afectan el área, dando como resultado que el principal problema que afecta a la comunidad, es que la misma se encuentran en áreas anegadiza o inundaciones reteniendo altos niveles de humedad como consecuencia al proceso de flujo de escorrentía superficial que debilita a los mismo observándose en las cotas más bajas del sector. 56 �Imagen 3. Croquis de la Comunidad Pradera Alta sector 2 por Manzanas, Drenaje y Curvas de Nivel. Fuente: Andrade R, Díaz L (2014) Es por ello, que al realizarse el diagnóstico a través de técnicas y herramientas aplicadas en la ejecución de la investigación, se engloban en las actividades que conllevaron a la aplicación del análisis cualitativo, por medio de un levantamiento sistemático y observaciones directas, encuestas y entrevistas (Mesas de trabajos) en las áreas correspondiente a amenazas y vulnerabilidad de la comunidad, en estas mesas de trabajo se notificaba a la colectividad de acuerdo a la supervisión desarrollada cual era el área más afectada a inundaciones, por lo que, de acuerdo a los resultados obtenidos se plantearán 57 �soluciones a la comunidad, a instituciones públicas y privadas encargadas de planificar, dirigir y ejecutar, todas las actividades relacionadas con la planificación y conservación del catastro en el ámbito territorial de los municipios, para estudios de gestión y ordenamiento ambiental y del territorio, y sobre los diseños y construcción de obras ingenieriles, a fines de mejorar la gestión en el ámbito territorial. Así mismo, de la evaluación realizada a la zona de estudio, se determinó que:  Las manzanas que se encuentran cercanas al drenaje principal, están afectadas por la anegación de los suelos (áreas con suelos reteniendo altos niveles de humedad) y cotas de máxima inundación marcadas en algunas viviendas.  Según algunas personas del Barrio Pradera Alta, sector 2, hay sectores donde el nivel freático se encuentra menos de un metro, y esto debido al elevado grado de saturación de los suelos.  Se observa en algunas calles y avenidas erosión menor a moderada y desarrollos de algunos surcos.  Los suelos en algunos sectores presentan un grado elevado de descomposición, ya que se observa presencia de materia orgánica de olor fétido, como consecuencia a la concentración de las aguas residuales.  Vegetación en deterioro físico y existencia de áreas con abundancia relativa de agua.  Escombros y basura (desechos y residuos sólidos) en calles y avenidas y en el drenaje principal, esto es por inconsciencias de las personas que habitan en la comunidad y por la ausencia de un sistema de recolección continuo en el sector.  Viviendas y otras construcciones con fracturas en sus bases, pisos y paredes.  Ausencia de un acueducto para aguas residuales, entre otras 3.3 Caracterización de los factores geológicos que intervienen en la ocurrencia de inundaciones en el área de estudio Los métodos de investigación aplicados han permitido la caracterización de todas las variables geológicas que intervienen en la ocurrencia de las inundaciones en el área estudiada. A continuación serán analizadas cada una de ella. 58 �3.3.1 Suelos La caracterización de los suelos se realizó a través de las calicatas y el sondeo eléctrico vertical (SEV). Los resultados obtenidos en las muestras tomadas y analizadas en laboratorio para obtener las propiedades físico-mecánicas de los suelos presentan las siguientes características: Calicata 1 Comunidad Pradera Alta sector 2 Horizonte 1. Espesor 14 cm Arena de grano medio a fino de color rojo oscuro, muy húmedo con bajo índice de plasticidad, sin presencia de raíces o humus Horizonte 2. Espesor 70 cm Arena de grano fino, arcillo-limosa de color rojo de media a alta plasticidad, húmeda, sin presencia de raíces Calicata 2 Comunidad Pradera Alta sector 2 Horizonte 1. Espesor 13 cm Arena de grano muy fino de color rojo oscuro con baja plasticidad, sin contenido de arcilla, un poco húmeda, sin presencia de materia orgánica Horizonte 2. Espesor 78 cm Arena fina limosa de color beige claro, semihumeda, compactada, con un índice de plasticidad baja. Calicata 3 Comunidad Pradera Alta sector 2 Horizonte 1. Espesor 20 cm Arena de grano fino a muy fino, de color beige, semihumeda, con baja plasticidad. Sin presencia de raíces Horizonte 2. Espesor 90 cm Arena de grano medio a fino, de color beige, con un índice de plasticidad medio, escasa humedad 59 �Es importante resaltar que en la zona donde se presenta el mayor riesgo, no se tomó muestras de suelo al noroeste del área de estudio debido a que hay muchos desechos sólidos y el suelo está muy alterado por la descomposición biológica del mismo. Los resultados obtenidos con la aplicación del SEV se muestran en la tabla 3, y en la figura 7. Según los métodos aplicados la primera capa, que tiene espesor y profundidad de 1,1 m está constituida de arena con mediana resistividad, indicando que se encuentra seco y sin arcillas. Debajo de esta capa, y con un espesor de 15,9 m se encuentra una capa completamente arcillosa la cual tiene una resistividad extrema de 1,4 ohm x m. Sigue una tercera capa de alternancia de arenas acuíferas con capas intercaladas de arcilla con un espesor total de 16,4 m y hasta la profundidad de 33,4 m. La cuarta capa está constituida probablemente por una arena bien compactada debido al alto valor de resistividad aparente interpretado (336,9 ohm x m). Hay que recordar que, desde el punto de vista geológico, los terrenos estudiados corresponden a la formación El Milagro, la cual tiene lateralmente muchas variaciones litológicas. La capa superficial es fácilmente saturable ya que tiene poco más de un metro de espesor y profundidad, alcanzando esta la capa arcillosa impermeable que no permite su drenaje. Este factor causa inundaciones en áreas topográficamente deprimidas del sector 2 de Pradera Alta durante los periodos de lluvia. El acuífero que se encuentra debajo de la capa arcillosa no interfiere localmente con la problemática de la comunidad, la cual se ve afectada únicamente por la falta del drenaje superficial y por la topografía donde las comunidades se encuentran ubicadas. La descarga de fluidos, como por ejemplo las aguas negras en el subsuelo a través de pozos sépticos, ubicados en áreas topográficamente más altas, razón suficiente para crear una escorrentía internamente en la capa superficial y manifestarse permanentemente en las zonas topográficamente más bajas. Como solución al problema se puede sugerir la realización de una red de cloacas canalizadas hacia el sector La Chamarreta con dirección paralela al sistema natural de drenaje superficial que se observa en el territorio (disposición del canal natural). 60 �Tabla 3. Profundidades del S.E.V Fuente: Malandrino G (2012) 61 �Figura 7. Sondeo e Interpretación de la Curva y capas. Fuente: Malandrino G (2012) 62 �Los suelos de la comunidad están compuestos por depósitos heterogéneos no consolidados ya que estos se encuentran mezclados con material de arrastre que trae consigo el agua superficial, depositándolo sobre el suelo in situ desarrollado sobre la formación El Milagro, dependiendo al periodo de precipitaciones, estos materiales son transportados a las áreas planas de la comunidad, las cuales son erosionables por los flujos torrenciales y superficiales. (Foto 10) Foto 10. Suelo heterogéneo no consolidado. Fuente: Diaz L (2012) El suelo de la comunidad Pradera Alta sector 2 posee un suelo de textura media, con predominio de arcilla y agrietados durante la estación seca. A su vez presentan un escaso desarrollo, al estar sometidos a la remoción natural de los horizontes superficiales, los cuales son delgados y susceptibles a los problemas de erosión por la deforestación del área. 3.3.2 Geomorfología El relieve es poco accidentado a ondulado presentando pendientes bajas orientadas al noroeste, encontrándose las mayores inclinaciones del terreno hacia el sureste. Las áreas más aplanadas se encuentran ubicadas a lo largo del drenaje natural que limita al noreste de la comunidad, observándose llanuras de inundación, áreas anegadizas, erosión moderada y surcos, socavamiento y pequeños deslizamientos menores cerca del drenaje. (Foto 11). 63 �TESIS EVALUACIÓN DE RIESGOS POR INUNDACIONES DE LA COMUNIDAD PRADERA ALTA SECTOR 2, MUNICIPIO MARACAIBO Lizetty Díaz �Foto 11. Áreas planas de la zona de estudio y socavamiento en el sitio Fuente: Díaz L (2012) Los aspectos geomorfológicos del área de estudio, describen las formas, así como los procesos erosivos que en la actualidad modifican el relieve, considerando su magnitud e intensidad. Al final de esta caracterización, se presenta una matriz donde se evalúan cada una de los rasgos geomorfológicos identificados y las actuales acciones erosivas que las afectan. En esta sección se proporciona una visión aproximada de los tipos de acciones erosivas identificando sus magnitudes e intensidades. Estas acciones están vinculadas a factores litológicos, hidrológicos y climáticos inherentes a la morfología del área, identificándose algunos procesos tales como: socavamiento o erosión moderada, llanuras de inundaciones, escurrimiento difuso o superficial, surcos, pequeños deslizamientos menores y áreas anegadizas estos representándose en el mapa geomorfológico Este mapa geomorfológico de la comunidad Pradera Alta sector 2, presenta algunos rasgos característicos como: llanuras de inundación, las cuales se desarrollan en las partes más baja o menos inclinada del área (noroeste), 64 �cubiertas por sedimentos arrastrados por el drenaje y que generalmente se encuentran inundadas o se inundan en periodos de lluvias, este tipo de terreno con esta característica se extiende prácticamente por toda la superficie de la zona de estudio, la cual es el área más crítica. También se pueden observar áreas anegadizas las que se ubican a la margen de cauce principal y hacia al noroeste de la comunidad Pradera Alta sector 2, estas planicies anegadizas son áreas, donde se encuentran las cotas más bajas y en que la cubierta de vegetación natural es poca debido al elevado nivel freático evitando el crecimiento de árboles. Otro rasgo o proceso geomorfológico observado es el socavamiento o erosión moderada, donde estas acciones erosivas que realizan las corrientes de las vías de agua, en donde sus efectos más notorios es durante las crecientes en los periodos de precipitaciones en el área y que estos se manifiestan en los cauces principales que son más vulnerables a la acción de las corrientes sobrecargadas de sedimentos finos y gruesos durante las épocas de inundación. La erosión del drenaje de la comunidad se produce a lo largo de todo el borde de este, mientras que los socavamientos propiamente dichos, son más activos en los sectores cóncavos del cauce, ambas acciones producen el ensanchamiento de este, estos se encuentran a lo largo del curso del drenaje del sector estudiado. De igual manera, los surcos son uno de los procesos erosivos que se producen en la comunidad Pradera Alta sector 2 debido a que cuando las aguas de precipitación excavan en el suelo los canales de drenaje más o menos definidos de dimensiones variadas, desarrollándose estas sobre todo en zonas que han perdido su cobertura vegetal, esta se encuentra en las orillas del drenaje principal de la comunidad. Así mismo, se encuentran los escurrimientos superficiales en donde la acción erosiva del agua proveniente de las lluvias en su descenso por las laderas del drenaje principal y por algunas calles y avenidas de la comunidad se presenta de manera difusa, debido a que cuando la lluvia cae e inicia un lento descenso por la superficie se forman estas aguas superficiales, todo esto porque el terreno tiene poca pendiente, es permeable y con poca vegetación, este escurrimiento se encuentra compuesto por algunos hilos de agua que discurren cruzándose constantemente sin provocar cambios erosivos, estos drenajes intermitente se encuentran ubicados hacia el nor-noroeste y sureste de la comunidad Pradera Alta sector 2. (Imagen 4) 65 �Imagen 4. Mapa Geomorfológico de la zona de estudio Fuente: Boscan J, Díaz L (2012) De igual modo, predomina un clima cálido seco, se caracteriza por ser árido y semiárido, presentando elevadas temperaturas durante todo el año, fuerte evaporación y escasas precipitaciones. La temperatura promedio oscila entre 35° y 38° C; las lluvias oscilan entre 200 y 600 mm anual. Todo esto conlleva a que el uso irracional de los suelos, magnificados por la intervención inadecuada de las personas, ha llevado a importante situaciones de inestabilidades, y la intervención del hombre en los procesos de orden natural 66 �como el desvió y rellenos de los cauces de los ríos, quebradas y canales, la remoción de la capa superficial y modificación topográfica ha ocasionado muchas veces daños irreparables, y que influyen de esta manera a la comunidad que se ven afectados por la acción de los procesos riesgosos de orden natural e inducido. Pradera Alta formaba parte de granjas o hatos abandonados por sus dueños, en estas existían jagüey y estos fueron rellenados con escombros, sobre el cual se han hechos construcciones, esto según los testimonios de los habitantes de dicha comunidad. Esta razón motivo a un grupo de personas a tomar las tierras con el propósito de construir sus viviendas, ya que carecían de estas. Sin embargo, hasta los momentos en la comunidad no han sido consolidados los servicios públicos básicos, solo cuentan con la prestación del servicio de electricidad, y la disponibilidad del agua potable es a través de tomas de tuberías clandestinas. Por otra parte, aproximadamente desde hace 10 años como consecuencia del desnivel topográfico, la perforación de pozos sépticos y, la toma clandestina de agua potable han generado probablemente las áreas de inundaciones, y además de la apertura de un sistema de canales que sirven como aliviadero de la planta C de Hidrolago, ha generado que este sector es una zona de amenaza y riesgo. Es importante resaltar que hace aproximadamente unos ochos años atrás se viene presentando problemas de anegación, situación que se agrava en la estación de clima húmedo (Periodo de pluviosidad) aunado esto a la falta de un acueducto para la disposición y tratamiento de las aguas residuales del barrio Pradera Alta y de sectores adyacentes a este, como el Barrio Hato Cardón, Las Trinitarias y Pradera Baja los cuales ayudan acelerar este proceso, ya que descargan las aguas de uso domestico sin control alguno al suelo. También se puede decir, que las fuertes precipitaciones acaecidas a finales del año 2.011, provocaron que los canales de drenajes que atraviesan en el sector antes mencionados arrastraran un caudal de agua por encima de su capacidad, lo cual causó las inundaciones correspondientes a este sector. En la comunidad de Pradera Alta sector 2, se presentan los distintos rasgos geomorfológicos, resultado de una serie de factores fuertemente interrelacionados entre sí, que hacen que en este se dé el proceso de inundación, entre ellos tenemos el suelo, clima, hidrología, entre otras, que hacen que causen 67 �anegaciones en el área de estudio. Esto es debido a que los factores activos de la zona modelen el relieve observándose a través del perfil topográfico. (Imagen 5) Imagen 5. Curvas de Nivel con Perfil Topográfico. Fuente Andrade, Díaz L (2014) 3.3.3 Hidrología En general el patrón de drenaje del área de estudio está estrechamente ligado a la estructura del área, la forma de drenaje localizada se caracterizan por ser permanente y de tipo meandriforme de forma subparalelo con tendencia a ramificarse con otros drenajes intermitentes o hilos de agua que pueden considerarse como drenajes debido a que en periodo de precipitaciones algunas avenidas o calles son cursos de aguas de escorrentías Posee un escurrimiento difuso, ya que el material de las laderas se encuentran mal consolidado, lo que provoca la formación de pequeñas cárcavas y surcos, mientras que en las zonas planas o de menor cota este escurrimiento se concentra, debido a que existen 68 �viviendas que obstruyen el paso de las aguas superficiales en las áreas. (Imagen 6). Imagen 6. Drenajes y Curvas de Nivel. Fuente: Andrade R, Díaz L (2014) Los drenajes naturales se ven afectados por la obstrucción de los mismos, siendo el causante los escombros y basura que son arrojadas sin control sanitario obstaculizando la misma dando como resultado aéreas anegadiza (áreas con suelos reteniendo altos niveles de humedad) y cotas de máxima inundación marcadas en algunas viviendas. (Foto 12) Foto 12. Áreas anegadizas cerca del drenaje principal Fuente: Díaz L (2012) 69 �3.4 Evaluación de riesgo por inundaciones Continuando en este orden de ideas, es importante resaltar que también se puede decir, que para el estudio de riesgo, se debe tomar en cuenta la vulnerabilidad, la cual tiene directa relación con las condiciones de debilidad o fragilidad de los elementos físicos o sociales de la comunidad, que pueden resultar afectados, dañados o destruidos al desencadenarse un fenómeno natural o antrópico, considerado amenazante para dicha comunidad, donde existen factores de vulnerabilidad relacionados entre sí: vulnerabilidad física; vulnerabilidad económicos, sociales y ambientales. Es por eso, que la vulnerabilidad de nuestra comunidad ante determinados amenazas naturales, tiene causas de orden económico, social y ambiental, lo cual es un proceso que se construye progresivamente a lo largo de los años y se va acumulando y además ampliando hacia peligros tecnológicos, biológicos y potenciales conflictos sociales. En la presente investigación se consideró la vulnerabilidad física como la localización de asentamientos humanos en zonas de amenaza, como por ejemplo en las llanuras de inundación de los ríos y áreas de anegación, al borde de los cauces, y una vulnerabilidad estructural que se refiere a la falta de implementación de códigos de construcción y a las deficiencias estructurales de la mayor parte de las viviendas, debido a que las edificaciones de acuerdo a su tipología constructiva y materiales de construcción se tiene que alrededor del sesenta por ciento (60 %), comprende a ranchos y construcciones rudimentarias (Artesanales) con paredes de bloques y techo de zinc, un veinticinco por ciento (25 %) con paredes de bloque, mechones y techo de zinc, y el quince por ciento (15 %) restante con paredes de bloque, columnas, vigas y techo de zinc o platabanda. En cuanto a la vulnerabilidad social y económica, el barrio Pradera Alta, sector 2, está conformado por cuatrocientos cincuenta (450) familias, distribuidas en veintisietes (23) manzanas con una población de un mil trescientos cincuentas (1.350), de acuerdo al cenco socio-económico del Consejo Comunal, estas se expresan en los altos niveles de desempleo, insuficiencia de ingresos, poco acceso a la salud, educación y recreación de la mayor parte de la población, se ha demostrado que los sectores más pobres son los más vulnerables frente a las amenazas naturales, donde los habitantes de este sector tienen unos ingresos 70 �familiares promedios mensuales menores al sueldo mínimo actual (4.270,51 bolívares fuertes (BsF) y con respecto al grupo familiar, en el que el sesenta y cinco por ciento (65 %) de las viviendas tienen más de 5 habitantes, y un setenta por ciento (70 %) posee más de 15 años de residencia en el sector. De acuerdo a lo anterior, la mayoría de las personas son descendientes colombos-venezolanos y de etnia Wayuu, y su actividad económica es de tercer nivel, algunos sin empleos, pero la mayoría de las personas de la comunidad se abastece de alimentos en mercados cercanos al sector como por ejemplo en las adyacencias de la Circunvalación Tres, por la urbanización San Rafael y Las Chamarretas. Es importante señalar, que las actividades cotidianas de las personas que habitan en comunidad, contribuyen a acelerar los procesos de orden natural e inducidos y por ende las amenazas y vulnerabilidades ante los mismos, como la descarga de las aguas sin control alguno al suelo, la obstrucciones al escurrimiento del drenaje principal, colmatado por desechos y residuos sólidos entre otros. (Foto 13) Foto 13. Desechos sólidos en las calles y drenaje de la comunidad Pradera Alta sector 2 . Fuente Díaz L (2012) Es por ello, que se pudo definir los niveles a amenazas del tipo inundación y la vulnerabilidad del área de estudio, asignándoles valores a cada parámetro geológico, geomorfológico y de pendiente, de acuerdo a su grado de influencia sobre posible amenaza que represente permitiendo caracterizar los fenómenos e identificación y valoración de elementos expuestos. Definidos los límites, tipología de los fenómenos y de haber determinado las áreas que tienen un comportamiento crítico, se procedió a definir los niveles de riesgo a 71 �inundaciones, sobre la susceptibilidad y posible amenaza que represente, de esta manera se obtuvo los siguientes niveles: - Riesgo bajo: Incluye aquellos sectores alejados de las márgenes del drenaje, a más de 50 metros de distancia del cauce principal y con una diferencia altitudinal entre 5 y 10 con respecto al mismo, donde los procesos hidrológicos influyen con menor afectación e intensidad. El peligro para las personas es débil o inexistente, las viviendas pueden sufrir daños leves, pero puede haber daños fuertes al interior de los mismos. La zona de bajo riesgo se encuentra hacia Sureste del sector 2 de la Comunidad Pradera Alta, representada con el color amarillo que es una zona denominada de sensibilización, de acuerdo a la Ley Orgánica de Riesgos Socio naturales y Tecnológicos - Riesgo medio: Áreas con distancias de entre 25 y 50 metros del drenaje, con diferencias altitudinales con respecto al cauce que varían entre 3 y 5 metros. Las personas están en peligro al exterior de las viviendas, pero no o casi no al interior, estas pueden sufrir daños, pero no destrucción repentina, siempre y cuando su modo de construcción haya sido adaptado a las condiciones del lugar, donde daños severos pueden reducirse con medidas de precaución apropiadas.Esta zona se encuentra ubicada hacia el norte de la comunidad, representada con el color anaranjado, conocida como zona denominada reglamentación, de acuerdo a la Ley Orgánica de Riesgos Socio naturales y Tecnológicos - Riesgo alto: Sectores cercanos al drenaje, y que presentan restricciones asociadas a sitios críticos de desborde del mismo, y que son zonas de impacto directo, asociadas a distancias menores a 25 metros de este, con cotas muy cercanas a las de su cauce (entre 0 y 3 metros de diferencia altitudinal). Los eventos se manifiestan con una intensidad relativamente débil, pero con una probabilidad de ocurrencia elevada, y las personas, en este caso, están sobre todo amenazadas al exterior de las viviendas. Esta zona se encuentra ubicada hacia Noroeste del área de estudio, representada con el color rojo y es una zona denominada prohibición. de acuerdo a la Ley Orgánica de Riesgos Socio naturales y Tecnológicos. En esta área la construcción de las viviendas no es favorable, ya que están cercanas al drenaje principal y pueden inundarse en periodos de precipitaciones y sequía. (Imagen 7). 72 �Imagen 7. Mapa de Riesgo por Inundación de la Comunidad Pradera Alta sector 2 Fuente: Andrade R, Díaz L (2014) 73 �Otro aspecto que se tomó en cuenta fue como algunas viviendas están levantadas con material de relleno mal compactado observándose la alteración y descomposición de los mismos. Igualmente las viviendas están construidas de forma inadecuada e insegura (Foto 14) Foto 14 Tipos de vivienda de la comunidad Pradera Alta sector 2 Fuente: Díaz L (2012) 3.5 Conclusiones En este capitulo pertinente a los resultados de la investigacion realizadas, teniendo como objetivo principal el de evaluar los riesgos por inundacion de la comunidad Pradera Alta sector 2, tomando en cuenta las caracteristicas de los fenomenos que intervinieron en ella, como el suelo, la geomorfologia, la hidrologia, entre otros, los cuales son las amenazas pertenecientes a esta investigacion y de igual manera se realizo un estudio de las vulnerabilidad existente en la zona y asi identificar las zonas de riesgos. Se diagnosticaron tres areas de riesgo: un riesgo bajo identificado con el color amarillo donde la infraestructura sufren daños leves, sobre todo en el interior de la vivienda, un riesgo medio identificado con el color anaranjado,y en el cual las personas estan en peligro en el exterior de la vivienda pero no en el interior de estas, y un riesgo alto identicado con el color rojo, donde la probabilidad de ocurrencia de daño es elevada y las personas se encuentran en peligro en el exterior como en el interior de la vivienda, esta area se encuentra ubicada al noroeste de la comunidad Pradera Alta sector 2. Todo esto, definidos por los límites, la tipología de los fenómenos y la determinación de las áreas que tienen un comportamiento crítico, definiendo así los niveles de riesgo por inundación del área estudiada. 74 �CONCLUSIONES Es preciso destacar que la comunidad Pradera Alta sector 2, se encuentra en constante amenazas socio-naturales lo que tiende a generar o intensificar el factor riesgo. Es por ello que surge como política los planes de ordenamiento de territorio como salida o medida para orientar los proyectos geográficos de construcciones de vivienda a futuro. En la presente investigación se concluye que: De acuerdo al diagnóstico presentado se obtuvo la información necesaria que permitió obtener testimonios de la problemática existente en el área de estudio, donde una de las principales era el riesgo que presentaban parte del sector en donde las viviendas eran inhabitables debido a que se mantenían en constante anegación debido a las áreas anegadas producto de la concentración de las aguas vertidas directamente al suelo por la misma comunidad, como consecuencia de la falta de acueducto para el tratamiento y disposición de las aguas residuales. El vertido directo de las aguas residuales sin control alguno tiene una influencia directa sobre el balance del nivel freático, mas aun cuando, hay suelos permeables y zonas de poca pendiente (< 5 %), en donde predominan los procesos verticales de escurrimiento (Percolación) sobre los horizontales (Drenaje superficial) y esto se incrementa con el periodo de clima húmedo (Precipitaciones) generándose áreas de anegamiento relacionadas a este fenómeno. El resultado de la descripción visual de los suelos, se tiene que son suelos franco limosos con cierta plasticidad en los primeros metros de profundidad, en algunos sectores presentan un grado elevado de descomposición, como consecuencia a la concentración de las aguas residuales. En este mismo sentido, en clima húmedo, los cursos de los regímenes de las aguas de escorrentía y de las aguas servidas permanente durante al año, drenan a los sectores de menor cota como al sur y noroeste de la comunidad, en las manzanas 5,6, 13, 14, 15. Que son los que se encuentra en la zona de alto riesgo. 75 �El nivel freático es de escaso setenta centímetros (70 cm), en la cota más baja de la comunidad y esto debido al elevado grado de saturación de los suelos y la dirección del flujo de agua que percola producto de las precipitaciones y descarga sin control algunos de las personas. A lo largo del trayecto del drenaje que bordea a la comunidad, se observa un elevado grado de erosión y socavamiento en sus bases. Los resultados obtenidos por el sondeo geoeléctrico del subsuelo por medio de un S.E.V. (Sondeo Eléctrico Vertical), revelan que existen niveles de rocas (Capas de diferentes litologías), de las cuales tres a diferentes profundidades corresponden a arenas saturadas de aguas es decir acuíferos las cuales están separados entre tres niveles litológicos, caracterizados de la siguiente manera: La primera capa, que tiene espesor y profundidad de 1,1 metro, está constituida de arena con mediana resistividad indicando que se encuentra seco y sin arcillas. Debajo de esta capa, y con un espesor de 15,9 metros se encuentra una capa completamente arcillosa la cual tiene una resistividad extrema de 1,4 ohm x m. Sigue una tercera capa de alternancia de arenas acuíferas con capas intercaladas de arcilla por un espesor total de 16,4 metro y hasta la profundidad de 33,4 metros. La cuarta capa está constituida probablemente por una arena bien compactada debido al alto valor de resistividad aparente interpretado (336,9 ohm x m). Las actividades cotidianas de las personas que habitan en comunidad Pradera Alta, contribuyen a acelerar los procesos de orden natural e inducidos y por ende la susceptibilidad ante los mismos, como la descarga de las aguas sin control alguno al suelo, la obstrucciones al escurrimiento del drenaje principal, colmatado por desechos y residuos sólidos entre otros. La presente investigación aporta elementos para la identificación y la caracterización de las variables espaciales a priorizar en la determinación de la exposición ante un evento de inundaciones, realizando un análisis e integración de la evolución del medio físico natural frente a los procesos naturales e inducidos, generando así, la zonificación de áreas de amenazas y la evaluación de niveles de vulnerabilidad de la comunidad, Parroquia Francisco Eugenio Bustamante Municipio Maracaibo, Estado Zulia. Estas variables se basan en criterios geomorfológicos, hidrológicos, de relieve, de suelo, entre otros y también 76 �tomando en cuenta los factores de vulnerabilidad presente en esta comunidad, tales como social y económica de esta. Así mismo, se llegó a realizar una serie de mapas, entre ellos el Geomorfológico que permite visualizar algunos procesos que afectan en el área de estudio, representando algunos rasgos característicos como: aéreas anegadizas, socavamiento, erosión moderada, surcos y llanuras de inundación, y por supuesto, el diseño del mapa de Riesgo por inundación, identificando en el las zonas de alto, medio y bajo riesgo, donde un riesgo bajo identificado con el color amarillo donde la infraestructura sufren daños leves, sobre todo en el interior de la vivienda, un riesgo medio identificado con el color anaranjado,y en el cual las personas estan en peligro en el exterior de la vivienda pero no en el interior de estas, y un riesgo alto identicado con el color rojo, donde la probabilidad de ocurrencia de daño es elevada y las personas se encuentran en peligro en el exterior como en el interior de la vivienda, esta area se encuentra ubicada al noroeste de la comunidad Pradera Alta sector 2. Este será presentado a los entes gubernamentales para así realizar una reubicación de las familias del área más crítica de la comunidad Pradera Alta sector 2, de la Parroquia Francisco Eugenio Bustamante del municipio Maracaibo. A partir de los resultados obtenidos se plantearán a instituciones públicas y privadas, encargadas de planificar, dirigir y ejecutar, todas las actividades relacionadas con la planificación y conservación del catastro en el ámbito territorial de los municipios, algunas propuestas y recomendaciones para estudios de gestión y ordenamiento ambiental y del territorio, y sobre los diseños y construcción de obras ingenieriles, a fines de mejorar la gestión en el ámbito territorial 77 �RECOMENDACIONES Hay procesos a través del cual se toman medidas para reducir los riesgos existentes que implica intervenir las causas que generan las condiciones de amenaza o de vulnerabilidad actual. Esta etapa orienta a diseñar y evaluar alternativas de acción con la finalidad de mejorar la toma de decisiones. Para que la institución intervenga los riesgos existentes hay que tomar en cuenta las siguientes consideraciones: - Sensibilización y concienciación de la población. - La institución debe tener mapas de zonas. En este punto debe tener ubicada todas esas áreas de la alta vulnerabilidad - Diagnosticar la vulnerabilidad. Una vez que se diagnostique se sectoriza de acuerdo a la amenaza natural y al grado que se encuentre susceptible. - Inventario jerarquizado y zonificado de todas las construcciones de infraestructuras críticamente amenazadas y/o vulnerables. - Hay que realizar reforzamientos o reubicación/desalojo de vivienda, urbanizaciones que se encuentren en terrenos críticamente amenazados y/o vulnerables. - La institución debe realizar en conjunto con las comunidades prácticas para diagnosticar y reducir actividades generadoras de riesgo (ejemplo: Construcciones con malos materiales, malas prácticas de construcción, diseños ineficientes, entre otras). - Los entes gubernamentales responsables de esta labor deben contar con personal y equipos especializados para realizar cada una de las medidas anteriores. - La institución debe contar con presupuestos claros para realizar cada una de estas actividades. 78 �REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Cartaya Scarlet. Méndez Williams y Pacheco Henry. (2006). 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Memoria Técnica para el mapa de susceptibilidad de deslizamientos de tierra en El Salvador. San Salvador, SNET y el Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales, 2004. Servicio Nacional de Estudios Territoriales. Mapa de susceptibilidad a deslizamientos de Nicaragua. El método Mora-Vahrson. Managua, SNET, Instituto Nicaragüense de Estudios Territoriales y el Instituto Federal de Geociencias y Recursos Naturales. 2009. Unesco e ITC; Servicio Nacional de Estudios Territoriales. Análisis de riesgo por inundaciones y deslizamientos de tierra en la microcuenca del Arenal de Montserrat. 2008. Unesco; ITC; The Nethrlands; Cepredenac y la Secretaría de estado de Medio Ambiente y Recursos Naturales de República Dominicana. Desarrollo de una metodología para la identificación de amenazas y riesgos a deslizamiento en la cuenca del río San Juan, República Dominicana. 2008. Universidad Central de Venezuela. Hábitat y Riesgo El Rol de las Universidades. Caracas, 1er Encuentro Internacional. 2do Encuentro Nacional Educación Superior y Riesgos, 2005. Universidad Pedagógica Experimental Libertador. Primer Congreso Nacional Sobre Mitigación de Riesgos Naturales. Identificar los riesgos puede salvar tu vida. Caracas: Extensión Universitaria. Vicerrectorado de Extensión, 2000, Año 7, Nº 2. Zavala Bilberto y Fidel Lionel.. Susceptibilidad a los movimientos en masa en la cuenca de la quebrada Hualanga. Pataz, La Libertad. Lima, XIII Congreso Peruano de Geología, 2006. 81 �ANEXOS . 82 �ANEXO 1 83 �84 �ANEXO 2 85 �86 �87 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Tesis Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Evaluación de riesgos por inundaciones de la comunidad pradera alta sector 2, municipio Maracaibo Creator An entity primarily responsible for making the resource Lizetty Díaz Publisher An entity responsible for making the resource available Editorial Digital Universitaria de Moa Type The nature or genre of the resource Tesis maestría Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 2014 https://repoedum.ismm.edu.cu/files/original/561caf4c9c584e980e3bbc99b14e85ae.pdf dc69ffd8e338e3806de206fc194c79c6 PDF Text Text TESIS Evaluación del impacto ambiental por presencia de hidrocarburos en el Fundo Los Clavelitos. Omer Enrique Vílchez Fernández �Página legal Título de la obra: Evaluación del impacto ambiental por presencia de hidrocarburos en el Fundo Los Clavelitos,61pp. Editorial Digital Universitaria de Moa, año.2015 -- ISBN: 1. Autor: Omer Enrique Vílchez Fernández 2. Institución: Instituto Superior Minero Metalúrgico ¨ Dr. Antonio Núñez Jiménez¨ Edición: Lic. Liliana Rojas Hidalgo Corrección: Lic. Liliana Rojas Hidalgo Digitalización. Lic. Liliana Rojas Hidalgo Institución de los autores: ISMM ¨ Dr. Antonio Núñez Jiménez¨ Editorial Digital Universitaria de Moa, año 2015 La Editorial Digital Universitaria de Moa publica bajo licencia Creative Commons de tipo Reconocimiento No Comercial Sin Obra Derivada, se permite su copia y distribución por cualquier medio siempre que mantenga el reconocimiento de sus autores, no haga uso comercial de las obras y no realice ninguna modificación de ellas. La licencia completa puede consultarse en: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/ar/legalcode Editorial Digital Universitaria Instituto Superior Minero Metalúrgico Ave Calixto García Íñiguez # 75, Rpto Caribe Moa 83329, Holguín Cuba e-mail: edum@ismm.edu.cu Sitio Web: http://www.ismm.edu.cu/edum �Instituto Superior Minero Metalúrgico “Dr. Antonio Núñez Jiménez” Facultad de Geología y Minería Departamento de Geología Evaluación del impacto ambiental por presencia de hidrocarburos en el Fundo Los Clavelitos. Tesis en opción al título académico de Máster en Geología Autor: Omer Enrique Vílchez Fernández Maracaibo, 2014 �Instituto Superior Minero Metalúrgico “Dr. Antonio Núñez Jiménez” Facultad de Geología y Minería Departamento de Geología Título: Evaluación del impacto ambiental por presencia de hidrocarburos en el Fundo Los Clavelitos. Tesis en opción al título académico de Máster en Geología Autor: Omer Enrique Vílchez Fernández Tutor: Dra. C. Mayda Ulloa C Maracaibo, 2014 �ÍNDICE INTRODUCCIÓN 1 CAPÍTULO I – MARCO TEÓRICO 6 1.1 1.2 1.3 6 7 8 9 9 11 13 14 16 16 17 17 19 19 20 20 20 22 22 23 23 23 24 28 39 Antecedentes de la investigación Área de estudio. Instrumento legal y normativo de la investigación 1.3.1Constitución de la República Bolivariana de Venezuela 1.3.2 Decreto 883 Articulo 10 1.3.3 Decreto 2635 Articulo 50 1.4 Menes 1.5 Métodos de evaluación de impacto ambiental 1.6 Método de criterios relevantes integrados (CRI ) 1. 6.1 Identificación de impacto 1. 6.2 Indicadores de impacto 1. 6.3 Valor de impacto ambiental 1. 6.4 Ponderación de los indicadores de impacto 1. 6.5 Ficha descriptiva de los resultados de la evaluación 1. 6.6 Jerarquización de impacto ambiental 1. 6.7 Aplicación de medidas de prevención, mitigación o corrección 1.7 Análisis SARA CAPÍTULO II –MARCO METODOLOGICO 2.1 Tipo de investigación. 2.2 Nivel de la investigación. 2.3 Metodología aplicada. 2.3.1 Observación de campo. 2.3.2 Caracterización del área de estudio. 2.3.3 Toma de muestras. 3.3.4 Aplicación del Método de los criterios relevantes integrados. CAPITULO III- ANALISIS DE RESULTADOS CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA 48 59 60 61 VII �ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Ubicación geográfica del área de estudio 8 Figura 1.2 Mene cerro la estrella mene grande 14 Figura 1.3 Diagrama del VIA 18 Figura 1.4 Diagrama ternario SARA 21 Figura 2.1 Etapas metodológicas de la investigación 22 Figura 2.2 Cauce de agua 24 Figura 2.3 Estación de flujo concordia 24 Figura 2.4 Pozo abandonado T-194 24 Figura 2.5 Mene 1 24 Figura 2.6 Mapa del distrito colon 25 Figura 2.7 Columna estratigráfica de los campos de distrito colon 27 Figura 2.8 Mapa estructural campo las cruces 28 Figura 2.9 Corte geológico campo las cruces 28 Figura 2.10 Ubicación geográfica de los puntos de muestreo de suelo 30 Figura 2.11 Toma de muestra suelo 1 30 Figura 2.12 Toma de muestra suelo 2 30 Figura 2.13 Ubicación geográfica de los puntos de muestreo del agua 33 Figura 2.14 Toma de muestra de Agua de Mene 33 Figura 2.15 Muestra de Agua Caño 1 34 Figura 2.16 Muestra de Agua Caño 2 34 Figura 2.17 Ubicación geográfica de los puntos de muestreo de menes 37 Figura 2.18 Toma de muestra Mene 1 37 Figura 2.19 Toma de muestra Mene 2 37 Figura 3.1 Diagrama ternario SARA de las muestras M1 y M2 54 VIII �INDICE DE TABLAS Tabla 1.1. Límites máximos de calidad de líquidos vertidos. 10 Tabla 1.2. Anexo D Concentraciones máximas permisibles en lixiviados. 12 Tabla 1.3. Límites permisibles de la mezcla suelo/desecho. 13 Tabla 1.4. Principales métodos para la evaluación de impactos ambientales. 15 Tabla 1.5. Escala de clasificación de impactos. 18 Tabla 1.6. Criterios de evaluación y peso asignado 19 Tabla 1.7. Jerarquización de impactos. 20 Tabla 2.1. Identificación de la Muestras de suelo. 29 Tabla 2.2. Análisis de las Muestras de Suelo. 31 Tabla 2.3. Identificación de las Muestras de Agua. 33 Tabla 2.4. Resultados de las muestras de agua. 35 Tabla 2.5. Identificación de las muestras de Mene. 37 Tabla 2.6. Resultados análisis SARA. 38 Tabla 2.7. Impactos de Ambientes a Evaluar. 39 Tabla 2.8. Jerarquización del impacto sobre el suelo. 40 Tabla 2.9. Jerarquización del impacto sobre los cauces de agua. 42 Tabla 1.10. Jerarquización del impacto sobre el aire. 43 Tabla 2.11. Principales representantes de la vegetación del Fundo los Clavelitos. 44 Tabla 2.12. Jerarquización del impacto sobre la flora. 45 Tabla 2.13. Principales representantes de la fauna en el Fundo los Clavelitos. 46 Tabla 2.14. Jerarquización del impacto sobre la fauna. 47 Tabla 3.1. Comparación de las muestras de suelo con parámetros permisibles 49 Tabla 3.2. Comparación de las muestras de agua con parámetros permisibles. 51 Tabla 3.3. Resumen del método CRI 57 IX �INTRODUCCIÓN Los hidrocarburos son compuestos químico-orgánicos que resultan de la combinación del carbono (C) con el hidrogeno (H), abarcan los cuatro estados: Gaseosos, líquidos, semisólidos y sólidos, como aparecen en la superficie terrestre, o gaseosos y líquidos en las formaciones geológicas en el subsuelo. La fuente de los hidrocarburos tiene una procedencia de tipo orgánico, lo que indica que la materia orgánica tuvo que ser sintetizada por organismos vivientes y por lo tanto debió depositarse y preservarse en sedimentos. Dependiendo de las condiciones geológicas dadas parte de este material se transforma en compuestos de naturaleza petrolera. La base fundamental para la producción masiva de materia orgánica fue la fotosíntesis, la cual apareció aproximadamente hace 2000 millones de años en tiempos precámbricos. Desde esa época a la era devónica la primera fuente de materia orgánica fue el fitoplancton marino. A partir del devónico, la mayor contribución a la materia orgánica fue por parte de plantas terrestres. Algunos animales grandes como peces, contribuyeron muy poco a la generación de materia orgánica. En resumen, los principales contribuidores de material orgánico en los sedimentos fueron las bacterias, fitoplancton, zooplancton y plantas de mayor tamaño. Los escudos continentales en áreas de aguas tranquilas, como lagos, cuencas profundas y pendientes continentales, poseen las condiciones favorables para la deposición de los sedimentos ricos en materia orgánica. Las tres etapas principales para la evolución de la materia orgánica son diagénesis, catagénesis y metagénesis. La diagénesis toma lugar en sedimentos recientemente depositados donde se presenta actividad microbial. Al finalizar la diagénesis, la materia orgánica consta principalmente de un residuo fosilizado e insoluble llamado kerógeno. La catagénesis resulta de un incremento en la temperatura durante el sepultamiento del material en las cuencas sedimentarias. La mayor parte de la generación de hidrocarburos se debe a la descomposición térmica del kerógeno. 1 �La metagénesis toma lugar a altas profundidades, donde tanto la presión como la temperatura son altas. En esta etapa, la materia orgánica está compuesta solamente de metano y carbono residual. Los constituyentes del kerógeno residual se convierten en carbono granítico. (Escobar, 2004) El origen del hidrocarburo radica, en la existencia de una cuenca sedimentaria donde exista la posibilidad de acumulación de sedimentos. La roca madre es una de las partes más importantes de una cuenca sedimentaria; es la responsable de la generación del hidrocarburo. Una vez formado migra en el subsuelo por medio de rocas permeables y porosas, así como también por la acción de factores estructurales (fallas, diaclasas, pliegues, etc.), hasta conseguir en su trayecto rocas impermeables o arreglos estructurales que permitan el entrampamiento del mismo. De esta manera, se constituye tanto la roca almacén, donde se acumulan los hidrocarburos que se extraen comercialmente, también conocida como yacimiento petrolífero y la roca sello, secuencia litológica de porosidad y permeabilidad reducidas, la cual sirve como sello a la migración del hidrocarburo, y soporta la constitución de una trampa petrolífera. Los menes nombre dado en Venezuela por los incas Copey, son emanaciones naturales de hidrocarburos, las cuales afloran a la superficie por medio de fracturas (fallas y diaclasas), estos dieron origen a los nombres de campos petroleros como Mene Grande, en el estado Zulia y Mene Mauroa, en el Estado Falcón. Los romanos los llamaron Lacus Asfaltitus, los egipcios mumiya (árabe), Los persas le decían mum. Los indios precolombinos mexicanos los llamaban chapapoteras y de allí chapapote, Los colonos de los hoy Estados Unidos los denominaron seepages. Puede decirse que, en mayor menor escala, en muy variados sitios de la Tierra existen emanaciones o rezumaderos que atrajeron la atención de los exploradores en busca de posibles acumulaciones petrolíferas comerciales. Los recientes adelantos científicos tecnológicos empleados en exploraciones costa fuera han permitido detectar emanaciones petrolíferas en el fondo de los mares. Tal es caso de 2 �hallazgos hechos frente a las costas de California en el océano Pacífico y en las de Louisiana y Texas en el golfo de México. (Barberii, 1998) La presencia comercial de hidrocarburos en Venezuela data desde principios de siglo XX con el descubriendo del pozo Zumaque 1 en 1914 en Mene Grande, Estado Zulia, esto conllevó al estudio geológico de todo el territorio nacional en busca de nuevos yacimientos petrolíferos. La actividad petrolera ha generado presencia de hidrocarburos en diversas áreas como la exploración, producción, transporte y almacenamiento. En la región de Casigua El Cubo, específicamente en el Campo Las Cruces, existen yacimientos de petróleo y por ende numerosos pozos, algunos de estos depletados con el pasar del tiempo lo cual ha traído como consecuencia su abandono. En dicho campo se han realizado algunos estudios geológicos que tuvieron como finalidad la búsqueda de hidrocarburos lo cual ha permitido obtener información sobre el mismo, tal como: Estratigrafía de la zona, Corte Geológico, Mapa Estructural. La zona presenta una geología compleja “El Campo Las Cruces es un domo fallado alargado en dirección NE-SO sobre el corrimiento de tarra. El corrimiento determina tres unidades tectónicas. El flanco este sobrecorrido, una cuña de falla entre dos planos convergentes. Se aprecia un sistema de fallas inversas transversales, de rumbo Noreste-Suroeste y buzamiento oeste con desplazamientos de 100 hasta 1000 pies.” (PDVSA- Intevep, 1997) La problemática planteada en dicha investigación radica en que existe presencia de hidrocarburos en el Fundo Los Clavelitos, Casigua El Cubo, Municipio Jesús María Semprún del Estado Zulia, lo cual está generando un impacto ambiental. Dicho Fundo se encuentra dentro del Campo petrolero denominado Las Cruces. Las posibles causas de la presencia de hidrocarburo en la zona, son pozos petroleros abandonados, específicamente el T-194, T-219 y el T-184, la estación de flujo Concordia, así como también afloramientos naturales de hidrocarburos (Menes). Esto trae como consecuencia la afectación de la flora, fauna, aire, suelos y cauces de 3 �agua. Cabe destacar que el propietario de la finca reporta que en los últimos 14 años se ha incrementado la presencia hidrocarburos lo que ha ocasionado la muerte de varios animales, entre ellos ganado vacuno de su propiedad. Por los motivos antes expuestos el problema de la investigación es la presencia de hidrocarburos en el Fundo Los Clavelitos, por lo que se desea conocer el impacto ambiental, así como también los factores que lo generan, para de esta manera proponer medidas que permitan mitigar la contaminación. Debido al problema planteado el presente trabajo tiene como objetivo general Evaluar el Impacto Ambiental por presencia de Hidrocarburos en el Fundo Los Clavelitos. Para dar cumplimento con el objetivo general planteado nos trazamos una serie de objetivos específicos: • Identificar los principales elementos causales que generan la presencia de hidrocarburos en el Fundo Los Clavelitos. • Caracterizar los rasgos geológicos del área de estudio. • Analizar la composición físico química de las muestras de agua, suelo e hidrocarburos obtenidas en el en el Fundo Los Clavelitos y comparar con la normativa ambiental Venezolana. • Aplicar el método de los criterios relevantes integrados para la determinación del impacto ambiental. • Proponer un sistema de medidas mitigantes y correctoras de la contaminación. El objeto de la investigación es la presencia de hidrocarburos en el Fundo Los Clavelitos el cual se encuentra dentro de la estructura geológica del Campo Las Cruces, dicho campo está ubicado en la parte suroeste del Lago de Maracaibo. Para lograr el objetivo planteado se parte de la hipótesis de que, a través, de los datos obtenidos mediante la toma de muestras en el Fundo Los Clavelitos y el levantamiento geológico del área afectada es posible saber el origen y la magnitud del impacto generado por el hidrocarburo en el Fundo. 4 �Los principios metodológicos que se aplicaran serán la observación de campo, lo cual nos permitirá saber de dónde proviene la presencia de hidrocarburo, la caracterización del área de estudio, la tomas de muestras representativas de suelo, agua de cauce y menes necesarias para la aplicación del método de evaluación del impacto ambiental seleccionado, para posteriormente proponer el sistemas de medidas mitigantes y correctoras en el Fundo Los Clavelitos. Por otro lado, cabe señalar que los análisis de saturados, aromáticos, resinas asfáltenos (SARA), realizadas nos permitirán determinar la naturaleza fisicoquímica del hidrocarburo existente en el Fundo Los Clavelitos, a través del diagrama de tisott, para así poder diferenciar si el crudo es normal o pesado biodegradado. Con relación a la justificación del tema de estudio es de mencionar que en la actualidad no se conocen estudios previos realizados sobre la contaminación e impacto ambiental generados por la presencia de Menes en Venezuela, así como referencias del mismo en otras partes del mundo, solo han sido estudiados desde el punto de vista de la geoquímica, lo cual permite determinar a través de la distribución de biomarcadores el origen de la roca madre que los genero. De allí, la importancia de llevar a cabo dicha investigación, dando así un aporte significativo en el conocimiento de las acciones mitigantes y correctivas que se pueden aplicar para minimizar la contaminación que ellos generan. Cabe destacar que el presente estudio servirá de antecedente para investigaciones futuras relacionadas con el tema. 5 �CAPÍTULO I – MARCO TEORICO Este capítulo contiene la sustentación teórica de los objetivos planteados en la investigación, en el mismo el investigador realiza una revisión y análisis de las teorías desarrolladas y demostradas por autores dentro del área de estudio, así como antecedentes de otras investigaciones referentes al tema investigado. 1.1 Antecedentes de la investigacion. La presencia de menes en Venezuela constituyeron un atractivo en la exploración de hidrocarburos a principios del siglo XX, las investigaciones relacionadas con los mismos han dado como resultado aportes importantes con respecto a su origen. Como soporte para esta investigación se consultaron algunos trabajos relacionados con los mismos. El estudio de Rojas (2008), sobre la Geoquímica de los menes y relación GeológicaEstructural con la falla El Tigre, sector Cachiri, Estado Zulia. Con este estudio geoquímico detallado, se logró caracterizar los biomarcadores presentes en las fracciones de hidrocarburos saturados y aromáticos; así como determinar los niveles de metales trazas (vanadio y níquel) y las concentraciones de azufre presentes en los crudos. Esta última información fue interpretada, utilizando herramientas de la geoquímica orgánica del petróleo. Esto permitió realizar un sistema de clasificación de crudos (Hunt, 1996; Tissot y Welte, 1984; Moldowan y Peters, 1993) para establecer el ambiente deposicional de la roca madre que generó estos fluidos orgánicos; así como los vínculos genéticos que tienen entre si las muestras analizadas. Paralelamente, se realizó la interpretación geológico-estructural de la falla El Tigre y su relación con las emanaciones de hidrocarburos, en el área de estudio. Este estudio represento un aporte importante a la investigación, ya que se tomo como guía para la clasificación del hidrocarburo presente en el Fundo Los Clavelitos 6 �a través del diagrama ternario SARA de Tissot y Welte, 1984 el cual es utilizado en el mismo., el crudo presente es normal o es un crudo pesado alterado. Petróleos de Venezuela S.A (PDVSA) en 2011, La División costa oriental del lago Exploración y Producción Occidente presentó el Proyecto Abandono y desincorporación de pozos del campo Mene de Acosta en 2011. En este proyecto PDVSA comprometida con el ambiente y los recursos naturales, profundizó su gestión en salvaguardar la flora y fauna autóctonas de las áreas de desarrollo de interés petrolero y en especial, en el Centro Occidente del País se incrementa su potencial sin que esto signifique una afectación cuantiosa de los recursos naturales de la región, por lo cual se planificó la desincorporación del Campo Mene de Acosta, en el Estado Falcón. En virtud de que se trata de disminuir los impactos ambientales en las áreas a través de la implementación de tecnologías más amigables con el entorno se integró este adendum al Estudio de Impacto Ambiental y Socio Cultural, para describir de manera detallada los aspectos considerados a implementar en la desincorporación, cementación y abandono definitivo de los pozos existentes en el campo Mene de Acosta del Estado Falcón. En el proyecto se aplicó el método de los criterios relevantes integrados para la evaluación del impacto ambiental y se estableció un programa de medidas para aminorar los efectos al ambiente, por tal motivo fue de gran ayuda para la investigación debido a que se utilizó el mismo método. 1.2 Área de estudio. El Fundo Los Clavelitos se encuentra ubicado al suroeste del Lago de Maracaibo en el municipio Jesús María Semprún específicamente en la capital Casigua El Cubo el Cubo, posee una intensión de 50 hectáreas, en la figura 1.1 se muestra su ubicación geográfica. 7 �División política territorial mapa 16 1995 Figura. 1.1 Ubicación geográfica del área de estudio. Fuente: Vílchez 2013. Datos de Casigua El Cubo. � Temperatura del área: En la zona de se registra una temperatura anual promedio de 24ºc. � Precipitaciones: El promedio anual es de 2334mm. � Tipo de Clima: Tropical lluvioso de selva con fuerte e intensas precipitaciones todo el año. 1.3 Instrumento to legal y normativo de la investigacion. Para esta investigación se consideraron algunas disposiciones establecidas por el estado venezolano en materia ambient ambienta tales como: La Constitución de la República Bolivariana de Venezuela, Decreto 883 y el decreto 2635 8 �1.3.1 Constitución de la República Bolivariana de Venezuela. En referencia al trabajo de investigación la Constitución de la República Bolivariana de Venezuela de 1999 en el Capítulo IX de los derechos ambientales en su Artículo 129 reza “Todas las actividades susceptibles de generar daños a los ecosistemas deben ser previamente acompañadas de estudios de impacto ambiental y socio cultural. (....). 1.3.2 Decreto No. 883 “Normas para la clasificación y control de la calidad de los cuerpos de agua y vertidos o afluentes líquidos”. Gaceta Oficial Extraordinaria Nº 5.021 de fecha 18 de diciembre de 1995 En el decreto se señala la calidad de un cuerpo de agua a través de la caracterización física, química y biológica de aguas naturales para determinar su composición y utilidad al hombre y demás seres vivos. El mismo considera que la contaminación de las aguas es la acción o efecto de introducir elementos, compuestos o formas de energía capaces de modificar las condiciones del cuerpo de agua superficial o subterráneo de manera que se altere su calidad en relación con los usos posteriores o con su función ecológica para el desarrollo de la vida acuática y ribereña. Sección III De las Descargas a Cuerpos de Agua. Artículo 10. A los fines de este Decreto se establecen los siguientes rangos y límites máximos de calidad de vertidos líquidos que sean o vayan a ser descargados, en forma directa o indirecta a ríos, estuarios, lagos y embalses ver (Tabla 1.1.) 9 �Tabla. 1.1 Límites máximos de calidad de líquidos vertidos. Parámetros Físico-Químicos Aceites minerales e hidrocarburos Aceites y grasas vegetales y animales. Alkil Mercurio Aldehídos Aluminio total Arsénico total Bario total Boro Cadmio total Cianuro total Cloruros Cobalto total Cobre total Color real Cromo total Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5,20) Demanda Química de Oxígeno (DQO) Detergentes Dispersantes Espuma A Estaño Fenoles Fluoruros Fósforo total (expresado como fósforo) Hierro total Manganeso total Mercurio total Nitrógeno total (expresado como nitrógeno) Nitritos + Nitratos (expresado como nitrógeno) pH Plata total Plomo total l Selenio Sólidos flotantes Sólidos suspendidos Sólidos sedimentables Sulfatos Sulfitos Sulfuros Zinc Límites máximos o rangos 20 mg/l 20 mg/l No detectable (*) 20 mg/l 5 mg/l 0,5 mg/l 5 mg/l 5 mg/l 0,2 mg/l 0,2 mg/l 1000 mg/l 0,5 mg/l 1 mg/l 500 Unidades de Pt-Co 2 mg/l 60 mg/l 350 mg/l 2,0 mg/ 2,0 mg/l Ausente 5,0 mg/l 0,5 mg/l 5,0 mg/l 10 mg/l 10 mg/l 2,0 mg/l 0,01 mg/l 40 mg/l 10 mg/l 6-9 0,1 mg/l 0,5 mg/ 0,05 mg/l Ausentes 80 mg/l 1,0 ml/l 1000 mg/l 2,0 mg/l 0,5 mg/l 5,0 mg/l Fuente: Vilchez 2013 10 �1.3.3 Decreto 2635 “Normas para el control de la recuperación de materiales peligrosos y el manejo de los desechos peligrosos”. Gaceta Oficial Extraordinaria No 5245 del 3 de agosto de 1998. Este decreto considera que un desecho peligroso es un desecho en cualquier estado físico sólido, líquido o gaseoso, que presenta características peligrosas o que está constituido por sustancias peligrosas y que no conserva propiedades físicas ni químicas útiles y por lo tanto no puede ser rehusado, reciclado, regenerado u otro diferente. Artículo 50.- La práctica de esparcimiento en suelos se llevará a cabo cumpliendo con las siguientes condiciones: 1) El área de disposición final debe estar alejada por lo menos 500 m de cuerpos de agua o fuera de la planicie de inundación de dichos cuerpos, de acuerdo a la información hidrológica existente. 2) La topografía del área de disposición final deberá tener una pendiente menor de 3 %, orientada hacia el cuerpo de agua superficial más cercana. 3) El desecho no debe exceder las concentraciones máximas permisibles en lixiviados, establecidas en el Anexo D. (Tabla. 1.2) 11 �Tabla. 1.2 Anexo D Concentraciones máximas permisibles en lixiviados. ANEXO D CONCENTRACIONES MAXIMAS PERMISIBLES EN LIXIVIADOS Constituyente Arsénico Bario Cadmio Cromo hexavalente Níquel Mercurio Plata Plomo Selenio Acrilonitrilo Clordano O-cresol M-cresol P-cresol Acido 2,4- diclorofenoxiacetico 2,4-dinitrotolueno Endrin Hexacloroetano Lindano Metoxicloro Nitrobenceno Pentaclorofenol 2,3,4,6-tetraclorofenol Toxafeno (canfenoclorado tecnico) 2,4,5-triclorofenol 2,4,6-triclorofenol Acido 2,4,5-tricloro fenoxipropionico (silvex) Concentración máxima permitida (mg/l) 5.0 100.00 1.0 5.0 5.0 0.2 5.0 5.0 1.0 5.0 0.03 200.0 200.0 200.0 Constituyente 10.0 Benceno Eter bis (2-cloro etilico) Clorobenceno Cloroformo Cloruro de metilo Cloruro de vinilo 1,2-diclorobenceno 1,4-diclorobenceno 1.2-dicloroetano 1.1-dicloroetileno Disulfuro de carbono Fenol Hexaclorobenceno Hexacloro-1,3butadieno Isobutanol 0.13 0.02 3.0 0.4 10.0 2.0 100.0 1.5 0.5 Etilmetilcetona 1.1.1.2-tetracloroetano 1.1.2.2-tetracloroetano Tetracloruro de carbono Tetracloroetileno Tolueno 1.1.1-tricloroetano 1.1.2-tricloroetano Tricloroetileno Concentración máxima permitida (mg/l) 0.5 0.05 100.0 6.0 8.6 0.2 4.3 7.5 0.5 0.7 14.4 14.4 0.13 0.5 36.0 200.0 10.0 1.3 0.5 0.7 14.4 30.0 1.2 0.5 400.0 2.0 1.0 Fuente: Decreto 2635. Modificado Vílchez 2013 12 �4. La mezcla suelo/desecho debe cumplir con los parámetros establecidos en la lista siguiente. (Tabla. 1.3). Tabla. 1.3 Límites permisibles de la mezcla suelo/desecho. pH Conductividad eléctrica (mmhos/cm) Cloruros totales (ppm) Relación de adsorción de Sodio (RAS) Aluminio intercambiable (meq/100 gr) Saturación con bases (%) Aceites y grasas (% en peso) Arsénico Bario Cadmio Mercurio Selenio Plata Cromo Cinc Plomo 5-8 < 3,5 < 2.500 <8 < 1,5 > 80 ≤1 25 mg/kg 20.000 mg/kg 8 mg/kg 1 mg/kg 2 mg/kg 5 mg/kg 300 mg/kg 300 mg/kg 150 mg/kg Fuente: Vílchez 2013 1.4 Menes. El petróleo se menciona desde la llegada de los españoles a Venezuela. Al recorrer las costas de Maracaibo a la Isla de Cubagua y llegando a esta última, es donde descubren ese “Licor Verde”. Desde esa fecha, se empieza hablar de un aceite de olor desagradable que fluye de manera natural “junto al mar”, al que los aborígenes dan diversos usos: Calafatear sus barquichuelos, proteger ciertos enseres, hacen luz quemándolo y en aplicación con fines medicinales. Este mineral que describe Fernández de Oviedo G. y Valdez (1535), en su Historia Natural de los Indios y Tierra Firme del Mar Océano, lo llama “según los naturales starcus daemonii o Mene, como lo denominan los indígenas del Lago de Maracaibo. Es el emperador Carlos V quien, en 1539, recibe el primer barril de petróleo exportado por un país, enviado desde la isla de Cubagua por el Tesoro de Nueva 13 �Cádiz Francisco de Costellao, para aliviar la gota del emperador. Es una señal de lo que sería el signo de la Venezuela del siglo XX XX. (Muñoz, 1987). Los menes son emanaciones petrolíferas que provienen del subsuelo y afloran o salen len a la superficie de forma natural, a través, de la porosidad de la roca o fracturas abiertas. El termino mene es el nombre que le asignaron nuestros indígenas. La existencia de un mene podría ser los primeros indicios de la presencia de hidrocarburos en el subsuelo, los primeros geólogos exploradores de petróleo lo usaban como signo de la existencia de un posible yacimiento petrolífero. petrolífero (Figura. 1.2) Figura. 1.2 Mene cerro la estrella mene grande. Fuente: Vílchez 2013 1.5 Métodos de evaluación de impacto ambiental. Los métodos y técnicas usualmente aceptadas están destinados a medir tanto los impactos directos, que involucran pérdida parcial o total de un recurso o el deterioro de una variable ambiental, como la acumulación de impactos ambientales y la inducción de riesgos potenciales. La utilización de métodos para identificar las modificaciones en el medio, es una tarea relativamente fácil. Pero otra cosa es la calificación de esas modificaciones: todos los aspectos y parámetros pueden medirse; la dificultad está en valorarlos. La medición puede ser cuantitativa o cualitativa; ambas son igualmente importantes, aún cuando requieren de criterios específicos para su definición adecuada. La 14 �predicción implica seleccionar los impactos que efectivamente pueden ocurrir y que merecen una preocupación especial por el comportamiento que pueda presentarse. Es importante contrastarlos con indicadores de la calidad ambiental deseada. Algunos de los métodos utilizados permiten identificar los impactos. A continuación se muestran en la tabla. 1.4 los principales métodos para la evaluación de impactos ambientales. Tabla 1.4 Principales métodos para la evaluación de impactos ambientales. Métodos 1.- Reuniones de expertos. Solamente a considerar cuando se trata de estudiar un impacto muy concreto y circunscrito. Si no ocurre así, no se puede pretender ni rapidez ni exhaustividad, a causa de los cruces interdisciplinarios. El método Delphi ha sido de gran utilidad en estos casos. 2.- Lista de Chequeo “check lists”. Son listas exhaustivas que permiten identificar rápidamente los impactos. Existen las puramente “indicativas”, y las “cuantitativas”, que utilizan estándares para la definición de los principales impactos (por ejemplo contaminación del aire según el número de viviendas). 3.- Matrices simples de causa-efecto. Son matrices limitadas a relacionar la variable ambiental afectada y la acción humana que la provoca. 4.- Grafos y diagramas de flujo. Tratan de determinar las cadenas de impactos primarios y secundarios con todas las interacciones existentes y sirven para definir tipos de impactos esperados. 5.- Cartografía ambiental o superposición de mapas (overlay). Se construyen una serie de mapas representando las características ambientales que se consideren influyentes. Los mapas de síntesis permiten definir las aptitudes o capacidades del suelo ante los distintos usos, los niveles de protección y las restricciones al desarrollo de cada zona. 6.- Redes. Son diagramas de flujo ampliados a los impactos primarios, secundarios y terciarios. 7.- Sistemas de Información Geográficos. Son paquetes computacionales muy elaborados, que se apoyan en la definición de sistemas. No permiten la identificación de impactos, que necesariamente deben estar integrados en el modelo, sino que tratan de evaluar la importancia de ellos. 8.- Matrices. Consisten en tablas de doble entrada, con las características y elementos ambientales y con las acciones previstas del proyecto. En la intersección de cada fila con cada columna se identifican los impactos correspondientes. La matriz de Leopold es un buen ejemplo de este método. En matrices más complejas pueden deducirse los encadenamientos entre 9.- Criterios relevantes integrados. El método consiste en asignar valores a los efectos adversos relevantes de acuerdo a los criterios de probabilidad , intensidad, duración, extensión y reversibilidad del efecto , para obtener un valor de impacto ambiental por efecto y la jerarquización de los mismos Fuente: Espinoza 2001 Modificada Vílchez 15 �Como se aprecia en la tabla 4 existe una amplia variedad de métodos que permiten la evaluación de impacto ambiental en una determina área o actividad. La selección del método apropiado a utilizar es un punto crucial en los resultados de la evaluación. No es posible establecer una formula única para emplear un método en particular en una evaluación de impacto ambiental, por lo tanto ningún método por sí solo, puede ser utilizado para satisfacer la gran variedad y tipos de actividades que intervienen en un estudio de impacto ambiental, por lo tanto la clave está en seleccionar adecuadamente el método más apropiado de acuerdo a las necesidades de cada estudio. Por lo antes expuesto en el presente estudio se aplicará el método de los Criterios relevantes integrados (CRI) formulado por Buroz en Venezuela en 1990, el mismo requiere de un grupo multidisciplinario de profesionales, consiste en establecer la identificación del impacto a estudiar, con sus indicadores ponderados y su respectiva tabla de valoración para dichos indicadores, para posteriormente aplicar una series de medidas de prevención, mitigación o de corrección. Se decidió utilizar dicho método debido a los antecedentes del mismo aplicado por PDVSA en relación a los casos de abandono y desincorporación de pozos petroleros en razón de derrames de hidrocarburos provocados por estos debido a filtraciones de los revestidores. 1.6 Método de los criterios relevantes integrados (Buroz, 1990). El método a utilizar para la evaluación de los impactos ambientales denominado Criterios relevantes integrados (Buroz, 1990) está basado en un análisis multicriterio, partiendo de la idea de que un impacto ambiental se puede estimar a partir de la discusión y análisis de criterios con valoración ambiental, de los cuales se seleccionan dependiendo de la naturaleza del proyecto. 1.6.1 Identificación de los impactos. Para identificar los impactos que están operando o interactuando sobre el área previamente seleccionada, es requisito indispensable conocer las diferentes 16 �actividades que se generan durante la ejecución del proyecto y las cuales producen efectos sobre el medio físico, biológico y socio-económico. Se mantiene un orden consecutivo según el medio afectado. Medio Físico MF - 01 Medio Biológico MB - 01 Medio Socioeconómico MSE – 01 1.6.2 Indicadores del impacto. � Intensidad (I): Cuantificación de la fuerza, peso o rigor con que se manifiesta el proceso o impacto puesto en marcha. � Extensión (E): Influencia espacial o superficie afectada por la acción antrópica. Es decir, Medida del ámbito espacial o superficie donde ocurre la afectación. � Duración (D): Lapso o tiempo que dura la perturbación. Período durante el cual se sienten las repercusiones del proyecto o número de años que dura la acción que genera el impacto. � Reversibilidad (Rv): La posibilidad o dificultad para retornar a la situación actual. � Riesgo (Ri): Probabilidad de que el efecto ocurra. La escala de valores para todos los indicadores estará comprendida entre 1 y 10. 1.6.3 Valor de impacto ambiental (VIA). Este método considera que el valor del impacto ambiental (VIA), es generado por una acción es producto de las siguientes variables tal como se muestra en la figura 1.3. 17 �MÉTODO DE LOS CRITERIOS RELEVANTES INTEGRADOS Intensidad Extensión Duración Reversibilidad Riesgo Valor de Impacto Ambiental (VIA) Figura 1.3 Diagrama del VIA Fuente: Buroz, (1990). En la tabla 1.5 se muestra la clasificación de los impactos según su valor Tabla. 1. 5 Escala de clasificación de impactos Valor 6-10 Intensidad Alta Extensión Generalizada > 75% Duración Larga (>5años) 3-5 Media Local o Extensiva 10% - 75% Media (2>5 años) 1-2 Baja Puntual < 10 % Corta (<2 años) Reversibilidad Irreversible (baja capacidad o irrecuperable) Medianamente reversible de 11 a 20 años, largo plazo Reversible (a corto plazo <de 10 años Riesgo Alto (>50%) Medio (10 a 50%) Bajo (<10%) Fuente: Buroz, (1990). Posterior a la asignación de valores para cada una de las variables antes descritas se procede a introducir esos datos en la siguiente formula, para asignarle una categoría: VIA = I x Wi + E x We + D x Wd + Rv x WRv + Ri x WRi (1) Donde, I = Intensidad E = Extensión D = Duración 18 �Rv = Reversibilidad Ri = Riesgo Wi = Peso con que se pondera la intensidad We = Peso con que se pondera la extensión Wd = Peso con que se pondera la duración WRv = Peso con que se pondera la reversibilidad WRi = Peso con que se pondera el riesgo 1.6.4 Ponderación de los indicadores de impacto. La prueba del método en numerosos proyectos indicó la necesidad de diferenciar el peso de cada indicador. Los diferentes análisis indicaron que los mejores resultados se obtenían con la ponderación mostrada en la siguiente tabla 1.6 Tabla 1.6. Criterios de evaluación y peso asignado. Indicador Peso (%) Intensidad 30 Extensión 20 Duración 10 Reversibilidad 20 Riesgo 20 Fuente: Buroz, (1990). Los resultados de la evaluación se reflejan en la ficha descriptiva que se muestra a continuación 1.6.5 Ficha descriptiva del resultado de la evaluación Jerarquización de los impactos Nombre / Código Descripción 19 �1.6.6 Jerarquización de impacto ambiental (JIA). Una vez que se han aplicado las metodologías pertinentes, para identificar los impactos ambientales, los ordenamos de mayor a menor valor, con el fin de establecer prioridades, en cuanto a las propuestas y ejecución de medidas. La siguiente tabla, presenta la Jerarquización de los impactos a partir del valor de impacto ambiental (VIA). (Tabla 1.7) Tabla 1.7 Jerarquización de impactos. Categoría I II III IV Ocurrencia Muy alta Alta Moderada Baja Valor de VIA VIA >8 6< VIA ≤ 8 4< VIA ≤ 6 VIA ≤ 4 Fuente: Buroz, 1990. 1.6.7 Aplicación de medidas ambientales de prevención, mitigación o corrección. � CATEGORÍA I. Probabilidad de ocurrencia muy alta. VIA ≥ 8. Máxima atención. Medidas preventivas para evitar su manifestación. � CATEGORÍA II. Probabilidad de ocurrencia alta. 6 <VIA < 8. Medidas mitigantes o correctivas (preferiblemente estas últimas). Normalmente exigen monitoreo o seguimiento. � CATEGORÍA III. Probabilidad de ocurrencia moderada. 4 < VIA < 6. Medidas preventivas, que pueden sustituirse por mitigantes, correctivas o compensatorias cuando el impacto se produzca, si aquéllas resultaran costosas. � CATEGORÍA IV. Probabilidad de ocurrencia baja o media. VIA ≤ 4. No se aplican medidas, a menos que se trate de áreas críticas o de medidas muy económicas. 1.7 Análisis S.A.R.A. Consiste en la determinación de las cuatro familias de compuestos químicos que conforman el crudo, en términos de la concentración de hidrocarburos saturados, aromáticos, resinas y asfáltenos. 20 �La representación de estas variables, en un diagrama ternario de las concentraciones en % en peso que incluye hidrocarburos saturados, aromáticos y resinas más asfáltenos en los tr tres vértices del mismo (Figura. 1.4), ), posibilitó a Tissot y Welte (1984) la inclusión de 636 muestras de crudos de todo el mundo, incluyendo incluye algunos crudos pesados y a asfaltos de arenas bituminosas. El gráfico permite reconocer: En primer término un campo de isofrecuencias, correspondiente a una concentración de hidrocarburos saturados en el orden de 60% en peso, que determina la familia de crudos normales (maduros, no alterados) que generalmente son del tipo parafínicoparafínico nafténico (Tissot y Welte, 1984). Un segundo grupo de crudos, normales, con tenores de saturados en el orden de 3535 40% en peso, representan crudos de carácter más aromático. El tercer grupo, con valores de resinas más asfáltenos superiores a 40% en peso, constituyen una familia de crudos pesados y asfaltos, muy probablemente alterados, aunque este subgrupo abarca también crudos pesados inmaduros térmicamente (Tissot y Welte, 1984). Figura. 1. 1.4 Diagrama ternario SARA Fuente: Tissot y Welte, 1984 21 �CAPÍTULO II – MARCO METODOLOGICO. Para toda investigación es importante que los hechos y relaciones que establecen los resultados obtenidos tengan el grado máximo de confiabilidad, es por ello que se plantea una sistematización de la información que servirá para establecer los hechos y fenómenos hacia los cuales está orientada nuestra investigación. En la figura 2.1 se muestra el procedimiento para el desarrollo las etapas metodológicas de la investigación. Observación de campo Caracterización del área de estudio Toma de muestras Procesamientos de la información Evaluación del impacto ambiental Determinación del sistema de medidas mitigantes y correctoras Figura. 2.1 Etapas metodológicas de la investigación Fuente: Vílchez 2013 2.1 Tipo de investigación. La investigación de campo es aquella que consiste en la recolección de datos directamente de los sujetos investigados, o de la realidad donde ocurren los hechos (Datos primarios), sin manipular o controlar variable alguna, es decir, el investigador obtiene la información pero no altera las condiciones existentes. De allí su carácter 22 �no experimental. (Arias, 2006). De acuerdo a lo planteado anteriormente podemos decir que este estudio es de tipo investigación de campo ya que en la misma se toma y recopila toda la información requerida directamente de los menes los cuales son nuestra objeto de estudio, todo esto a través de la observación directa, hojas de registro de datos y la toma de muestras, sin la manipulación de las variables asociadas. 2.2 Nivel de la investigación. El nivel de investigación tal como lo plantea (Arias, 2006). “se refiere al grado de profundidad con que se aborda un fenómeno u objeto de estudio”. En virtud de lo antes expuesto podemos decir que el tema de estudio es de nivel (exploratorio, transversal), se considera exploratorio en virtud de que el tema elegido ha sido escasamente estudiado, carente de antecedentes previos, atendiendo al tiempo de recolección de los datos es transversal ya que los mismos fueron recolectados en un solo momento (muestras de agua, suelo y menes), con la finalidad de describir las variables y analizar su incidencia e interacción en un momento dado. 2.3 Metodología aplicada. 2.3.1 Observación de campo. Se realizó un recorrido por el Fundo Los Clavelitos específicamente por las áreas afectadas por la presencia de hidrocarburos, se observó el estado en que se encontraban los cauces de agua, los árboles, la fauna, los pozos petroleros abandonados, así como también la estación de flujo concordia. Algunos de estos se aprecian en las figuras. 2.2, 2.3, 2.4, y 2.5 23 �Figura. 2.2 Cauce de agua Figura. 2.3 Estación de flujo concordia Fuente: Vílchez 2013 Fuente: Vílchez 2013 do T-194 Figura. 2.4 Pozo abandonado Figura. 2.5 Mene 1 Fuente: Vílchez 2013 Fuente: Vílchez 2013 2.3.2 Caracterización del área de estudio estudio. Los campos de área de Casigua El Cubo se encuentran 100 km al oeste del extremo sur del Lago de Maracaibo tal como se muestra en la figura.. 2.6. El pozo que descubrió la producción del área fue el T T-1 (Toldo-1) 1) localizado por geología de superficie en el Campo Las Cruces Cruces.. Perforado a percusión fue completado por la Colón Development Company en la Formación Carbonera el 16 de Julio de 1916, con producción oducción de 800 B/D. 24 �Figura. 2.6 Mapa del distrito colon Fuente: Código geológico de Venezuela PDVSA-Intevep, 1997 Estratigrafía Regional. La columna estratigráfica comprende formaciones del Cretáceo, Paleoceno, Eoceno y Post-Eoceno, sobre la formación Mucuchachí (Carbonífero). En la concesión Barco la clasificación estratigráfica fue establecida por el Dr. H.D. Hedberg, quien publicó un mapa geológico detallado de los anticlinales de Petrólea y de Río de Oro. Se inicia el Cretáceo con un ambiente fluvio-continental de areniscas cuarzosas de grano grueso, formación Río Negro. Sigue el Grupo Cogollo, con las calizas de la formación Apón (miembros Tibú, Guáimaros y Mercedes); y continúa la transgresión cretácica a las formaciones Aguardiente y Capacho (miembros La Grita, Seboruco, 25 �Guayacán), que culminó con las calizas La Luna del Cretáceo medio y las lutitas masivas de la formación Colon. Termina el Cretáceo con la formación Mito Juan de lutitas con capas de arenisca. Se presenta después un ciclo regresivo Orocué-Mirador y un ciclo transgresivo Mirador-Carbonera. El Paleoceno está representado por el Grupo Orocué con sus tres formaciones (Catatumbo, Barco y Los Cuervos) de lutitas y limolitas, depositadas en ambiente de plano deltáico bajo a alto de un ciclo regresivo, granocreciente. Discordantemente, continúan las formaciones eocenas Mirador y Carbonera, de areniscas, lutitas, limolitas y carbón. Mirador, de ambiente fluvial de ríos meandriformes y Carbonera de plano deltáico medio-alto en un ciclo transgresivo granodecreciente. La formación Carbonera fue mencionada por Kehrer en 1930 como “Lutitas Arenosas”. La empresa Shell la llamó “Primer horizonte de carbón”, nombre inválido aplicado en la región de Cúcuta, reemplazado en 1944 por Carbonera. Se compone principalmente de arcilitas y lutitas con areniscas arenosas. Presenta una notoria capa de carbón sub-asfáltico de uno a tres metros de espesor, excelente estrato-guía en pozos y afloramientos desde Colombia hasta el campo Los Manueles, recubierto por el intervalo petrolífero de 500’ denominado informalmente “areniscas de El Cubo”. Sigue la columna estratigráfica con la formación León del Oligoceno tardío y Mioceno temprano (latitas y areniscas carbonáceas); y el Grupo Guayabo (Formaciones Palmar, Isnotú y Betijoque) representando la sedimentación miocena con areniscas, arcillas carbonáceas y conglomerados que se extienden hasta el Plioceno. Figura 2.7 26 �Figura. 2.7 Columna estratigráfica de los campos de distrito colon Fuente: Código geológico de Venezuela PDVSA-Intevep, 1997 Estructura del Campo Las Cruces. El Campo Las Cruces es un domo fallado alargado en dirección NE-SO sobre el corrimiento de Tarra. El corrimiento determina tres unidades tectónicas: el flanco oeste sobrecorrido, una cuña de falla entre dos planos convergentes, y un flanco este afectado a su vez por fallas convergentes. Se aprecia un sistema de fallas inversas transversales, de rumbo noreste-suroeste y buzamiento oeste con desplazamiento de 100 hasta 1.000 pies. Figura. 2.8 27 �Figura. 2.8 Mapa estructural campo las cruces Fuente: Código geológico de Venezuela PDVSA-Intevep, 1997 En la Figura. 2.9 Se muestra un corte geológico del Campo Las Cruces. Figura. 2.9 Corte geológico campo las cruces Fuente: Código geológico de Venezuela PDVSA-Intevep, 1997 2.3.3 Toma de Muestras. La muestra es una porción representativa de la población, que permite generalizar sobre ésta, los resultados de una investigación. Su propósito básico es extraer 28 �información que resulta imposible estudiar en la población, porque esta incluye la totalidad. (Chávez, 2004) Para esta investigación se tomaron siete (7) muestras, a tres (3) de agua y dos (2) de suelo se le realizaron análisis físico químico para fundamentar los criterios de valoración sobre el factor agua y suelo respectivamente y a dos (2) muestras de menes se le realizo el análisis SARA para determinar a través de diagrama de Tissot la clasificación del hidrocarburo presente en los menes. En este sentido, el muestreo es no probabilístico intencional ya que no se determinará probabilidad alguna y el investigador establece previamente las unidades de análisis. (Stracuzzi ,2010) Análisis de las muestras. La empresa PDVSA a través del convenio con la Fundación Instituto Zuliano de Investigaciones Tecnológicas (INZIT), solicitó realizar una serie de análisis al agua, suelo y hidrocarburos en el Fundo Los Clavelitos. Identificación de las muestras de Suelo. Se captaron por el personal del INZIT, dos (02) muestras de sedimento el día 30 de julio del año 2013. La muestra 1 se codifico bajo las ordenes Nº 1802 (anexo D) y 1803 (artículo 50), figura 2.11, y la muestra 2 bajo las ordenes No 1819 (anexo D) y 1818 (artículo 50), figura 2.12. Se identificaron como se indica en la Tabla 2.1. Tabla 2.1 Identificación de la Muestras de suelo. Código INZIT Descripción Coordenadas 1803-36-13-13328 1802-36-13-13327 1818-36-13-13357 1819-36-13-13358 Suelo 1 (S1) Suelo 1 Suelo 2 (S2) Suelo 2 N: 08°35'32,73" W: 72°31'59,33" N: 08°35'42,11" W: 72°31'55,11" Fuente: Vílchez 2013 En la figura 2.10 se muestra la ubicación geográfica de las muestras de suelo 29 �Figura. 2.10 Ubicación geográfica de los puntos de muestreo de suelo Fuente: Vílchez 2013 Suelo contaminado Suelo contaminado Figura. 2.11 Toma de muestra suelo 1 Figura. 2.12 Toma de muestra suelo 2 Fuente: Vílchez 2013 Fuente: Vílchez 2013 Metodología. La muestra se analizó siguiendo los procedimientos descritos en EPA (1997) Test Methods for Evaluating Solid Waste, Physical/Chemical Methods SW-846. SW Método de muestreo. Las muestras de sedimento se captaron siguiendo los procedimientos descritos en el "ENVIRONMENTAL PROTECT PROTECTION AGENCY / SW 846(EPA)". 30 �Parámetros analizados. Según lo referido en el Decreto 2.635, articulo 50; Para esparcimiento en suelos, publicados en la Gaceta Oficial N° 5.245 "Normas para el control de la recuperación de materiales peligrosos y el manejo de los desechos peligrosos". Cuantificación de Arsénico, Bario, Cadmio, Cromo, Mercurio, Plata, Plomo, Selenio, Zinc, Porcentaje de Saturaci6n de Bases, Aceites y Grasas, Aluminio Intercambiable, Cloruros totales, Conductividad eléctrica 1:2 agua/suelo, relación de Adsorción de Sodio, medición de pH. En Lixiviado; cuantificación de Arsénico, Bario, Cadmio, Cromo, Mercurio, Níquel, Palta, Plomo, Selenio. Resultado de los parámetros analizados. La tabla 2.2 muestra los resultados obtenidos de los análisis de laboratorio de las muestras de suelo y anexo D. Tabla. 2.2 Análisis de la Muestras de Suelo. Código muestra Orden Descripción Determinación de aceites minerales e hidrocarburos Determinación de aceites y grasas Determinación de aluminio intercambiable Determinación de cloruros totales Determinación de conductividad eléctrica 1:2 agua/suelo Determinación de relación Absorción de sodio Determinación de PH Preparación de muestra por digestado Suelo 1 1803-36-13-13328 1803 Límites Articulo 50 Decreto No. 2635 Mezcla sueloHidrocarburos Suelo 2 1818-36-13-13357 1818 Resultado Suelo 1 Suelo 2 .... 1.02% en peso 1.02% en peso <= 1 % en peso 1.87 % en peso 0.69 % en peso < 1.5 meq/100 < 0.01 meq/100 < 0.01 meq/100 < 2500 ppm < 161 ppm < 161 ppm < 3.5 mS < 0.13 mS < 0.13 mS <8 0.22 0.20 5-8 6.66 6.35 .... Realizada Realizada 31 �(Cont…) Descripción Determinación de porcentaje de saturación de bases Determinación de plata Determinación de arsénico Determinación de cadmio Determinación de cromo Determinación de mercurio Determinación de plomo Determinación de selenio Determinación de zinc Determinación de bario Límites Articulo 50 Decreto No. 2635 Mezcla sueloHidrocarburos Suelo 1 Resultado Suelo 2 >= 80 100 100 <= 5 mg/Kg <= 1.0 mg/Kg <= 1.0 mg/Kg <= 25 mg/Kg <= 1.0 mg/Kg <= 8 mg/Kg <= 300 mg/Kg <= 1.0 mg/Kg <= 1.0 mg/Kg <= 1 mg/Kg <= 0.1 mg/Kg <= 1.0 mg/Kg <= 1.0 mg/Kg <= 1.0 mg/Kg <= 0.1 mg/Kg <= 150 mg/Kg <= 2 mg/Kg <= 300 mg/Kg <= 2000 mg/Kg <= 34.6 mg/Kg <= 1.0 mg/Kg <= 31.7 mg/Kg <= 99 mg/Kg Muestra Código Orden Suelos 1 1803-36-13-13327 1802 Suelos 2 1819-36-13-13358 1819 Descripción Anexo D Suelo 1 Preparación de la muestra solida por lixiviados Determinación de arsénico Determinación de bario Determinación de cromo Determinación de cadmio Determinación de mercurio Determinación de plata Determinación de selenio Determinación de Níquel <= 34.9mg/Kg <= 1.0 mg/Kg <= 56.8 mg/Kg <= 150 mg/Kg Resultado Suelo 2 ... Realizada <= 5 mg/L <= 0.01mg/L <= 100 mg/L <= 5 mg/L <= 1 mg/L <= 2.4 mg/L <= 0.02 mg/L <= 0.02 mg/L <= 0.2 mg/L <= 0.001mg/L <= 5 mg/L <= 1 mg/L <= 5 mg/L <= 0.01mg/L <= 0.01mg/L <= 0.02 mg/L Realizada <= 0.01mg/L <= 2.6 mg/L <= 0.02 mg/L <= 0.02 mg/L <= 0.001mg/L <= 0.01mg/L <= 0.01mg/L <= 0.02 mg/L Fuente: Vílchez 2013 Identificación de las muestras de Agua. Se captaron por el personal del INZIT, tres (03) muestras de agua el día 30 de Julio del año 2013, fig. 16, 17,18. Las muestras fueron codificadas bajo la orden N° 1806 e identificadas como se indica en la Tabla 2.3 32 �Tabla. 2.3 Identificación dentificación de las Muestras de Agua Agua. Código INZIT Descripción Coordenadas 1806-02-13-13335 Agua de mene (Am) N:08°35'14,1" W:72°31'56,3" 1806-02-13-13336 Agua de caño 1 (Ac1) N:08°35'17,0" W:72°32'52,2" 1806-02-13-13337 Agua de caño 2 (Ac2) N:08°36'15,0" W:72°31'36,8" Fuente: Vílchez 2013 En la figura 2.13 se muestra lla ubicación geográfica de las muestras de agua. Figura. 2.13 Ubicación geográfica de los puntos de muestreo del agua Figura Figura. 2.14 Toma de muestra de Agua de Mene Fuente: Vílchez 2013 33 �Figura. 2.15 Muestra uestra de Agua Caño 1 Figura. 2.16 Muestra uestra de Agua Caño 2 Fuente: Vílchez 2013 Fuente: Vílchez 2013 Metodología. Las muestras de agua fueron analizadas siguiendo los procedimientos descritos en el "Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater" 20th Edition, mientras que las de sedimento, se analizaron siguiendo los procedimientos descritos en EPA (1997) Test Methods for Evaluating Solid Waste, Physical/ Physical/Chemical Chemical Methods SW-846. Método de muestreo. Las muestras fueron tomadas en envases plásticos y de vidrio de diferentes capacidades (500 mL y 1L). Las muestras se preservaron con los reactivos necesarios (ácido etilendiaminotetraacé etilendiaminotetraacético EDTA, ácido sulfúrico H2SO4, ácido nítrico HNO3, hidróxido xido de sodio NaOH, acetato de zinc (CH3 (CH3COO COO) 2Zn) para evitar fenómenos de adsorció adsorción de elementos traza en Ia superficie de los envases en algunos casos, y en otros, adecuar las condiciones fisicoquímicas y evitar perdida o contaminación del analito durante el almacenaje y transporte. Una vez tomadas y preservadas con los reactivos correspondientes, el conjunto de muestras fue conservado vado a temperatura controlada ((-4 4 °C) y trasladadas en el menor tiempo posible ible al laboratorio para los análisis respectivos. 34 �Parámetros analizados. Muestras de agua: Art. 10 decreto Nº 883. Normas para la clasificación y el control de la calidad de los cuerpos de agua y vertidos o efluentes líquidos: aceites minerales e hidrocarburos, aceites y grasas, demanda bioquímica de oxígeno, demanda química de oxígeno, detergentes, espuma, nitrógeno total, pH, sólidos sedimentables, sólidos flotantes, sólidos suspendidos, color real, cuantificación de metales: fosforo, hierro, manganeso, cromo, estaño, aluminio, arsénico, bario, boro, cadmio, cobalto, cobre, mercurio, plata, plomo, selenio, zinc, fenoles, sulfuros, fluoruros, nitritos+nitratos, sulfatos, sulfitos, cloruros, cianuros, coliformes totales. Resultado de los parámetros analizados. La tabla 2.4 muestra los resultados obtenidos de los análisis de laboratorio de la muestra de agua. Tabla. 2.4 Resultados de las muestras de agua. Agua de mene Código muestra 1806-02-1313335 Orden 1806 Descripción Determinación de aceites minerales e hidrocarburos Determinación de aceites y grasas Determinación de cloruros Determinación de color real Determinación de demanda bioquímica de oxigeno Determinación de demanda química de oxigeno Determinación de detergentes Límites Articulo 10 Decreto No. 883 Agua de caño 1 Agua de caño 2 1806-02-1313336 1806 1806-02-1313337 1806 Resultados Agua de mene Agua de caño 1 Agua de caño 2 <= 20 mg/l I57 mg/l 0.31 mg/l 0.51 mg/l <= 20 mg/l 191 mg/l I.13 mg/l 1.72 mg/l <= 1000 mg/l <= 500 Pt-Co 4 mg/l 11 Pt-Co 7 mg/l 5 Pt-Co 5 mg/l 9 Pt-Co <= 60 mg/l 19 mg/l 6 mg/l 8 mg/l <= 350 mg/l 98 mg/l 28 mg/l 42 mg/l <= 2 mg/l < 0,05 mg/l < 0,05 mg/l < 0,05 mg/l 35 �(Cont…) Descripción Determinación de cianuros Determinación de sólidos suspendidos Determinación de aluminio Determinación de arsénico Determinación de bario Determinación de boro Determinación de cobalto Determinación de cobre Determinación de cromo Límites Articulo 10 Decreto No. 883 <= 0,2 mg/l Resultados Agua de mene < 0,05 mg/l Agua de caño 1 < 0,05 mg/l Agua de caño 2 < 0,05 mg/l <= 80 mg/l 156 mg/l 26 mg/l 38 mg/l <= 5 mg/l <= 0,5 mg/l <= 5 mg/l <= 5 mg/l <= 0,5 mg/l <= 1 mg/l <= 2 mg/l < 0,1 mg/l < 0,01 mg/l < 0,1 mg/l < 0,3 mg/l < 0,03 mg/l < 0,01 mg/l < 0,02 mg/l < 0,002 mg/l < 0,8 mg/l < 0,01 mg/l < 0,01 mg/l < 0,1 mg/l < 0,01 mg/l < 0,1 mg/l < 0,30 mg/l < 0,03 mg/l < 0,01 mg/l < 0,02 mg/l Determinación de cadmio <= 0,2 mg/l Determinación de estaño Determinación de plata Determinación de plomo Determinación de fosforo total Determinación de nitritos + nitratos Determinación de nitrógeno total Determinación de sólidos flotantes Determinación de sólidos sedimentables Determinación de sulfatos Determinación de sulfitos Determinación de sulfuros Presencia de espuma Medición de pH Determinación de fenoles Determinación de fluoruros Determinación de hierro Determinación de manganeso Determinación de selenio <= 5 mg/l <= 0,1 mg/l <= 0,5 mg/l < 0,1 mg/l < 0,01 mg/l < 0,1 mg/l < 0,30 mg/l < 0,03 mg/l < 0,01 mg/l < 0,02 mg/l < 0,002 mg/l < 0,8 mg/l < 0,01 mg/l < 0,01 mg/l <= 10 mg/l < 0,05 mg/l < 0,05 mg/l < 0,05 mg/l <= 10 mg/l 9.43 mg/l 7.15 mg/l 10.5 mg/l <= 40 mg/l 9.43 mg/l 7.15 mg/l 10.5 mg/l Ausentes 0.4 mg/l < 0.1 mg/l 0.1 mg/l <= 1 mg/l < 0.5 mg/l < 0.5 mg/l < 0.5 mg/l <= 1000 mg/l <= 2 mg/l <= 0,5 mg/l Ausente 6-9 <= 0,5 mg/l <= 5 mg/l <=10 mg/l < 5 mg/l < 0.5 mg/l < 0.2 mg/l Ausente 6 0.13 mg/l 0.16 mg/l 0.23 mg/l < 5 mg/l < 0.1 mg/l < 0.2 mg/l Ausente 5.98 < 0.05 mg/l 0.44 mg/l 1.23 mg/l < 5 mg/l < 0.1 mg/l < 0.2 mg/l Ausente 6 < 0.05 mg/l 0.07 mg/l 1.62 mg/l <= 2 mg/l < 0,01 mg/l < 0,01 mg/l < 0,01 mg/l <=0,05 mg/l < 0,01 mg/l < 0,01 mg/l < 0,01 mg/l Determinación de zinc <= 5 mg/l <=0,01 mg/l Determinación de bacterias coliformes totales <=1000NMP/ 100m < 0,01 mg/l < 0,001 mg/l 2400 NMP/100m < 0,01 mg/l Determinación de mercurio < 0,01 mg/l < 0,001 mg/l 4 NMP/100m < 0,002 mg/l < 0,8 mg/l < 0,01 mg/l < 0,01 mg/l < 0,001 mg/l 2400 NMP/100 Fuente: Vílchez 2013 36 �Identificación entificación de muestra de hidrocarburos provenientes de los menes. Se captaron por el personal del INZIT dos (02) muestras de hidrocarburos provenientes de los menes menes, el día 01 de agosto de 2013, tal como se muestra en las figuras 2.18 y 2.19 las mismas fueron y entregadas tregadas al Laboratorio de Petróleo Petró el mismo día para sus respectivos análisis, las muestras fueron eron codificadas con la orden Nº 1804 e identificadas ificadas de la siguiente manera. (Tabla 2.5) 2.5). Tabla. 2.5 Identificación dentificación de la las muestras de Mene. Código INZIT 1804-06-13-13329 1804-06-13-13330 Descripción Mene 1 (M1) Mene 2 (M2) Coordenadas N:08°35'13,23" N:08°35'44,54" W:72°31'57,23" 31'57 W:72°31'54,84" 31'54,84 En la figura 2.17 se muestra lla ubicación geográfica de las muestras de menes Figura. 2.17 Ubicación geográfica de los puntos de muestreo de menes Suelo contaminado Figura. 2.18 Toma de muestra Mene 1 Figura. 2.19 Toma de muestra Mene 2 Fuente: Vílchez 2013 Fuente: Vílchez 2013 37 �Metodología. Para realizar los análisis correspondientes se siguieron los procedimientos descritos en el "Standard ASTM for Petroleum Products and Lubricants" Método de muestreo. Las muestras fueron captadas atmosféricamente en el Fundo Los Clavelitos y colocadas en envases plásticos de 500 ml de capacidad, estas fueron tapadas inmediatamente para evitar cualquier posible contaminación de algunos elementos traza debido a fenómenos de adsorción. Conservadas a temperatura ambiente fueron trasladadas al laboratorio para sus respectivos análisis. Parámetros analizados. A las muestras se le realizaron los análisis de: saturados, aromáticos, resinas y asfáltenos (SARA) Resultado de los parámetros analizados. La tabla 2.6 muestra los resultados obtenidos de los análisis de laboratorio de la muestra de menes Tabla. 2.6 Resultados Análisis SARA. Muestra % Saturados % Aromáticos % Resinas % Asfáltenos Mene 01 26,47 23,53 39,78 10,22 Mene 02 26,67 30,00 27,23 16,10 Fuente: Vílchez 2013 3.3.4 Aplicación del Método de los criterios relevantes integrados. Los impactos a ser evaluados por el método CRI se dividen en dos impactos del medio físico y del medio biológico tal como se muestra en la tabla 2.7. 38 �Tabla. 2.7 Impactos de Ambientes a Evaluar. Impactos Medio Físico-Natural MF-01 Afectación de suelos por presencia de hidrocarburos provenientes de menes MF-02 Afectación de cauces (Afluentes) de agua por presencia de hidrocarburos provenientes de menes MF-03 Afectación del aire por presencia de hidrocarburos provenientes de menes Medio Biológico MB-01 Afectación de la flora (Cobertura vegetal) por presencia de hidrocarburos provenientes de menes MB-02 Alteración del habitad para la fauna (Migración y muerte) por presencia de hidrocarburos provenientes de menes Fuente: Vilchez 2013 Componente Medio Físico-Natural. Código MF-01: Afectación de suelos por presencia de hidrocarburos provenientes de menes. � Medio Afectado: Suelo. � Localización: Fundo Los Clavelitos, Áreas de los menes M1 y M2. � Acción generadora: Emanaciones de hidrocarburos naturales (Menes). � Efectos: Alteración en la composición del suelo, afectación a la flora y fauna asociada al mismo. � Descripción del impacto: Los menes afectan la capa superficial de los suelos del Fundo Los Clavelitos compactándolos, reducen el espacio poroso, la composición, producen cambios de la geomorfología y también alteran el paisaje. Cabe destacar que los suelos son de gran importancia tanto para el desarrollo de la flora como para la diversidad de fauna de la zona. Criterios de valoración del impacto. � Intensidad: Esta afectación está asociada con el caudal y el grado de contaminación del hidrocarburo que brota del mene, en este caso por ser la descarga continua y de poco caudal, se considera como de media intensidad (4). 39 �Este � Extensión: impacto se presenta en diversas áreas del fundo; principalmente donde se encuentran los menes M1 y M2, y se extiende en dirección de la menor de pendiente de estos. La superficie afectada es de aproximadamente 4.5 hectáreas. Por lo tanto, el nivel de extensión se considera como local o extensiva (4). � Duración: El criterio de duración del impacto está asociado al tiempo de duración del agente contaminante. Debido a que existen reportes de la presencia de hidrocarburos de por lo menos 10 años, La misma se considera como larga (10). � Reversibilidad: La reversibilidad estará asociada a los correctivos necesarios a implementar para lograr que el medio retome su condición original. Por ser el mene un fenómeno natural que siempre afectara el suelo. Se deben perforar pozos de petróleo para disminuir su caudal, Su efecto se considera medianamente reversible con un valor de (5). � Riesgo: Existe una gran probabilidad de que el hidrocarburo contamine el suelo por la continua descarga, los resultados de los parámetros aceites y grasas cercanos a los menes arrojaron que no cumple con la normativa legal vigente, pero para las zonas alejadas a los menes se cumplen todos los parámetros, por lo tanto se considera el riesgo como focalizado alto (8). El resultado de los criterios de valoración del impacto se introduce en la tabla 2.8. Tabla. 2.8 Jerarquización del impacto sobre el suelo. Medio Afectado Suelo I E D Rv Ri VIA Categoría 4 4 10 5 8 5,6 III Fuente: Vilchez 2013 Los datos determinados se introducen en la fórmula 1 (ver pág. 18) VIA = 4 x 0.3 + 4 x 0.2 + 10 x 0.1 + 5 x 0.2 + 8 x 0.2 = 5,6 40 �Código MF-02: Afectación de cauces de agua por presencia de hidrocarburos provenientes de menes. � Medio Afectado: Cauces de agua. � Localización: Fundo Los Clavelitos, diversos Cauces. � Acción generadora: Las emanaciones de hidrocarburos provenientes principalmente de los menes M1 y M2. � Efectos: Alteración de las propiedades físico químicas del agua de los cauces, afectación a la flora y fauna asociada a los mismos. � Descripción del impacto: Las emanaciones de hidrocarburos provenientes de los menes M1 y M2 afectan los cursos de agua del Fundo Los Clavelitos, alteran la composición físico química de los mismos. Estos cauces son de gran importancia tanto para las plantas acuáticas y peces, como para la diversidad de fauna de la zona. Criterios de valoración del impacto � Intensidad: La intensidad de la afectación está asociada con el caudal y el grado de contaminación del hidrocarburo proveniente de los menes el cual llega hasta los diversos cauces de agua del Fundo Los Clavelitos, la descarga no es continua y de poco caudal. Se considera como de baja intensidad (2). � Extensión: La superficie afectada directamente es la zona de los cauces de agua que se encuentran ubicados por debajo de la pendiente de los menes M1 y M2; Sin embargo, El proceso de escorrentía se expande aguas abajo aproximadamente hasta un 1 Km, esto de acuerdo a lo observado en el estudio de campo. Por lo tanto, el nivel de afectación por extensión se considera como local o extensiva (4). � Duración: Este criterio está asociado al tiempo de duración del agente contaminante, la presencia de hidrocarburos en los cauces de agua ha estado presente en un periodo mayor a 10 años, la duración se considera como larga (10). � Reversibilidad: La reversibilidad está asociada a los correctivos necesarios a implementar para lograr que el medio retome su condición original. Se deben 41 �colocar barreras de contención de tierra alrededor de los menes lo cual reduciría considerablemente la probabilidad de contaminación de los cauces, por lo antes expuesto se considera medianamente reversible (5). � Riesgo: La probabilidad de que el hidrocarburo contamine los cauces de agua por el continuo brote es baja, ya que los análisis físicos químicos del agua de los caños 1 y 2 arrojaron que los parámetros aceites minerales e hidrocarburos, y aceites y grasas se encontraban en el rango de la normativa nacional vigente, solo estaban fuera de parámetros el agua de mene, por lo tanto en el riesgo se considera como medio (4). El resultado de los criterios de valoración del impacto se introduce en la tabla 2.9. Tabla. 2.9 Jerarquización del impacto sobre los cauces de agua. Medio Afectado Cauces de agua I E D Rv Ri VIA Categoría 2 4 10 5 4 4,2 III Fuente: Vilchez 2013 Los datos determinados se introducen en la fórmula 1 (ver pág. 18). VIA = 2 x 0.3 + 4 x 0.2 + 10 x 0.1 + 5 x 0.2 + 4 x 0.2= 4,2 Código MF-03: Afectación del aire por presencia de hidrocarburos provenientes de menes. � Medio Afectado: Aire. � Localización: Fundo Los Clavelitos, principalmente las áreas cercana a los menes M1 y M2. � Acción generadora: Las emanaciones de hidrocarburos volátiles provenientes principalmente de los menes M1 y M2 ocasionan variaciones en la calidad del aire. � Efectos: Afectación a la flora y fauna cercana a los menes M1 y M2. � Descripción del impacto: La liberación de los hidrocarburos volátiles provenientes principalmente de los menes M1 y M2 afecta la calidad del aire y 42 �por ende la flora y fauna del Fundo Los Clavelitos. Criterios de valoración del impacto. � Intensidad: La afectación de este parámetro se relaciona con el caudal de hidrocarburos volátiles que se libera y su grado de contaminación, por presentar una descarga continua de poco caudal. Se considera como de media intensidad (3). � Extensión: La superficie afectada directamente es la zona cercana a los menes M1 y M2, en un área aproximada de 6 hectáreas. Por lo tanto, el nivel de afectación por extensión se considera como local o extensiva (4). � Duración: El criterio de duración del impacto está asociado al tiempo de duración del agente contaminante. Debido a que la presencia de hidrocarburos en el Fundo Los Clavelitos es mayor a 10 años, se considerara de larga duración (10). � Reversibilidad: La reversibilidad está asociada a los correctivos necesarios a implementar, medidas que permitan que el medio retome su condición original. El mene es un fenómeno natural activo y la liberación de hidrocarburos volátiles continua. Se recomienda la perforación de pozos petroleros para disminuir la liberación de los componentes volátiles a la atmósfera. Su efecto se considera medianamente reversible (5). � Riesgo: Existe una gran probabilidad de que los hidrocarburos volátiles provenientes principalmente de los menes M1 y M2 contaminen el aire por la continua liberación, por lo tanto se considera el riesgo como alto (10). El resultado de los criterios de valoración del impacto se introduce en la tabla 2.10. Tabla. 2.10 Jerarquización del impacto sobre el aire. Medio Afectado Aire I E D Rv Ri VIA Categoría 3 4 10 5 10 5,7 III Fuente: Vilchez 2013 43 �Los datos determinados se introducen en la fórmula 1 (ver pág. 18) VIA = 3 x 0.3 + 4 x 0.2 + 10 x 0.1 + 5 x 0.2 + 10 x 0.2= 5,7 Componente Medio Biológico. Código MB-01: Afectación de la flora (cobertura vegetal) por presencia de hidrocarburos provenientes de menes. � Medio Afectado: Flora. � Localización: Fundo Los Clavelitos, principalmente las áreas de los menes M1 y M2, la zona cercana a los mismos y la zona de los cauces de agua. � Acción generadora: Las emanaciones de hidrocarburos provenientes principalmente de los menes M1 y M2. � Efectos: Afectación a la flora por impregnación y filtración del suelo por hidrocarburos, lo cual ocasiona sequía de la diversidad de plantas, esto ocurre principalmente en las áreas de los menes M1, M2 y sus alrededores. � Descripción del impacto: La vegetación que se encuentra el Fundo Los Clavelitos son principalmente las que se muestran en la tabla 2.11. Estas son afectadas por infiltración de los suelos y por impregnación de hidrocarburos provenientes principalmente de los menes M1 y M2, lo cual trae como consecuencia su deterioro y sequía. Tabla 2.11 Principales representantes de la vegetación en el Fundo Los Clavelitos. Nombre común Nombre científico Pasto guinea Palo maría Escobilla Yagrumo Pega pega Helechos Palma curuba Lengua de suegra Pira Mocote Junco de agua Rabo de zorro Estoraque Panicum máximum Triplaris caracasana Scoparia dulcis Cecropia peltata Desmodium spp Pteridium spp Attalea butyracea Dieffenbachia spp Amaranthus Cassia alata Cyperus ligularis Setaria geliculata Vernonia brasiliana Fuente: Vilchez 2013 44 �Criterios de valoración del impacto. � Intensidad: La afectación de este parámetro es consecuencia del caudal de hidrocarburos que se infiltra en los suelos e impregna la vegetación de la zona de los menes M1, M2 y sus alrededores. Por presentar los resultados de los análisis de lixiviados en las muestras de suelos en el rango de la normativa venezolana. (Tabla. 2.2, Anexo D, pág. 30). Su intensidad se considera baja y continua (1). � Extensión: La superficie afectada directamente es la zona de los menes M1, M2 y la zona cercana, así como también la vegetación en los afluentes con un área aproximada de 6 hectáreas. El nivel de afectación por extensión se considera como local o extensiva (4). � Duración: El criterio de duración del impacto se asocia al tiempo de duración del agente contaminante. Se reporta la presencia de hidrocarburos en el Fundo Los Clavelitos en un periodo mayor a 10 años, la duración se considera larga (10). � Reversibilidad: La reversibilidad está asociada a los correctivos necesarios a implementar, medidas que permitan que el medio retome su condición original. Por ser el mene un fenómeno natural activo y de presencia continua, se recomienda la perforación de pozos petroleros para disminuir su brote y la colocación de barreras de tierra alrededor de los menes M1 y M2. En los cauces de agua se recomienda colocar barreras tipo cortina para evitar que la cobertura vegetal se impregne de hidrocarburos. Se considera que este fenómeno naturall puede ser en la flora medianamente reversible (4). � Riesgo: Existe una gran probabilidad de que el hidrocarburo contamine la vegetación por la continua impregnación y en los suelos, por lo tanto se considera el riesgo como alto (8). El resultado de los criterios de valoración del impacto se introduce en la tabla 2.12. Tabla. 2.12 Jerarquización del impacto sobre la flora. Medio Afectado Flora I 1 E 4 D 10 Rv 4 Ri 8 VIA 4,5 Categoría III Fuente: Vilchez 2013 45 �Los datos determinados se introducen en la fórmula 1 (ver pág. 18) VIA = 1 x 0.3 + 4 x 0.2 + 10 x 0.1 + 4 x 0.2 + 8 x 0.2 = 4,5 Código MB-02: Alteración del habitad de la fauna (Migración y muerte) por presencia de hidrocarburos provenientes de menes. � Medio Afectado: Fauna � Localización: Fundo Los Clavelitos, principalmente las áreas de los menes M1 y M2, la zona cercana a los mismos y la zona de los cauces de agua. � Acción generadora: Las emanaciones de hidrocarburos provenientes principalmente de los menes M1 y M2. � Efectos: Afectación a la fauna por impregnación y liberación de hidrocarburos volátiles, esto trae como consecuencia la migración y muerte de las diversidad de especies que habitan en la zona. � Descripción del impacto: La fauna que habita en el Fundo Los Clavelitos se afecta por impregnación de hidrocarburos, así como también por la evaporación de los componentes volátiles de los mismos, lo que trae como consecuencia la migración y muerte de las especies que habitan en la zona, en la misma existen una gran diversidad. (Tabla 2.13) Tabla. 2.13 Principales representantes de la fauna en el Fundo Los Clavelitos. Nombre común Nombre científico Chiguire o piropiro Rabipelados Lapa Cunaguaro Picure Vaca Morrocoy Baba Iguana Dormilona Mono de noche Oso melero Oso frontino Hydrochanis esthmius Didelfus Agotipaca Felis perdatis Desaprocta agutí Bos primegenius Taurus Geochelone carbonara Caimán cocodrilus Iguana Epicrates concharia Actus trivigatus Tamandúa mexicana Tremaretos ornatus Fuente: Vilchez 2013 46 �Criterios de valoración del impacto � Intensidad: La afectación de este parámetro está asociada con el caudal de hidrocarburos que se esparce en la zona, específicamente donde se encuentran los menes M1, M2 y en las aguas de los cauces donde hay presencia del mismo. En la zona de los menes los animales son impregnados al caminar o posarse en dichos sitios. Se observa poca presencia de animales, por lo que la intensidad se considera como alta (6). � Extensión: La superficie afectada directamente es la zona de los menes M1, M2 y la zona de los cauces de agua que contienen presencia de hidrocarburos. El área es aproximadamente de 6 hectáreas. El nivel de afectación por extensión se considerara como local o extensiva (4). � Duración: El criterio de duración del impacto está asociado al tiempo de duración del agente contaminante. Se reporta la presencia de hidrocarburos en el Fundo Los Clavelitos en un periodo mayor a 10 años, esta se considera como larga (10). � Reversibilidad: La reversibilidad está asociada a los correctivos necesarios a implementar medidas que permitan que el medio retome su condición original. El mene un fenómeno natural activo y la presencia de hidrocarburos continua, se recomienda la perforación de pozos petroleros para disminuir el brote de los menes, y permitir que la fauna regrese al Fundo Los Clavelitos, se considera el impacto medianamente reversible (5). � Riesgo: Existe una gran probabilidad de que el hidrocarburo impregne y afecte a la fauna, por lo tanto se considera el riesgo como alto (9). El resultado de los criterios de valoración del impacto se introduce en la tabla 2.14. Tabla. 2.14 Jerarquización del impacto sobre la fauna. Medio Afectado Fauna I 6 E 4 D 10 Rv 5 Ri 9 VIA 6,4 Categoría II Fuente: Vilchez 2013 Los datos determinados se introducen en la fórmula 1 (ver pág. 18). VIA = 6 x 0.3 + 4 x 0.2 + 10 x 0.1 + 5 x 0.2 + 9 x 0.2= 6.4 47 �CAPÍTULO III – ANALISIS DE RESULTADOS. En este capítulo se presentan y analizan los resultados obtenidos durante el desarrollo de la investigación, siguiendo la metodología expuesta en el capítulo II, Marco metodológico, así como su relación con los objetivos específicos. Siguiendo la secuencia de los objetivos planteados en la investigación para la Identificación de los principales elementos causales que generan la presencia de hidrocarburos en el Fundo Los Clavelitos, se realizaron dos visitas de campo al Fundo Los Clavelitos, con la presencia del propietario del mismo y con un equipo multidisciplinario conformado por el Ing. Luis duarte perteneciente a la gerencia de ambiente de PDVSA y técnicos de INZIT los días 31 de julio y 01 de agosto de 2013, la cual arrojo como resultado que los pozos petroleros que ese encuentran dentro del fundo el T-194, T-219 ,T-184, y la Estación de Flujo Concordia se encontraban desincorporados de producción y los mismos no presentaban derrames, por lo que se descartó que estos fueran los causantes de la presencia de hidrocarburos. Es de señalar que durante todo el recorrido se pudo visualizar una serie de manchas de hidrocarburos por donde no existían ningún tipo de tuberías, estas fluían naturalmente (Menes), siendo la más notorias dos manchas de aproximadamente 4.5 hectáreas. En relación al segundo objetivo sobre la caracterización geológica de la zona podemos decir que el Fundo Los Clavelitos se encuentra dentro del campo petrolero conocido como Las Cruces el cual presenta una estructura tectónica compleja, con fallas convergentes y fallas inversas transversales, lo cual pudiera explicar la presencia de los menes en diversas áreas, ya que las fallas son la principal vía por donde el hidrocarburos migra a la superficie. Los resultados de los análisis de la composición físico química de las muestras de suelo obtenidas en el Fundo Los Clavelitos y su posterior comparación con la normativa ambiental Venezolana decreto 2635 artículo 50 se muestran en la tabla 3.1 48 �Tabla. 3.1 Comparación de las muestras de suelo con los parámetros permisibles. Muestras Suelo 1 Suelo 2 Código muestra 1803-36-13-13328 1818-36-13-13357 Orden 1803 1818 Descripción Límites Articulo 50 Decreto No. 2635 Suelo 1 Comparación Suelo 2 Comparación Mezcla sueloHidrocarburos Determinación de aceites minerales e hidrocarburos .... 1.02% en peso ... 1.02% en peso ... Determinación de aceites y grasas <= 1 % en peso 1.87 % en peso No Cumple 0.69 % en peso Cumple Determinación de aluminio intercambiable < 1.5 meq/100 < 0.01 meq/100 Cumple < 0.01 meq/100 Cumple < 2500 ppm < 161 ppm Cumple < 161 ppm Cumple < 3.5 mS < 0.13 mS Cumple < 0.13 mS Cumple Determinación de relación Absorción de sodio <8 0.22 Cumple 0.20 Cumple Determinación de PH 5-8 6.66 Cumple 6.35 Cumple Preparación de muestra por digestado .... Realizada ... Realizada ... Determinación de porcentaje de saturación de bases >= 80 100 Cumple 100 Cumple Determinación de plata <= 5 mg/Kg <= 1.0 mg/Kg Cumple <= 1.0 mg/Kg Cumple Determinación de arsénico <= 25 mg/Kg <= 1.0 mg/Kg Cumple Cumple Determinación de cadmio <= 8 mg/Kg <= 1.0 mg/Kg Cumple <= 1.0 mg/Kg <= 1.0 mg/Kg Determinación de cloruros totales Determinación agua/suelo de conductividad Determinación de cromo Determinación de mercurio Determinación de plomo Determinación de selenio Determinación de zinc Determinación de bario eléctrica 1:2 <= 300 mg/Kg <= 1 mg/Kg <= 150 mg/Kg <= 2 mg/Kg <= 300 mg/Kg <= 2000 mg/Kg <= 1.0 mg/Kg <= 0.1 mg/Kg <= 34.6 mg/Kg <= 1.0 mg/Kg <= 31.7 mg/Kg <= 99 mg/Kg Cumple Cumple Cumple Cumple Cumple Cumple <= 1.0 mg/Kg <= 0.1 mg/Kg <= 34.9mg/Kg <= 1.0 mg/Kg <= 56.8 mg/Kg <= 150 mg/Kg Cumple Cumple Cumple Cumple Cumple Cumple Cumple 49 �(Cont…) Muestra Suelo 1 Código Orden 1803-36-13-13327 1802 Descripción Suelo 2 1819-36-13-13358 1819 Articulo 50 Resultado Anexo D Decreto No. 2635 Suelo1 Comparación Preparación de la muestra solida por lixiviados ... Realizada ... Determinación de arsénico <= 5 mg/L <= 0.01mg/L Cumple Determinación de bario Determinación de cromo Determinación de cadmio Determinación de mercurio Determinación de plata Determinación de selenio Determinación de Níquel <= 100 mg/L <= 5 mg/L <= 1 mg/L <= 0.2 mg/L <= 5 mg/L <= 1 mg/L <= 5 mg/L <= 2.4 mg/L <= 0.02 mg/L <= 0.02 mg/L <= 0.001mg/L <= 0.01mg/L <= 0.01mg/L <=0.02 mg/L Cumple Cumple Cumple Cumple Cumple Cumple Cumple Resultado Suelo 2 Comparación Realizada <= 0.01mg/L <= 2.6 mg/L <= 0.02 mg/L <= 0.02 mg/L <= 0.001mg/L <= 0.01mg/L <= 0.01mg/L <= 0.02 mg/L Cumple Cumple Cumple Cumple Cumple Cumple Cumple Cumple Del cuadro anterior podemos señalar que los resultados obtenidos para muestra de suelo 1 código 1803-36-13-13328, indican que el parámetro aceites y grasas, no cumplen con la normativa legal vigente, cabe destacar que esta muestra fue tomada cercana a los menes. Los obtenidos para la misma muestra anexo D código 1802-36-13-13327, indican que todos los parámetros cumplen con la normativa legal vigente. Los resultados obtenidos para muestra de suelo 2 código 1818-36-13-13357 y código 1819-36-13-13358 anexo D, indican que todos los parámetros cumplen con la normativa legal vigente. Los resultados de los análisis de la composición físico química de las muestras de agua obtenidas en el Fundo Los Clavelitos y su posterior comparación con la normativa ambiental Venezolana decreto 883 artículo 10, se muestran en la tabla 3.2. 50 �Tabla. 3.2 Comparación de las muestras de agua con los parámetros permisibles. Descripción Límites Articulo 10 Decreto No. 883 Resultado Agua de Mene Comparación Resultado Agua de Caño 1 Comparación Resultado Agua de Caño 2 Comparación Determinación de aceites minerales e hidrocarburos <= 20 mg/l I57 mg/l No Cumple 0.31 mg/l Cumple 0.51 mg/l Cumple Determinación de aceites y grasas <= 20 mg/l 191 mg/l No Cumple I.13 mg/l Cumple 1.72 mg/l Cumple Determinación de cloruros <= 1000 mg/l 4 mg/l Cumple 7 mg/l Cumple 5 mg/l Cumple Determinación real <= 500 Pt-Co 11 Pt-Co Cumple 5 Pt-Co Cumple 9 Pt-Co Cumple Determinación de demanda bioquímica de oxigeno <= 60 mg/l 19 mg/l Cumple 6 mg/l Cumple 8 mg/l Cumple Determinación demanda química oxigeno de de <= 350 mg/l 98 mg/l Cumple 28 mg/l Cumple 42 mg/l Cumple Determinación detergentes de <= 2 mg/l < 0,05 mg/l Cumple < 0,05 mg/l Cumple < 0,05 mg/l Cumple Determinación de cianuros <= 0,2 mg/l < 0,05 mg/l Cumple < 0,05 mg/l Cumple < 0,05 mg/l Cumple Determinación de sólidos suspendidos <= 80 mg/l 156 mg/l No Cumple 26 mg/l Cumple 38 mg/l Cumple Determinación de aluminio <= 5 mg/l < 0,1 mg/l Cumple < 0,1 mg/l Cumple < 0,1 mg/l Cumple Determinación de arsénico <= 0,5 mg/l < 0,01 mg/l Cumple < 0,01 mg/l Cumple < 0,01 mg/l Cumple Determinación de bario <= 5 mg/l < 0,1 mg/l Cumple < 0,1 mg/l Cumple < 0,1 mg/l Cumple Determinación de boro <= 5 mg/l < 0,30 mg/l Cumple < 0,3 mg/l Cumple < 0,30 mg/l Cumple Determinación de cobalto <= 0,5 mg/l < 0,03 mg/l Cumple < 0,03 mg/l Cumple < 0,03 mg/l Cumple de color 51 �(Cont…) Descripción Límites Articulo 10 Decreto No. 883 Resultado Agua de Mene Comparación Resultado Agua de Caño 1 Comparación Resultado Agua de Caño 2 Comparación Determinación de cobre <= 1 mg/l < 0,01 mg/l Cumple < 0,01 mg/l Cumple Determinación de cromo <= 2 mg/l < 0,02 mg/l Cumple < 0,02 mg/l Cumple Determinación de cadmio <= 0,2 mg/l < 0,002 mg/l Cumple < 0,002 mg/l Cumple < 0,002 mg/l Cumple Determinación de estaño <= 5 mg/l < 0,8 mg/l Cumple < 0,8 mg/l Cumple < 0,8 mg/l Cumple Determinación de plata <= 0,1 mg/l < 0,01 mg/l Cumple < 0,01 mg/l Cumple < 0,01 mg/l Cumple Determinación de plomo <= 0,5 mg/l < 0,01 mg/l Cumple < 0,01 mg/l Cumple < 0,01 mg/l Cumple Determinación de fosforo total <= 10 mg/l < 0,05 mg/l Cumple < 0,05 mg/l Cumple < 0,05 mg/l Cumple Determinación de nitritos + nitratos <= 10 mg/l 9.43 mg/l Cumple 7.15 mg/l Cumple 10.5 mg/l No Cumple Determinación nitrógeno total <= 40 mg/l 9.43 mg/l Cumple 7.15 mg/l Cumple 10.5 mg/l No Cumple Determinación de sólidos flotantes Ausentes 0.4 mg/l No Cumple < 0.1 mg/l Cumple 0.1 mg/l Cumple Determinación de sólidos sedimentables <= 1 mg/l < 0.5 mg/l Cumple < 0.5 mg/l Cumple < 0.5 mg/l Cumple Determinación de sulfatos <= 1000 mg/l < 5 mg/l Cumple < 5 mg/l Cumple < 5 mg/l Cumple Determinación de sulfitos <= 2 mg/l < 0.5 mg/l Cumple < 0.1 mg/l Cumple < 0.1 mg/l Cumple Determinación de sulfuros <= 0,5 mg/l < 0.2 mg/l Cumple < 0.2 mg/l Cumple < 0.2 mg/l Cumple Presencia de espuma Ausente Ausente Cumple Ausente Cumple Ausente Cumple Medición de pH 6-9 6 Cumple 5.98 No Cumple 6 Cumple Determinación de fenoles <= 0,5 mg/l 0.13 mg/l Cumple < 0.05 mg/l Cumple < 0.05 mg/l Cumple Determinación de fluoruros <= 5 mg/l 0.16 mg/l Cumple 0.44 mg/l Cumple 0.07 mg/l Cumple de < 0,01 mg/l < 0,02 mg/l Cumple Cumple 52 �(Cont…) Descripción Límites Articulo 10 Decreto No. 883 Resultado Agua de Mene Comparación Resultado Agua de Caño 1 Comparación Resultado Agua de Caño 2 Comparación <=10 mg/l 0.23 mg/l Cumple 1.23 mg/l Cumple 1.62 mg/l Cumple <= 2 mg/l < 0,01 mg/l Cumple < 0,01 mg/l Cumple < 0,01 mg/l Cumple Determinación de selenio <=0,05 mg/l < 0,01 mg/l Cumple < 0,01 mg/l Cumple < 0,01 mg/l Cumple Determinación de zinc <= 5 mg/l < 0,01 mg/l Cumple < 0,01 mg/l Cumple < 0,01 mg/l Cumple Determinación de mercurio <=0,01 mg/l < 0,001 mg/l Cumple < 0,001 mg/l Cumple < 0,001 mg/l Cumple Determinación bacterias totales <=1000NMP/100m 4 NMP/100m Cumple 2400 NMP/100m No Cumple Determinación de hierro Determinación manganeso de de coliformes 2400 NMP/100 No Cumple Al realizar la comparacion de los limites permisibles de las muestras de agua con la normativa ambiental Venezolana decreto 883 articulo 10 en la tabla 3.2 nos dio como resultado para muestra de agua de Mene, código 1806-02-13-13335, que los parámetros: aceites minerales e hidrocarburos, aceites y grasas, sólidos suspendidos y sólidos flotantes no cumplen. Los resultados obtenidos para muestra de agua de caño 1, código 1806-02-13-13336, indican que los parámetros : sólidos flotantes pH, bacterias coliformes totales no cumplen con la normativa legal vigente Los resultados obtenidos para muestra de agua de caño 2, código 1806-02-13-13337, indican que los parámetros: nitritos + nitratos, sólidos flotantes, coliformes totales no cumplen con la normativa legal vigente. 53 �El análisis SARA realizado a las muestras de menes M1 y M2 arrojaron a través del diagrama ternario de Tissot y Welte, 1984 que los hidrocarburos s presentes en los menes se clasifican como pesados alterados o biodegradados, con valores de resinas más alfártenos entre 43.33 y 50 % en peso, tal como se muestra mues en la figura. 3.1 Figura. 3.1 Diagrama ternario SARA de las muestras M1 y M2 Dando cumplimiento al cuarto objetivo sobre lla aplicación del el método de los CRI para la determinación del impacto ambiental podemos decir que se realizó una evaluación final sobre cada uno de los medios afectados la cual se muestra a continuación. Evaluación final del impacto mpacto sobre el medio afectado s suelo. Este impacto de clasifica a como de categoría III, posee una probabilidad de ocurrencia moderada, Se recomienda como medida mitigante realizar una barrera (muro de 54 �contención de tierra), alrededor de los menes M1 y M2 con la finalidad de retener el hidrocarburo y minimizar su avance, así como también realizar perforaciones de pozos petroleros para aliviar las presiones del yacimiento y de esta manera disminuir el caudal de salida del mene y minimizar su afectación al suelo. Evaluación final del impacto sobre el medio afectado agua. Este impacto se clasifica como de categoría III, la probabilidad de ocurrencia es moderada, como medida mitigante se recomienda colocar una barrera tipo cortina, las mismas se utilizan para bajas profundidades en los cauces de agua afectados, con la finalidad de retener el hidrocarburo y de esta manera minimizar la contaminación aguas abajo. Evaluación final del impacto sobre el medio afectado aire. Este impacto se clasifica como de categoría III, la probabilidad de ocurrencia es moderada, como medida correctivas se recomienda la perforación de pozos petroleros cerca de los menes M1 y M2, con la finalidad de disminuir el caudal de descarga de estos a la superficie y por consiguiente la liberación a la atmósfera de los hidrocarburos volátiles. Evaluación final del impacto sobre el medio afectado flora. Este impacto se clasifica como de categoría III, la probabilidad de ocurrencia es moderada, como medida mitigante o correctiva se recomienda la perforación de pozos petroleros cercanos a los menes M1 y M2 para de esta manera disminuir su presencia, así como también colocar muros de contención de tierra alrededor de los mismos con la finalidad de contener su avance y confinarlo a la hora de un incendio. En los cauces de agua se recomienda colocar las barreras tipo cortina esto con la finalidad de evitar la impregnación y posterior sequia de la vegetación tanto de la zona de los suelos como la acuática del Fundo Los Clavelitos. 55 �Evaluación final del impacto sobre el medio afectado fauna. Este impacto se clasifica como de categoría II, la probabilidad de ocurrencia es alta, se recomienda la máxima atención para este medio afectado. En la visita al zona de estudio se evidencio poca presencia de animales en los suelos, árboles y en los cauces de agua, se consiguieron restos de animales en los menes M1 y M2. Se recomienda como medida correctiva la perforación de pozos petroleros cercanos a los menes M1 y M2 para de esta manera disminuir el brote de estos, barreras de tierra cercadas alrededor de los menes M1 y M2 para evitar que los animales queden atrapados en ellos, así como también barreras tipo cortina cercadas. Cabe destacar que la fauna es el medio más afectado. Para finalizar con los análisis de resultados se elaboró una tabla resumen del método CRI en la cual se ordenaron los impactos del medio físico y biológico de mayor a menor VIA, con la finalidad de proponer que se ejecuten las medidas mitigantes y correctivas priorizando el orden que ellas presentan. (Tabla 3.3) 56 �Tabla. 3.3 Resumen del método Código Nombre del Impacto Descripción Medio Afectado VIA Probabilidad de Ocurrencia Aire 5,7 Moderada Suelo 5,6 Moderada Medidas a Aplicar Componente Medio Físico-Natural MF-03 MF-01 MF-02 Afectación del aire por presencia de hidrocarburos provenientes de menes La liberación de los hidrocarburos volátiles provenientes principalmente de los menes M1 y M2 afecta la calidad del aire y por ende la flora y fauna del Fundo Los Clavelitos. Afectación de suelos por presencia de hidrocarburos provenientes de menes Los menes afectan la capa superficial de los suelos del Fundo Los Clavelitos compactándolos, reducen el espacio poroso, la composición, producen cambios de la geomorfología y también alteran el paisaje. Cabe destacar que los suelos son de gran importancia tanto para el desarrollo de la flora como para la diversidad de fauna de la zona. Afectación del agua de los cauces (afluentes ) por presencia de hidrocarburos provenientes de menes Las emanaciones de hidrocarburos provenientes de los menes M1 y M2 afectan los cauces de agua del Fundo Los Clavelitos, alteran la composición físico química de los mismos. Estos cauces son de gran importancia tanto para las plantas acuáticas y peces, como para la diversidad de fauna de la zona. Correctivas: Perforación de pozos petroleros cerca de los menes M1 y M2 Mitigante: Muro de contención de Tierra Correctiva: Perforación de pozos de petróleo. Agua 4,2 Moderada Mitigante: Se recomienda colocar una barrera tipo cortina. Componente Medio Biológico MB-02 Alteración del habitad para la fauna ( Migración y muerte) por presencia de hidrocarburos provenientes de menes La fauna que habita en el Fundo Los Clavelitos se afecta por impregnación de hidrocarburos y también por la evaporación de los componentes volátiles de los mismos, lo que trae como consecuencia la migración y muerte de las especies que habitan en la zona, en la misma existen una gran diversidad tal como se muestra en la tabla 2.13. Tabla 2.13 Principales representantes de la fauna Clavelitos. Nombre común Chiguire o piropiro Rabipelados Lapa Cunaguaro en el Fundo Los Nombre científico Hydrochanis esthmius Didelfus Agotipaca Felis perdatis Correctiva: Perforación de pozos petroleros cerca de los menes M1 y M2 Fauna 6,2 Alta Mitigante : Barreras de tierra 57 �Picure Código Nombre del Impacto Vaca Morrocoy Baba Iguana Dormilona Mono de noche Oso melero Oso frontino Desaprocta aguti (Cont…) Descripción MB-01 Afectación de la flora (cobertura vegetal) por presencia de hidrocarburos provenientes de menes VIA Probabilidad de Ocurrencia Bos primegenius taurus Geochelone carbonara Caimán cocodrilus Iguana Epicrates concharia Actus trivigatus Tamandúa mexicana Tremaretos ornatus La vegetación del Fundo Los Clavelitos son muestran.( Tabla. 2.11) Nombre común Pasto guinea Palo maría Escobilla Yagrumo Pega pega helechos Palma curuba Lengua de suegra Pira Mocote Junco de agua Rabo de zorro Estoraque Medio Afectado Medidas a Aplicar cercadas alrededor de los menes M1 y M2 Mitigante: Barreras tipo cortina cercadas. principalmente las que se Nombre científico Panicum máximum Triplaris caracasana Scoparia dulcis Cecropia peltata Desmodium spp Pteridium spp Attalea butyracea Dieffenbachia spp Amaranthus Cassia alata Cyperus ligularis Setaria geliculata Vernonia brasiliana Estas son afectadas por infiltración de los suelos y por impregnación de hidrocarburos provenientes principalmente de los menes M1 y M2, lo cual trae como consecuencia su deterioro y sequía. Flora 4,5 Moderada Mitigante: Muros de contención de tierra. Mitigante: Barreras tipo cortina. 58 �CONCLUSIONES 1.- Los principales elementos causales que generan la presencia de hidrocarburos en el Fundo Los Clavelitos son los menes. 2.- Los resultados del análisis SARA y el diagrama de Tissot y Welte permitieron determinar que el hidrocarburo de los menes del Fundo Los Clavelitos son crudos pesados alterados. 3.- Los resultados de los análisis de las muestras de agua y suelo y su comparación con la normativa venezolana permitieron fundamentar la evaluación del impacto ambiental sobre los factores agua, suelo y flora. 4.- La aplicación del método CRI arrojo que los impactos MF-03 (Aire) y MB- 02(Fauna), poseen un VIA de 5.7 y 6.2 respectivamente, por lo que presentan una mayor probabilidad de ocurrencia. 5.-El sistema de medidas propuestas permitirá mitigar y corregir los impactos ambientales presentes en el Fundo Los Clavelitos 59 �RECOMENDACIONES 1.- Realizar un estudio de mayor profundidad sobre el efecto de la presencia de los menes en la fauna del Fundo Los Clavelitos, en virtud de ser la más afectada. 2.- Utilizar un equipo para determinar el nivel de contaminación sobre el factor aire. 3.- Realizar un estudio geoquímico detallado para determinar el ambiente deposicional de la roca madre que genero los fluidos orgánicos de los menes presentes. 60 �BIBLIOGRAFIA Acosta, C y Ojeda, C. 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La Habra California. 62 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Tesis Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Evaluación del impacto ambiental por presencia de hidrocarburos en el Fundo Los Clavelitos Creator An entity primarily responsible for making the resource Omer Enrique Vílchez Fernández Publisher An entity responsible for making the resource available Editorial Digital Universitaria de Moa Type The nature or genre of the resource Tesis maestría