Iluminación en minas subterráneas

SERVICIOS AUXILIARES MINEROS Ing. Benjamín Manual Ramos Aranda

Setiembre del 2015

UNIDAD II – INSTALACIONES AUXILIARES DE MINA

TEMA Nº 9 – INSTALACIONES AUXILIARES EN MINA: ILUMINACION EN MINA.

ILUMINACION EN MINA. PROPOSITO DE CLASE:  Analizar y calcular la iluminación necesaria en mina subterránea y a tajo abierto.

Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

ILUMINACION EN MINA. INTRODUCCION La luz y el color forman parte permanente de nuestra vida y tienen una decidida acción sobre nuestras pautas de comportamiento. La luz artificial acompañó al hombre desde que aprendió a controlar el fuego, y fue su único recurso desde los principios de la historia hasta fines del siglo XIX.


Propósito de la iluminación en la Industria • Proporcionar una visibilidad eficiente y cómoda en el trabajo. • Ayudar a mantener un ambiente seguro. • Disponer de iluminación adecuada en cantidad y calidad, de acuerdo con las operaciones que se realicen.


Para seleccionar la iluminación adecuada es necesario determinar: • La tarea visual o tipo de trabajo que se va a desarrollar. • La cantidad, la calidad y el tipo de iluminación de acuerdo con la tarea visual y los requerimientos de seguridad y comodidad. • El equipo de alumbrado o luminarias que proporcionen la luz requerida.


Ventajas de una buena iluminación. Para el trabajador:

• • • •

Conserva su capacidad visual. Evita la fatiga ocular. Disminuye los accidentes. Contribuye a su bienestar psíquico. Para la empresa:

 Aumenta la producción.  Mejora la calidad de los productos.  Disminuye el número de errores y el deterioro de los productos.  Facilita la limpieza y el mantenimiento.  Disminuye el ausentismo y reduce los accidentes.  Mejora la utilización del espacio.  Reduce los trastornos oculares. Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

ILUMINACION EN MINA. ILUMINACION El nivel de iluminación que se requiere depende primordialmente de la clase de trabajo que se realice en una tarea determinada.

La cantidad de luz necesaria es aquella con la que el operario puede realizar el trabajo sin esfuerzo ni agotamiento visual y con seguridad. La cantidad de luz adecuada depende básicamente del tipo de trabajo que se realiza, de la fineza de los detalles que se van a observar, del color y reflectancia del objeto y del medio circundante.


ILUMINACION EN MINA. En las minas, las particularidades siguientes complican el problema del alumbrado: 1) Desplazamiento del tajo. 2) Rudeza de las condiciones de trabajo, principalmente cuando de usa explosivos. 3) Poder reflector mínimo del mineral y de las paredes de las galerías recubiertas de polvo. 4) Carencia de contrastes, principalmente en las explotaciones de carbón, en las que todo es negro o gris oscuro. Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

ILUMINACION EN MINA. Estas dificultades hacen que, a pesar de los últimos y considerables progresos, sobre todo en lo que respecta a la lámpara individual, el alumbrado en la mina sea , en conjunto, muy débil, en comparación con el de las fábricas o talleres del exterior.


ILUMINACION EN MINA. Para ver en la mina, no basta una luz, incluso potente. Es preciso obtener contrastes y evitar el deslumbramiento. Iluminar un lugar en el que las paredes absorben del 90 al 95 % del flujo luminoso y donde los focos de luz, dispuestos en el campo visual normal, sean peligrosamente deslumbradores destacándose sobre un fondo oscuro, es un grave error; los resultados obtenidos conducen a la negación de la utilidad del alumbrado.


ILUMINACION EN MINA. Por el contrario, si las paredes están blanqueadas, el flujo luminoso se conserva; los focos son menos deslumbradores; los obstáculos, las máquinas, los hombres, todos de color oscuro, se distinguen netamente por contraste sobre fondo claro; el ejercicio de la visión se efectúa sin fatiga. Para un minero, es evidente que estas sugestiones no son todas de fácil realización. Vale, sin embargo, la pena reflexionar sobre ellas.


ILUMINACION EN MINA.

En este capítulo recordaremos las principales consideraciones teóricas relativas al alumbrado, específicamente analizaremos la luminotecnia.


Luminotecnia La Luminotecnia es la ciencia que estudia las distintas formas de producción de luz, así como su control y aplicación. Sus magnitudes principales son: a ) FLUJO LUMINOSO

Es la magnitud que mide la potencia o caudal de energía de la radiación luminosa y se define como: Potencia emitida en forma de radiación luminosa a la que el ojo humano es sensible, se mide en Lumen (Lm)  = Flujo luminoso ( lumen)

 Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

Luminotecnia Ejemplo de flujos luminosos Lámpara incandescente de 60 W

730 Lm

Lámpara fluorescente de 40 W “blanca” Lámpara halógena de 1000 W

3.000 Lm

Lámpara de vapor de mercurio 125 W

5.600 Lm

Lámpara de sodio de 1000 W

120.000 Lm


22.000 Lm

b) EFICIENCIA LUMINOSA ()

Expresa el rendimiento energético de una lámpara y mide la calidad de la fuente como instrumento destinado a producir luz por la transformación de energía eléctrica en energía radiante visible. Es el cociente entre el flujo luminoso total emitido y la potencia total consumida por la fuente.

 η P

lumen/ Watio

 = Flujo luminoso [Lm] P = Potencia Eléctrica [W] ή = eficiencia Luminosa Lm/W]


EFICIENCIA LUMINOSA ()

Tipo de Lámpara

Potencia

Rendimiento luminoso

Nominal [W]

Lm/W

Incandescente de 40 W

40

11

Fluorescente de 40/20 W

40

80

Mercurio de alta presión 400 W

400

58

Halogenuros ´metálicos 400 W Sodio de alta presión 400 W

360

70

400

120

Sodio de baja presión 180 W

180

183


ILUMINANCIA (E) Iluminancia o iluminación se define como el flujo luminoso incidente por unidad de superficie. Su unidad es el Lux. El Lux se puede definir como la iluminación de una superficie de 1 m² cuando sobre ella incide, uniformemente repartido un flujo luminoso de 1 Lumen.  = Flujo luminoso que llega a superficie [Lm] S = superficie o área a iluminar [m²] E = Iluminación en la superficie S [lux]

Ejemplo de Iluminación  (FLUJO QUE LLEGA)

Mediodía en verano Mediodía en invierno Oficina bien iluminada Calle bien iluminada Luna llena con cielo claro

s Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

100.000 Lux 20.000 Lux 400 a 800 Lux 20 Lux 0,25 a 0,50 Lux

Ejemplo: Calcular La iluminación sobre la siguiente superficie de S=2 m²

LUM = 730 lum

Solución: La Iluminación sobre la superficie es:

E

 100lum   50 Lux S 2m ²

LLEGA = 100 lum

s = 2 m²


INTENSIDAD LUMINOSA (I) El flujo luminoso nos da la cantidad de luz que emite una fuente de luz en todas las direcciones del especio. Para saber si el flujo que se distribuye en cada dirección del espacio definimos la intensidad luminosa. La intensidad luminosa de una fuente de luz en una dirección dada, es la relación que existe entre el flujo luminoso contenido en un Angulo solido cualquiera, cuyo eje coincida con la dirección considerada, y el valor de dicho ángulo solido expresado en estereodarianes. Su unidad en la Candela  = Flujo luminoso [Lm] ω = Angulo solido [sr] I = Intensidad Luminosa [cd]


ANGULO SOLIDO Y PLANO

Geometría plana: (estereometría): Ángulos y radiales (rad)

Geometría

de

sólidos

Superficie y estereorradianes (sr) AóS

La circunferencia completa son: 2 [rad] Ejemplo: Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

La esfera completa son: 4 [sr]

Ejemplo: ¿Qué ángulo sólido se subtiende en el centro de una esfera de 8 m de diámetro por medio de un área de 1.5 m² sobre su superficie? Solución

Solución: El Angulo solido es:

s = 1,5 m²

S 1,5m²    0,09375str r ² (4m)² Ejemplo: ¿Calcular la intensidad luminosa emitida por la siguiente lámpara Solución: El Angulo de una esfera es 4 [str]: La intensidad luminosa será:

LUM = 730 lum

I








730lum  58cd 4str

LUMINANCIA (L) Intensidad luminosa reflejada por una superficie. Su valor se obtiene dividiendo la intensidad luminosa por la superficie aparente vista por el ojo en una dirección determinada. Su unidad es la candela/m². (efecto de “brillo” que una superficie produce en el ojo ) I = Intensidad luminosa reflejada S = Superficie o área que refleja L = Luminancia o brillo [cd/m²]

Ejemplo:

I

s


LUMINANCIA (L) Algunos valores de Luminancia Calle bien iluminada

2 cd/m²

Papel blanco iluminado con 400 lux

100 cd/m²

Papel blanco iluminado con 1000 lux

250 cd/m²

Papel negro iluminado con 400 lux

Luminancia ideal para las paredes de oficina Luminancia ideal para el cielorraso de oficinas Máxima luminancia admitida para pantallas de video


15 cd/m²

50 a 100 cd/m² 100 a 300 cd/m² 200 cd/m²

OTRA FORMA DE CALCULAR LUMINANCIA

Donde: L = Luminancia en [cd/m² ρ = Grado de reflexión de una superficie, según los valores de la siguiente tabla E= Iluminación en Lux Grado de reflexión de algunos colores y materiales Color

(ρ ) Refl. %

Material

(ρ ) Refl. %

Blanco

70-75

Revoque claro

35-55

Crema claro

70-80

Amarillo claro

50-70

Verde claro

45-70

Gris claro

45-70

Celeste claro

50-70

Rosa claro

45-70

Marrón claro

30-50

Revoque oscuro Hormigón claro Hormigón oscuro Ladrillo claro Ladrillo oscuro Marmol blanco Granito Madera clara

20-30 30-50 15-25 30-40 15-25 60-70 15-25 30-50

Negro

Ejemplo:

4-6


Ejemplo: ¿calcular la luminancia o brillo de una pared color blanca que esta iluminada con una iluminación de E = 400 LUX Solución: La luminancia es:

Donde: = 70% = 0,7 E = 400 lux Remplazando

L

  E 0,7  400 LUX   89cd / m 2  


RESUMEN DE FORMULAS

 = /P


Luminarias y lámparas


LAMPARA

Definición de Lámpara: Equipo que da luz


TIPOS DE LÁMPARAS •

INCANDESCENTES

Emiten luz cuando un filamento se calienta a elevadas temperaturas. Ejemplos: “lamparitas”, halógenas •

DE DESCARGA GASEOSA Emiten luz cuando un gas es recorrido por una corriente eléctrica. Ej: Fluorescentes, bajo consumo, vapor de mercurio, mezcladoras.

•

LED Emiten luz cuando la corriente circula a través del semiconductor


LÁMPARAS INCANDESCENTES Al atravesar la corriente el filamento resistivo, éste alcanza una temperatura de unos 2000 ºC poniéndose incandescente, emitiendo luz Son muy baratas y de fácil montaje. El filamento se evapora y se termina cortando. La duración es de unas 1000 horas •El rendimiento es menor al 20% •

El filamento es de tungsteno o wolframio, para soportar la temperatura. •Dentro de la ampolla se quita el aire y se llena con argón y nitrógeno. •


Lámparas halógenas (incandescentes) Ampolla de cuarzo B.Filamento de tungsteno C.Electrodos de conexión A.

Son muy parecidas a las incandescentes, pero se construyen para que duren mas y tengan un mayor rendimiento Tiene una vida útil de 2000 a 3000 horas. Tiene mas rendimiento que las “lamparitas”

Dentro de la ampolla hay un elemento halógeno (yodo) que reacciona con el tungsteno del filamento. La temperatura es muy alta, por lo que la ampolla es de cuarzo.

Generan mucho calor •Su costo re relativamente elevado •

Es aconsejable NO TOCAR la ampolla con los dedos, porque la grasa, en combinación con las altas temperaturas puede romper el cuarzo Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

LÁMPARAS FLUORESCENTES Tienen una vida útil de unas 8000 horas Tienen un rendimiento 4 veces superior a las incandescentes.

La corriente atraviesa un gas o vapor metálico encerrado en un tubo. La luz se desprende a baja temperatura (luz fría)

Requieren un circuito auxiliar para su funcionamiento.


Lámparas fluorescentes compactas (CFL) Son lámparas fluorescentes con potencia entre 5 y 60W con el circuito de arranque incorporado y un casquillo E27

Tienen una vida útil de unas 8000 horas Tienen un rendimiento 5 veces superior a las incandescentes.


Comparación con lámparas incandescentes


Comparación de eficiencia (CFL)

Superadas las 2.000 hs de uso, las lámparas de bajo consumo comienzan a dar ganancia en comparación al menor costo inicial de las lámparas incandescentes. Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

Comparación costos (CFL)


ALUMBRADO INDIVIDUAL RESUMEN HISTÓRICO DE LAMPARA MINERA La minería del carbón se desarrolló de forma industrial en casi todo el mundo a partir de los primeros años del siglo XIX, y los métodos de iluminación variaban según las circunstancias, siendo todos ellos en aquellos tiempos muy primitivos; y en la presencia del gas grisú, muy peligrosos. Hasta la aparición de las lámparas de seguridad de llama protegida se emplearon todo tipo de lámparas de llama libre: velas y lámparas de aceite, con las que los mineros trabajaban bajo la constante amenaza de las explosiones del grisú, que eran muy frecuentes causando muchas víctimas mortales.


ALUMBRADO INDIVIDUAL RESUMEN HISTÓRICO DE LAMPARA MINERA

En 1900 en varias de minas de Alemania y EE. UU., se hicieron pruebas con lámparas de acetileno de llama protegida; aunque su desarrollo práctico no comenzaría hasta que Carl Wolf comenzó a diseñar y a fabricar lámparas de acetileno de llama protegida en Alemania en 1903; Wilhem Seippel, de Bochum, en 1905, un poco más tarde Carl Koch, de Linden, Alemania; y otros como Arras, en Francia y Hubert Joris, en Bélgica.



El camino hacia el uso de la lámpara eléctrica portátil en el interior de las minas, que hoy es una realidad con muchas variantes, fue relativamente lento y lleno de tentativas y pruebas que fueron dando resultados parciales hasta llegar a los modelos que hoy conocemos. Su desarrollo estuvo ligado al de las baterías recargables, como fuente de la energía eléctrica; y al de los bulbos o pequeñas lámparas que eran la fuente de iluminación. Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

ALUMBRADO INDIVIDUAL RESUMEN HISTÓRICO DE LAMPARA MINERA Hacia marzo de 1911 Thomas Alva Edison comenzó a trabajar sobre una nueva batería más ligera que le habían solicitado John Thomas Ryan y George Herman Deike, fundadores de la empresa Mine Safety Appliances; y una lámpara de mina más práctica. Edison patentó la batería alcalina de níquel-hierro portátil el 16 de septiembre de 1913 con el n.º US 1.073.113. Este modelo de batería supuso una gran innovación debido a sus ventajas de peso, costo y a sus mejores reacciones químicas, resistencia mecánica y mejor generación de corriente eléctrica.



En mayo de 1912 las primeras lámparas eléctricas de casco fabricadas por la Edison Storage Battery Company estaban listas para las primeras pruebas. La fuente de energía eléctrica era una batería alcalina de poco peso que los mineros podrían llevar sujeta a un costado con una correa. La iluminación la proporcionaba una bombilla de filamento de wolframio, encerrada en una carcasa metálica con un reflector parabólico y protegida por una gran lente que proporcionaba muy buena luz. Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda



ALUMBRADO INDIVIDUAL



Desde 1970, y hasta la actualidad, se empezaron a diseñar y desarrollar las baterías de litio y las de iónlitio, que supondrían una revolución en el sector. El litio es el metal con más baja densidad y el de mayor potencial electroquímico, así como con la mejor relación energía/peso.



La iluminación minera no son ya las bombillas o bulbos de las lámparas de casco, sino los modernos LED (sigla proveniente de su denominación inglesa Light Emitting Diode) que conjugan todas las aspiraciones, sobre todo las de luz para el trabajo y seguridad frente a los gases de la mina.



Las lámparas de casco sin cable integran una batería compacta de ión-litio y un eficiente LED blanco en una pequeña lámpara de casco de tal manera que la tradicional petaca con la batería y el cable de conexión, se han suprimido, suponiendo una innovación radical del producto. Con este diseño se aumenta de forma significativa la seguridad ya que no hay derrames de ácido u otros líquidos tóxicos, ni calor en la superficie de la lente, ni partes que puedan causar la ignición del gas. Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda


Lámpara de casco sin cable Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda


En 2009 Adaro Tecnología, S. A., presentó la lámpara de casco Alfa WL. Es de un tamaño mínimo, que integra en un solo pequeño cuerpo la fuente de energía y la fuente de iluminación LED, sin el cable flexible de conexión. Tiene una característica singular, que es el cambio automático de la posición e intensidad del haz luminoso, para evitar los deslumbramientos entre los usuarios.


ALUMBRADO INDIVIDUAL LAMPARA MINERA


ALUMBRADO INDIVIDUAL LAMPARA MINERA La iluminación en interior de mina es fundamental, no sólo para que el operario realice un trabajo productivo, sino porque tiene influencia directa en la seguridad del mismo, ya que permite al trabajador observar a su alrededor y detectar posibles situaciones peligrosas, como desprendimiento de rocas fracturadas, zonas de desquinche, entre otros.


ALUMBRADO INDIVIDUAL LAMPARA MINERA El trabajador debe tener una lámpara con una intensidad de iluminación que le permita identificar situaciones de riesgo, para ello la lámpara minera debe contar con una iluminación mayor a 2,500 lux a una distancia de 1.20 metros, intensidad recomendada por las prestigiosas entidades de seguridad entre las que podemos mencionar IECEX, IECE, MSHA, FTZUEX, etc. así como un adecuado punto de luz.


ALUMBRADO INDIVIDUAL LAMPARA MINERA No contar con adecuada iluminación implica exponerse a situaciones de peligro, así como a un desgaste visual. La lámpara minera debe brindar una luz constante a lo largo de toda la guardia, considerando que en la mayoría de las minas del país, la jornada es de 12 horas.


ALUMBRADO INDIVIDUAL LAMPARA MINERA Otro factor importante es la duración de las baterías, las cuales deben permitir que las lámparas, en toda su vida útil, deben durar en cada jornada de trabajo como mínimo 12 horas, de lo contrario afecta a la seguridad y también a la productividad de las operaciones, ya que el trabajador tiene que regresar a superficie para solicitar cambio de lámpara.


ALUMBRADO INDIVIDUAL LAMPARA MINERA El peso y forma que antes tenían las lámparas mineras, producían lumbalgia u otro tipo de malestares, motivo por el que algunos fabricantes y actuales líderes del mercado, introdujeron las lámparas ergonómicas, con tecnología de punta y las lámparas se han ido fabricando en tamaños más pequeños y de bajo peso, pero sin descuidar lo más importante que es la adecuada intensidad de la luz y la duración mínima de 12 horas. Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda


LAMPARA MINERA ELÉCTRICAS ANTIGUAS Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

ALUMBRADO INDIVIDUAL LAMPARA MINERA Las lámparas que incorporan la tecnología LED (luz blanca) se diferencian por la calidad de las baterías, que son más ligeras, inclusive, actualmente se están ofreciendo lámparas sin cables que tienen en algunos casos hasta 8,000 lux para trabajos especiales.


ALUMBRADO INDIVIDUAL LAMPARA MINERA Las lámparas mineras van obteniendo un mejor grado de protección ante la presencia de polvo y humedad (IP67) que permite un trabajo continuo y seguro al trabajador. Así mismo, obtienen un mejor espectro de iluminación al tener un halo de iluminación alrededor del punto de luz, permitiendo una mejor visión del escenario.


ALUMBRADO INDIVIDUAL LAMPARA MINERA Otra ventaja de las modernas lámparas mineras, es que posee un sistema que avisa al trabajador cuando la lámpara no se cargó adecuadamente, dándole 30 minutos para que se ponga a recaudo, incluso existe un dispositivo que permite que las lámparas disparen un flash para indicar que está en una situación de peligro.


ALUMBRADO INDIVIDUAL LAMPARA MINERA Al decidir usar una determinada marca de lámpara, se debe considerar siempre los costos en el tiempo y no sólo la inversión inicial ya que, en el tiempo, una lámpara de mala calidad pone en riesgo la seguridad del trabajador y la productividad de la empresa.


ALUMBRADO INDIVIDUAL LAMPARA MINERA Así, el factor más importante para decidir por una determinada lámpara, para el trabajo en minas subterráneas es y será siempre la seguridad y bienestar del trabajador quien viene a ser el capital más importante con que toda empresa minera cuenta.


ALUMBRADO INDIVIDUAL LAMPARA MINERA ALFA WL S-WLM2 LAMPARA MINERA INALAMBRICA        

BATERIA RECARGABLE DE ION LITIO CAPACIDAD DE LUZ HASTA 20 HORAS IP67 DOS FUENTES DE LUMINOSIDAD LED PRINCIPAL DE 3W LED SECUNDARIO DE 1 WATT LED SECUNDARIO CON DOS INTENSIDADES DE LUZ EXCLUSIVO SISTEMA AUTOMATICO DE LA ORIENTACION DEL HAZ DE LUZ MEDIANTE UN  SENSOR ELECTRONICO


LAMPARA MINERA ALFA WL S-WLM2


ALUMBRADO INDIVIDUAL LAMPARA MINERA ALFA WL S-WLM2 Continuación………….: LAMPARA MINERA INALAMBRICA  ESTE SENSOR EVITA EL DESLUMBRAMIENTO ENTRE USUARIOS Y PERMITE AHORRAR BATERIA  CERTIFICADO DE SEGURIDAD ATEX PARA MINERAS (GRUPO I) Y APLICACIONES EN LA  SUPERFICIE (GRUPO II, ZONA I)  POSEE UN CARGADOR DE 110-220VAC  OPCIONAL CARGADORES DE 5, 50 O 100 UNIDADES  DIMENSIONES 100 X 60 X 67 MM  PESO 185GR


LAMPARA MINERA ALFA WL S-WLM2


UNA ILUMINACIÓN INADECUADA PUEDE CONSTITUIR UNA CAUSA IMPORTANTE PARA LAS LESIONES • Según estadísticas, un 24% de todos los accidentes son debidos a mala iluminación, y la falta de control o corrección de este aspecto ocasiona un aumento de 25% más de lesiones y un aumento de caídas del 75%.



Iluminación en minas subterráneas

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