apuntes de ventilacion industriala

TEORIA

MODULO: VENTILACIÓN INDUSTRIAL

Jorge Velasco

Carrera de Postgrado Especialista en Diseño de Redes e Instalaciones de Gas Natural

2008

VENTILACION INDUSTRIAL

1 INTRODUCCION

Los distintos tipos de procesos industriales de producción (por ejemplo los pertenecientes a la industria química, minera, metalúrgica, mecánica, etc.) [1] originan frecuentemente la emisión de gases, vapores, polvos o calor, que modifican el estado y la composición del aire, lo que puede ser nocivo para la salud y el bienestar de los trabajadores y personas que se desempeñan en el ambiente contaminado por tales emisiones. Por otra parte, es indudable que las condiciones penosas de trabajo originadas por la contaminación del ambiente industrial, pueden afectar el rendimiento personal de los trabajadores.

El principal objetivo de la ventilación industrial es lograr mantener el aire del ambiente industrial en un estado y composición tales que resulten apropiados a las necesidades de la higiene. Además de ello, la ventilación industrial puede tener otras finalidades que surjan de las necesidades técnicas de los procesos de fabricación, almacenamiento y/o acondicionamiento de los productos y materias primas, así como de la conservación de los equipos utilizados y de los edificios de la planta fabril.

Todos estos objetivos de la ventilación industrial se logran purificando el aire del ambiente industrial, es decir del ambiente en el que se desarrollan los procesos de producción, en el cual, por lo tanto, operan las distintas máquinas y equipos y llevan a cabo sus actividades los trabajadores y el personal técnico de la empresa. Pero debe tenerse siempre presente que la ventilación industrial debe alcanzar sus objetivos sin perturbar apreciablemente las condiciones del aire que conforma el medio ambiente externo a la planta industrial. Esto significa que no es lícito mantener el ambiente industrial en condiciones apropiadas a los requerimientos de la higiene, simplemente captando y evacuando al medio ambiente exterior a los contaminantes producidos, es decir, resolver un problema interno del establecimiento fabril a costa de crear graves problemas ecológicos en la zona en que se encuentra ubicado [1].

En general, en ventilación industrial se denomina impureza a toda materia extraña que hace que el aire resulte insatisfactorio desde el punto de vista de la higiene. Dado que la ventilación industrial se ocupa de la purificación del aire del ambiente industrial, cuidando de no afectar el medio ambiente externo, es conveniente extenderse un poco con relación al aire atmosférico, su composición y las impurezas que pueden encontrarse en el mismo.

2 COMPOSICION DEL AIRE

Los constituyentes principales del aire seco puro son oxígeno y nitrógeno, con pequeñas cantidades de anhídrido carbónico y gases raros (fundamentalmente argón). En la Tabla 1 se da la composición volumétrica del aire atmosférico seco puro, la que es casi, pero no absolutamente, constante en el aire cercano al nivel del mar.

Tabla 1. Composición media del aire atmosférico seco

Componentes

Concentración (Vol. %)

Nitrógeno

78,03

Oxígeno 20,99

Argón 0,945

Anhídrido carbónico 0,032

Otros 0,003

1

2 Ventilación Industrial

El ítem “otros” corresponde a componentes gaseosos secundarios que usualmente están presentes en la atmósfera en concentraciones muy bajas, que pueden denominarse concentraciones normales, en las cuales son considerados no nocivos.

En la Tabla 2 se dan las concentraciones normales de algunos componentes secundarios del aire, expresadas en partes por millón (ml de componente / m3 de aire) debido a la reducida magnitud de las mismas, indicándose también el tiempo de residencia estimado. Este es el tiempo (estimado en forma aproximada) que el componente permanece en el aire antes de su eliminación, debido a reacciones químicas o fotoquímicas con otros componentes de la atmósfera, debido a su lavado por la acción de lluvias, etc. [2].

Los componentes incluidos en la Tabla 2 son sustancias gaseosas. A éstas hay que agregarles materia particulada (polvo, humos, nieblas, etc.). En general el término materia particulada se aplica a todas las sustancias atmosféricas que no son gases. Ellas pueden ser pequeñas gotitas líquidas o partículas sólidas, compuestas de material inerte o extremadamente reactivo, con tamaños que van desde 100 m hasta 0,1

m o menos. µ

µ

Tabla 2. Concentraciones volumétricas normales de algunos componentes secundarios del aire

Componentes

Concentración Vol. (ppm)

Tiempo de residencia estimado

Neón

18

Continuo

Helio 5,0 Continuo

Kriptón 1,0 Continuo

Xenón 8 x 10-2 Continuo

Monóxido de carbono 1 x 10-1 0,5 años

Oxido nítrico (NO+NO2) 6 x 10-4 5 días

Oxido nitroso (N2O) 25 x 10-2 4 años

Metano 1,2 4-7 años

Amoníaco 6 x 10-3 4 días

Anhídrido sulfuroso 2 x 10-4 4 días

Sulfuro de hidrógeno 2 x 10-4 2 días

Hidrógeno 5 x 10-1 No se conoce

Ozono 2 x 10-2 ≈ 60 días

Aire húmedo: El aire normalmente no es seco sino que contiene cantidades variables de vapor de agua, que dependen del clima de cada región y, para un lugar dado, de las condiciones atmosféricas reinantes en el mismo. Se denomina aire húmedo a la mezcla de aire seco y vapor de agua. La cantidad promedio de humedad, es decir de vapor de agua en el aire, es de alrededor de 1% en peso, pero puede llegar al 5% en climas cálidos y húmedos.

La humedad del aire se expresa como masa de vapor de agua contenida en la unidad de masa de aire seco:

Ventilación Industrial 3

seco aire de kgagua de vapor de kg

=H

La cantidad máxima de humedad que puede contener el aire, llamada humedad de saturación , es aquella con la cual el vapor de agua del aire se encuentra en equilibrio con el agua líquida.

sH

Otra forma común de expresar la humedad del aire es la humedad relativa, definida como la relación entre la presión parcial del vapor de agua en el aire, Pv, y la presión de saturación del líquido a la temperatura del aire, Ps, o sea:

.100PP

s

v=rH (%)

3 CONTAMINACION DEL AIRE

La contaminación del aire puede ser definida como cualquier condición atmosférica en la cual ciertas sustancias están presentes en concentraciones tales que producen efectos indeseables sobre el hombre y su medio ambiente.

Estas sustancias incluyen gases (óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre, monóxido de carbono, hidrocarburos, etc.), materia particulada sólida o líquida (polvos, humos, nieblas, etc.), materiales radioactivos y otros. Se señala nuevamente que muchas de estas sustancias están naturalmente presentes en concentraciones muy bajas, en las que no tienen efectos nocivos.

3-1 Contaminación atmosférica (ambiente exterior a la planta industrial)

La contaminación del aire puede ser debida a causas naturales o bien ser producida por el hombre (causas antrópicas) debido fundamentalmente a los múltiples avances tecnológicos alcanzados por la civilización, que si bien han logrado mejorar notablemente la calidad de vida del hombre, pueden originar, por otra parte, serios problemas ecológicos.

3-1-1 Contaminación por causas naturales

La contaminación natural puede provenir de la erosión del suelo debido a la acción del viento, de erupciones volcánicas, del spray marino, de descomposiciones biológicas producidas por bacterias, de incendios de bosques, etc.

3-1-2 Contaminación por causas antrópicas

La contaminación de origen antrópico, producida por la actividad humana, tiene su origen en causas muy diversas, tales como combustión, industria minera, industria química y petroquímica, procesos nucleares, etc. El principal contaminante antrópico, desde el punto de vista de la cantidad global de su producción es el SO2 (135 Mton/año) producido principalmente por la combustión de petróleo y carbón y por tostaciones metalúrgicas [1]. Pero en la mayoría de los casos la emisión global de contaminantes originados por causas naturales excede largamente a la correspondiente a la actividad humana [1, 2]. La excepción de esto se encuentra en la emisión de SO2, para la cual las cifras correspondientes a ambos tipos de contaminación son del mismo orden. Esto es debido a que la remoción de SO2 de los gases de combustión es uno de los problemas más difíciles que se presentan en la prevención de la contaminación del aire. Afortunadamente, la contaminación por causas naturales (salvo en casos excepcionales, como puede ser una erupción volcánica) se produce distribuida prácticamente por toda la tierra, de manera que si bien la masa


total de sustancias contaminantes producidas es grande, el gran volumen de la atmósfera terrestre hace que sus concentraciones sean bajas. Esto permite que gran parte de ella sea eliminada por grandes receptáculos, tales como océanos y suelos. De este modo, la atmósfera tiene un mecanismo de autolimpieza que le permite ir eliminando la contaminación producida por causas naturales.

En cambio, las fuentes de contaminación antrópica están concentradas en localizaciones específicas, tales como grandes ciudades y áreas industriales, alcanzándose en tales puntos altas concentraciones atmosféricas de los contaminantes emitidos. La emisión de estos contaminantes en cantidades masivas concentradas en áreas pequeñas supera la capacidad de la atmósfera a limpiarse por sí misma.

3-2 Contaminación del ambiente industrial

En los ambientes industriales existen contaminantes que son generalmente originados por los procesos que se desarrollan en ellos. Estas impurezas se pueden clasificar como sigue:

1º. Gases y vapores nocivos.

2º. Polvos.

3º. Humos y nieblas.

Entre los gases y vapores nocivos se pueden citar el dióxido de azufre, monóxido de carbono, amoníaco, cloro, óxidos de nitrógeno, vapores de hidrocarburos (naftas, hexano, benceno, tolueno, etc.), vapores de compuestos orgánicos (tales como etanol, acetato de etilo, éter etílico, acetona, butanol, etc.).

Los polvos son producidos por distintos procesos tales como trituración y molienda, abrasión y en general, operaciones que involucran el transporte y manejo de materiales sólidos. A manera de ejemplos se pueden mencionar: polvos de silicatos (amianto, mica, lana de vidrio, cemento portland, etc.), polvos de minerales metálicos (óxidos de hierro, alúmina, concentrados de sulfuros metálicos, etc.), polvo de carbón, polvos vegetales (algodón, lana, bagazo, etc.), polvos varios (jabón, cuero, polímeros, etc.).

Los humos y nieblas son suspensiones coloidales, o cercanas al estado coloidal, de partículas sólidas (humos) o líquidas (nieblas) en gases. Estas dispersiones de sólidos o líquidos en una fase gaseosa se denominan aerosoles. Como en este caso las partículas son muy pequeñas, las impurezas sólidas o líquidas del aire no sedimentan fácilmente bajo influencia de la gravedad, sino que permanecen suspendidas durante largos períodos de tiempo o bien son completamente estables cuando las partículas son coloidales (*).

El más generalizado de estos contaminantes coloidales es el humo producido por las reacciones de combustión, cuando ésta es defectuosa, cosa que es frecuente cuando se emplean combustibles sólidos como el carbón y, en menor medida, cuando se quema fuel oil. Este humo incluye gotitas de alquitrán y partículas sólidas de carbón impuro (hollín).

4 METODOS DE VENTILACION

La ventilación de un local industrial puede hacerse recurriendo a dos métodos diferentes, que son [1, 3]:

-Ventilación localizada

-Ventilación general

Se explicará a continuación el principio de cada uno de estos métodos de ventilación. (*) Normalmente se toma como límite superior del tamaño de partícula en estado coloidal unos 0,2 µm.


4-1 Ventilación localizada

En la ventilación localizada la extracción del aire contaminado se hace en el mismo sitio en que se produce la contaminación, impidiéndose así la propagación de las impurezas por todo el ambiente industrial.

Lo antes explicado se logra por medio del empleo de campanas de aspiración, unidas a través de conductos adecuados a la aspiración de un ventilador. Este produce una depresión en la campana que posibilita la aspiración del aire contaminado con polvos, gases y vapores. Antes de llegar al ventilador el aire aspirado es generalmente depurado, es decir separado del contaminante. Finalmente es descargado por el ventilador hacia una chimenea que lo expulsa fuera del ambiente industrial. Esto se muestra esquemáticamente en la Figura 1.

Ambiente industrial

Campana de aspiración

Descarga a la atmósfera

Equipo productorde contaminantes

Equipo dedepuración

VentiladorContaminantesrecuperados

Figura 1. Instalación de ventilación localizada

La ventilación localizada reduce la zona de dispersión del contaminante, por lo que su empleo conduce a la minimización de la cantidad de aire que se debe remover para evacuar las impurezas, pero su uso no siempre es posible: para ello es condición indispensable que exista la posibilidad de colocar la campana de aspiración cerca del punto en que se origina la contaminación. La ventilación localizada es particularmente eficaz para la extracción de polvos y humos.

4-2 Ventilación general

El término ventilación general se aplica al suministro y extracción de aire a un ambiente o edificio en el que se desarrollan actividades industriales. De acuerdo a la función que cumple esta renovación del aire, la ventilación general puede ser dividida en ventilación por dilución y ventilación para control del calor.

4-2-1 Ventilación por dilución

No siempre es posible, y a veces es poco recomendable, la extracción de las impurezas en el mismo sitio en que se generan. Todas las impurezas que no se eliminan por aspiración localizada cerca del punto de


generación, deben ser diluidas renovando el aire del ambiente industrial por medio de un flujo de aire puro, tal que permita mantener el nivel de contaminación dentro de los límites admisibles. Este tipo de ventilación general, tendiente a diluir adecuadamente un contaminante, se denomina ventilación por dilución. La ventilación por dilución puede ser necesaria para:

- Evitar riesgos para la salud de las personas que trabajan en el ambiente industrial.

- Evitar riesgos de incendios o explosiones cuando el contaminante es una sustancia inflamable.

4-2-2 Ventilación para control del calor (*)

Es la renovación del aire del ambiente industrial asociada con procesos que liberan cantidades importantes de calor y que, por lo tanto, tienden a aumentar la temperatura del mismo, creando condiciones de trabajo no confortables o peligrosas para la salud de los trabajadores. Ejemplos: procesos metalúrgicos de fusión de metales, industria del vidrio, tintorerías, panaderías, etc. En este caso el calor puede ser considerado, desde el punto de vista de la higiene, como un contaminante no material del aire. Es por ello que algunos autores aplican también a este caso el término de ventilación por dilución.

4-2-3 Formas de lograr la ventilación general

La ventilación general de un ambiente industrial puede lograrse recurriendo a algunos de los métodos indicados en el cuadro siguiente:

naturaln Ventilació

Combinada impulsiónPor aspiraciónPor

mecánican Ventilació

Generaln Ventilació

En la ventilación mecánica la renovación del aire se logra por medio del empleo de ventiladores, pudiéndose trabajar de las siguientes formas:

− Por aspiración, cuando el ventilador utilizado trabaja aspirando y extrayendo el aire contaminado del local (ventilación mecánica por aspiración).

− Por impulsión, cuando el ventilador actúa aspirando aire puro desde el exterior e impulsándolo dentro del local para desplazar el aire contaminado (ventilación mecánica por impulsión).

− Combinada, cuando se trabaja con dos ventiladores, uno de los cuales aspira el aire contaminado del local, mientras que el otro impulsa aire puro dentro del local (ventilación mecánica combinada).

Estas tres formas de ventilación mecánica se indican en las Figuras 2, 3 y 4.

(*)Así se la denomina en la bibliografía americana (Ventilation for heat control) aunque el nombre no es totalmente correcto.


Abertura

Entrada de aire puro

Ventilador axial

Salida de airecontaminado


Figura 2. Instalación de ventilación general por aspiración

En la ventilación por aspiración, el ventilador que aspira el aire contaminado del ambiente industrial origina en éste una cierta depresión y, en consecuencia, se producirá una aspiración de aire a través de todas las aberturas que comuniquen con el exterior o con los ambientes contiguos, por las que entrará aire que reemplazará al extraído por acción del ventilador.

A bertura

Salida de airecontam inado

V entilador axial


Equipo productorde contam inantes

Figura 3. Instalación de ventilación general por impulsión


V entilador axial

Salida de airecontam inado

V entilador axial


Equipo productorde contam inantes

Figura 4. Instalación de ventilación general combinada

En la ventilación por impulsión se produce el fenómeno contrario, el aire puro que entra al local impulsado por el ventilador origina un cierto aumento de presión en el mismo, lo que determina un flujo de aire hacia el exterior por todas las aberturas del ambiente ventilado.

En la ventilación natural la renovación del aire del ambiente industrial se logra sin recurrir al uso de medios mecánicos, simplemente por el efecto de convección natural causado por la diferencia de densidades entre el aire interior y el exterior, debida a una diferencia de temperaturas (ver Figura 5) y/o por la acción del viento. En general este método de ventilación es muy limitado y no es suficiente para lograr una adecuada renovación del aire del ambiente industrial.





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Figura 5. Instalación de ventilación natural


5 VENTILACION POR DILUCION PARA EVITAR RIESGOS PARA LA SALUD

Se puede decir que, en general, la ventilación por dilución no es tan satisfactoria, como lo es la ventilación localizada, para controlar los riesgos que el aire contaminado puede significar para la salud de las personas que se desempeñan en el ambiente industrial.

El uso de la ventilación por dilución para evitar riesgos para la salud presenta tres factores limitantes, que son:

1. La cantidad de contaminante generado por unidad de tiempo, es decir la velocidad de generación, no debe ser demasiado grande.

2. Los trabajadores deben estar lo suficientemente alejados de la fuente de generación del contaminante, como para que no se encuentren expuestos a concentraciones locales peligrosas.

3. La toxicidad del contaminante debe ser baja.

Los factores limitantes 1 y 3 antes mencionados, están relacionados con la peligrosidad toxicológica y ecológica del contaminante evacuado, la que depende de la cantidad evacuada por unidad de tiempo (factor 1) y de la concentración máxima admisible en la atmósfera, tanto menor cuanto mayor es su toxicidad (factor 3). Si ellos son grandes puede no cumplirse con lo ya establecido en el punto 1, de que la ventilación industrial debe purificar el aire del ambiente fabril sin perturbar las condiciones del ambiente externo.

Si el contaminante evacuado origina problemas en la calidad de la atmósfera circundante, se debe recurrir, cualesquiera sea su costo, a la ventilación localizada, que permite llevar a cabo una adecuada limpieza del aire contaminado aspirado antes de su evacuación por la chimenea de la instalación.

Como norma general puede decirse que la ventilación por dilución es muy raramente satisfactoria para la eliminación de polvos y humos metalúrgicos. En cambio es usada a menudo con ventajas para el control de la contaminación producida por vapores de líquidos orgánicos volátiles, tales como solventes orgánicos no demasiados tóxicos, con valores de TLV de 100 ppm o mayores (ver punto 5-3), por ejemplo: alcohol etílico (TLV = 1000 ppm), acetato de etilo (TLV = 400 ppm), acetona (TLV = 750 ppm), metil-etil-cetona (TLV = 200 ppm), etc.

5-1 Ecuaciones de diseño de sistemas de ventilación por dilución

Considérese un ambiente industrial en el que un cierto proceso produce un contaminante (gas o vapor) que impurifica el aire del mismo. Para mantener la concentración del contaminante en un valor aceptable se recurre a un sistema de ventilación por dilución, tal como se indica en la Figura 6.

Se debe calcular el caudal de aire requerido para cumplir con el objetivo antes establecido, de mantener la concentración del contaminante en un valor aceptable, ya sea para la salud del personal o para evitar riesgos de incendios o explosiones. Para ello se aplica al recinto considerado, un balance de materia referido al contaminante. Si a partir de un cierto tiempo t, se toma un incremento dt, para dicho intervalo diferencial de tiempo es:

(1)

−

=

recinto del tecontaminan deln Eliminació

tecontaminan

del Generación

recinto elen

tecontaminan deln Acumulació


A irecontam inado

QA irepuro

QV apores o gases, G

Procesocontam inante

Figura 6. Representación esquemática de un sistema de ventilación por dilución

Sean:

V: Volumen del ambiente a ventilar, m3

Q: Caudal de aire de dilución, m3/min

G: Velocidad de generación del contaminante, m3/min

c: Concentración del contaminante en el ambiente, m3 contaminante/m3 aire

Se admite que la concentración del contaminante, c, es constante en todo el volumen del ambiente (mezclado perfecto del aire con el contaminante), de manera que el aire que sale lo hace con dicha concentración. Se supone además que la velocidad de generación, G, y el caudal de aire de dilución, Q, son constantes en el tiempo (estado estacionario). En tal caso para el incremento de tiempo dt considerado, la concentración del contaminante aumenta en dc, es:

Acumulación de contaminante: V dc

Generación de contaminante: G dt

Eliminación de contaminante: Q c dt

Reemplazando en (1) queda:

V dc = G dt - Q c dt (2)

Si el sistema de ventilación se encuentra en estado estacionario es dc = 0, es decir que en tal caso la concentración del contaminante no es función del tiempo, siendo entonces:

G dt - Q c dt = 0

o sea:

Q = G/c (m3 de aire/min) (3)

En esta expresión la concentración c del contaminante se expresa como m3cont./m3aire. Usualmente en la práctica, debido a los bajos valores admisibles correspondientes a la mayoría de los contaminantes, dicha concentración se da en partes por millón, p (m3 cont./106 m3 aire).


La relación entre ambas formas de dar la concentración es:

p = c . 106 (4)

Reemplazando en (3) queda:

p10 .G =

6

Q (5)

Usualmente el valor de concentración límite considerado como aceptable, es decir la concentración máxima admisible, se designa en la Bibliografía Americana por la sigla TLV ( ver punto 5-3)(*).

Si p = TLV, queda entonces:

TLV

10 .G 6

=Q (6)

Al plantear las ecuaciones anteriores se admitió un mezclado perfecto del contaminante con el aire, siendo su concentración uniforme en todo el ambiente ventilado. En realidad esto no es cierto, siendo la concentración del contaminante mayor cerca de la zona de generación, y luego decrece a medida que es diluido por la corriente de aire. El diseño de la instalación de ventilación debe hacerse en condiciones de seguridad que aseguren que la concentración de gas o vapor contaminante sea p < TLV aún en los puntos cercanos a la zona de generación. Esto se logra aplicando a la ecuación (6) un coeficiente de seguridad Ks, mayor que la unidad, siendo entonces:

aire/min) de (m TLV

10G KQ 3

6s

v = (7)

En esta ecuación es:

Qv: caudal de aire realmente necesario para lograr una adecuada ventilación.

Ks: factor de seguridad que debe adoptarse teniendo en cuenta la toxicidad del contaminante que se debe diluir, el grado de uniformidad que presenta la generación del mismo y la eficiencia de mezclado o distribución del aire de dilución. Los valores están dados por la bibliografía [1, 3] y varían entre 1,5 y 9 (ver Tabla 3).

Tabla 3. Valores aconsejables para el factor de seguridad Ks

Tipo de producción del

Toxicidad contaminante

del contaminante

Uniforme

Moderadamente

no uniforme

Altamente

no uniforme

Ligeramente tóxico

( TLV > 500 ppm)

1,5 a 3

3 a 5

5 a 7

Moderadamente tóxico

( 100 < TLV < 500 ppm)

3 a 5

5 a 7

7 a 9

Tal como ya se mencionó, la ventilación por dilución no es aconsejable para contaminantes altamente tóxicos (TLV < 100 ppm).

(*) La sigla TLV significa “Threshold Limit Value”, que puede traducirse literalmente como Valor Umbral Límite.


5-2 Dilución de vapores producidos por evaporación de un líquido volátil

Es el caso en que más frecuentemente se aplica con éxito la ventilación por dilución, sobre todo cuando los vapores emitidos corresponden a sustancias orgánicas volátiles no demasiado tóxicas.

El cálculo del caudal de aire requerido para la dilución se hace aplicando la ecuación de diseño (6), para lo cual es necesario calcular la velocidad de generación de vapores, G (m3 vapor/min), lo que puede hacerse fácilmente a partir de las pérdidas de líquido por evaporación.

Sea:

vL : velocidad de evaporación del líquido volátil, cm3 (líq)/min

: densidad del líquido que se evapora, g/cmLρ 3

M : peso molecular del líquido, g/mol

VM : volumen molar del vapor producido, m3/mol

La velocidad de evaporación es M v LL ρ

(mol/min). Partiendo de este valor, la velocidad de

producción de vapores resulta:

=

=

minm

MV v

molm V

minmol

M v

3

MLL3

MLL ρρ

G (8)

El volumen molar del vapor es fácil de calcular admitiendo que éste se comporta como un gas ideal, recordando que un mol de cualquier gas ideal ocupa un volumen de 22,4 l a 0°C (273 K) y 1 atm. Este volumen se debe corregir para referirlo a las condiciones estándar usadas normalmente en los cálculos de ventilación.

Ellas son [3] :

Temperatura: 21°C (70°F) , Presión: 1 atm.

El volumen molar corregido es:

=

+

=

molm 0,0241

lm

101

27321273

moll 22,4V

33

3M

Reemplazando este valor en la ecuación (8) y, a su vez, ésta en la (7) se obtiene:

s L

3

v K TLV M

v10 24,1Q Lρ

= (m3 aire/min) (9)

Se hace notar que esta ecuación no corresponde a unidades homogéneas ya que da Qv en m3/min, estando vL en cm3/min, en g/cmLρ 3, M en g/mol y TLV en ppm. Los factores de corrección se encuentran incluidos en la constante numérica.


5-3 Ventilación por dilución en estado no estacionario

Considérese un sistema de ventilación por dilución que no ha alcanzado el estado estacionario, es decir que en el mismo la concentración del contaminante varía en función del tiempo: c = f (t). La variación de concentración correspondiente a una cierto intervalo de tiempo puede ser calculada a partir de la ecuación:

V dc = G dt - Q c dt

de la cual se obtiene:

Vdt

c Q-Gdc

= (10)

Integrando esta ecuación diferencial entre un estado inicial indicado mediante un subíndice 1 y un estado final 2, es:

∫∫ −

2

1

2

1 Vdt =

c Q Gdc

( )V

tt c QGln

Q1 12

2

1

−=

−

−

( )

V tt Q

= c QGc QG 1 2

1

2 −−−−

ln (11)

A partir de esta ecuación se puede calcular:

1) El intervalo de tiempo (∆t = t2 - t1) requerido para que la concentración del contaminante alcance un valor c2 a partir de un cierto valor inicial c1:

c QGc QG

ln QV=t

1

2

−−

−∆ (12)

o bien, a partir de un estado inicial c1 = 0, t1 = 0, es:

G

c QGln

QV= t=t 2

2−

−∆ (13)

2) El valor que alcanzará la concentración c2 al cabo de un cierto intervalo de tiempo, ∆t = t2 - t1:

c QGc QG

= e1

2Vt Q

−−∆

−

de la cual se puede conocer el valor de c2:

Q

e c Q e1G

c

V t Q

1V

t Q

2

∆−

∆−

+

−

= (14)


Si el estado inicial es c1 = 0, queda:

Q

e1G

c

V t Q -

2

−

=

∆

(15)

Si la ecuación exponencial (15) se representa gráficamente, se obtiene una curva c = f (t), tal como la indicada en la Figura 7, que muestra como varía la concentración del contaminante desde el instante en que comienza a producirse la contaminación (t1 = 0, c1 = 0) hasta alcanzar el estado estacionario.

Figura 7. Curva c = f (t) para un sistema de ventilación que no alcanzó el estado estacionario.

Con

cent

raci

ón d

el c

onta

min

ante

, c

c2

t1 = 0 t2 tiempo, t

c1 = 0

Estado estacionario, cuando t , c G/Q

3) El tiempo requerido para purgar el contaminante residual, si la producción de contaminante cesa en el instante t1 , pero se sigue ventilando con un caudal de aire Q = cte. Teniendo en cuenta que en el período de purga ∆t = t2 - t1 es G = 0, queda:

V

t Q- = cc

ln1

2 ∆ (16)

El tiempo de purga necesario para que la concentración baje desde el valor inicial c1 hasta un valor final igual a la concentración admisible, c2 = TLV, es:

1c

TLVln QV - =t ∆ (17)

4) La disminución de la concentración del contaminante al cabo de un cierto período de purga ∆t = t2 - t1. De (16) es:

Vt Q-

12 e ∆

cc = (18)


Con

cent

raci

ón d

el c

onta

min

ante

, c c1

TLV

t1 = 0 t2 tiempo, t

Figura 8. Curva c = f (t) durante el período de purga.

La ecuación (18) se representa en la Figura 8. La curva c = f (t) representa, en este caso, como disminuye la concentración a partir del instante t1 = 0 en que cesa de operar el proceso que origina la contaminación, indicándose el tiempo t2 requerido para que c baje hasta el valor admisible c2 = TLV.

5-4 Dilución de mezclas de contaminantes

Cuando el aire del ambiente de trabajo se encuentra contaminado por dos o más sustancias nocivas para la salud, sus efectos, en ausencia de otro tipo de información, deben considerarse aditivos [1].

Para una sustancia contaminante cuya concentración en el ambiente industrial es p (ppm), siendo

TLV su concentración máxima admisible, la relación TLV

p=α indica su concentración relativa expresada

como fracción del TLV de la misma. Si α>1 significa que su concentración excede el límite permitido.

Igualmente, para una mezcla de n contaminantes cuyas concentraciones relativas a sus concentraciones máximas admisibles son α1, α2, ......, αn, la concentración máxima admisible de la mezcla se considera excedida cuando:

α1 + α2 +---------- αn >1 (19)

O sea:

1TLV

p......

TLVp

TLVp

n

n

2

2

1

1 >+++ (20)

donde p1, p2, ........, pn indican la concentración de cada uno de los contaminantes presentes en el aire, expresadas en ppm.


El problema se resuelve calculando el caudal de aire necesario para diluir cada componente de la mezcla hasta una concentración admisible menor que el TLV, usando para ello la ecuación (7), o bien la (9) en el caso de tratarse de vapores de líquidos volátiles. Por ejemplo:

s111

1L L13

v1 K TLV M v10 24,1

Qρ

= , s222

2L L23

v2 K TLV M v10 24,1 ρ

=Q

(21)

..................................... , snnn

LnLn 3

vn K TLV M v10 24,1 ρ

=Q

El caudal total de aire de dilución requerido para resolver el problema en estudio será:

Qv = Qv1 + Qv2 + -------- + Qvn (22)

Excepciones a la regla antes dada, referente a la forma de considerar la presencia de varios contaminantes mezclados, pueden presentarse cuando existen razones fundadas para afirmar que los efectos de las sustancias nocivas que se encuentran en el aire no son aditivos, sino que son independientes entre sí. Tal sería el caso cuando ellas afectan solamente a diferentes partes del cuerpo, es decir que tienen efectos locales totalmente distintos. En tal caso, la concentración máxima admisible de la mezcla se considera excedida cuando al menos un término de la serie (α1, α2,............. αn) tiene de por sí un valor superior a la unidad.

En general, puede afirmarse que este último criterio es peligroso y poco aconsejable, salvo casos muy especiales. Lo más conveniente y seguro es considerar que los efectos de los agentes contaminantes presentes son aditivos, tal como se estableció al comienzo de este punto.

5-5 Concentración máxima admisible de un contaminante

La concentración de un contaminante del aire puede ser expresada en dos formas distintas:

1. Partes por millón, p (ppm). Se usa para vapores y gases presentes en el aire: partes de vapor o de gas por millón de partes de aire, expresadas en volumen.

=

=

aire de mcont. de cm p

aire de m10cont. de m p(ppm) p 3

3

36

3

2. Miligramos por metro cúbico, m. Son los miligramos de sustancia contaminante contenidos en un metro cúbico de aire.

m (mg/m3) =aire dem

tecontaminan de mg3

Esta forma de expresar la concentración puede ser usada tanto para gases o vapores como para partículas ( sólidas o líquidas).


Para contaminantes gaseosos o vapores, es fácil deducir que las ecuaciones de conversión para las condiciones estándar de ventilación ( 21° C y 1 atm) son:

Mm 24,1(ppm) =p y

24,1M p

mmg 3 =

m (23)

Definición de concentración TLV: Es interesante estudiar como puede ser definida en forma precisa la concentración máxima admisible de un contaminante, valor que es designado en la bibliografía Americana por medio de la sigla TLV, que significa “Threshold Limit Value”, lo que puede ser traducido literalmente como valor umbral límite, o más convenientemente, como concentración máxima admisible.

En realidad, la concentración máxima admisible de un contaminante es variable de acuerdo con las condiciones que se fijen para su definición, ya que, lógicamente, los efectos nocivos que pueden ser ocasionados por una sustancia tóxica presente en el aire son función de la concentración de la misma en el aire respirado y del tiempo de exposición de los trabajadores que se desempeñan en el ambiente contaminado. Para una concentración dada del contaminante, a mayor tiempo de exposición, mayores serán los efectos nocivos que éste causa sobre la salud.

De manera que toda definición de una concentración máxima admisible debe especificar claramente el tiempo de exposición en ella considerado. El valor más importante, desde el punto de vista del diseño de instalaciones de ventilación, es el denominado TLV-TWA, donde la última sigla, TWA, significa “Time Weighted Average”, es decir que es un valor TLV tomado como promedio ponderado a lo largo de un cierto período de tiempo.

TLV-TWA: Es definida como la máxima concentración a la cual los trabajadores pueden estar expuestos durante 8 horas diarias de trabajo ( o 40 horas semanales), a lo largo de extensos períodos de tiempo (años), sin que se originen efectos adversos en la salud de los mismos. El valor de TLV así definido es tomado como valor promedio ponderado a lo largo de toda la jornada de trabajo.

NOTA: Desde el punto de vista de la toxicidad del contaminante, estos pueden ser divididos en tres grupos:

- Ligeramente tóxicos: TLV > 500 ppm

- Moderadamente tóxicos: 100 < TLV < 500 ppm.

- Altamente tóxicos: TLV < 100 ppm.

La ventilación por dilución no es aconsejable para contaminantes altamente tóxicos (TLV < 100 ppm). Esto es debido a que es peligrosa la presencia de estas sustancias en el ambiente de trabajo, aún diluidas y a los problemas que ocasionarían su evacuación, aún parcial, al ambiente exterior de la planta industrial. En tales casos es necesario recurrir a la ventilación localizada, provista de un equipo de alta eficiencia para la separación del contaminante (ver punto 8).

Valores del TLV son dados por el Industrial Ventilation Manual [3], para un gran número de sustancias. En las tablas de dicho manual el TLV antes definido se representa como TLV-TWA (*).

En estas tablas se encuentra otra columna con los valores de TLV denominados TLV-STEL(**).

Estos últimos valores no deben ser usados para diseñar instalaciones de ventilación por dilución, puesto que todo el sistema de ventilación debe asegurar que el ambiente de trabajo sea respirable sin peligros para la salud durante toda la jornada de trabajo.

(*) TWA significa “Time Weithted Average” es decir un valor promedio ponderado en el tiempo, tal como se indica en la definición

dada de TLV (en la que se omite la sigla TWA). (**)) STEL significa “Short Term Exposure Limit”, es decir que corresponde a una exposición durante un tiempo corto (menor a 15

minutos).


TLV-STEL: Es definido como la máxima concentración de contaminante a la cual los trabajadores pueden ser expuestos durante un período de hasta 15 minutos sin sufrir: 1) Irritación, 2) Cambios crónicos e irreversibles en los tejidos, 3) Narcosis en grado suficiente como para incrementar la tendencia a accidentes o reducir su eficiencia en el trabajo. A todo esto se agrega que no se permiten más de cuatro exposiciones diarias, con un mínimo de una hora entre dos períodos consecutivos, y siempre que el valor TLV-TWA del contaminante no sea excedido durante el resto de la jornada de trabajo.

Las concentraciones TLV-STEL no deben ser usadas para diseñar instalaciones de ventilación por dilución, puesto que todo sistema de ventilación debe asegurar que el ambiente de trabajo sea respirable sin peligros para la salud durante toda la jornada de trabajo, condición que evidentemente no cumpliría si la concentración de diseño adoptada fuera la TLV-STEL del contaminante a diluir.

TLV-C: Un valor TLV-C es una concentración máxima admisible que no puede ser excedida ni aún instántaneamente. La letra C agregada a TLV significa “ceiling” (techo).

Para ciertas sustancias, por ejemplo vapores irritantes, sólo la concentración TLV-C es relevante, es decir que es el valor a ser tenido en cuenta para los cálculos de ventilación. Es el caso, por ejemplo, del acetaldehído y formaldehído. Por supuesto que en estos casos no existen los valores TLV-STEL de tales sustancias. En la Tabla 4 se incluyen las concentraciones máximas admisibles de unas pocas sustancias.

Tabla 4. Concentraciones máximas admisibles de contaminante (ppm o mg/m3)

Sustancia

TLV-TLWA (*)

TLV-STEL

Acetona

750 (ppm)

1000 (ppm)

Acido acético 10 (ppm) 15 (ppm) Acido sulfúrico (niebla) 1 (mg/m3) 3 (mg/m3) Amoníaco 25 (ppm) 35 (ppm) Anhídrido acético 5 - C (ppm) - Anhídrido bórico (polvo) 10 (mg/m3) 20 (mg/m3) Cloro 0,5 (ppm) 1 (ppm) Dióxido de azufre 2 (ppm) 5 (ppm) Formaldehído 0,3 - C (ppm) - Metil etil cetona 200 (ppm) 300 (ppm) Negro de humo 3,5 (mg/m3) 7 (mg/m3) Oxido de hierro (fumes)(como Fe) 5 (mg/m3) 10 (mg/m3) Oxido nítrico 25 (ppm) 35 (ppm) Plomo (fumes y polvos)(como Pb) 0,15 (mg/m3) 0,45 (mg/m3) Tolueno (skin) 50 - C (ppm) - Yodo 0,1 - C (ppm) - Zinc (fumes de ZnO) (como Zn)

5 (mg/m3) 10 (mg/m3)

(*) La letra C colocada luego de un número de esta columna, indica que se trata de una concentración TLV-C

Valor medio de la concentración de contaminante

Tal como ya se estableció, la concentración TLV-TWA es una concentración máxima admisible tomada como un valor promedio ponderado a lo largo de toda la jornada de trabajo.

De manera que para conocer, en un caso dado, si la concentración de un cierto contaminante presente en el ambiente de trabajo no sobrepasa dicho valor límite, se debe determinar el valor medio de tal concentración correspondiente a toda la jornada. Para ello se deben tomar períodicamente, en intervalos


cortos de tiempo, muestras del aire contaminado existente en la zona de trabajo, las que deben ser analizadas para poder conocer la concentración c (ppm o mg/m3) del contaminante en el instante en que se tomó la muestra. O mejor aún, se puede recurrir al uso de analizadores continuos, que puedan trazar directamente la curva c = f (t), representativa de como varía la concentración del contaminante en función del tiempo.

Supóngase que en el caso estudiado, la curva c = f (t) es del tipo de la indicada en la Figura 9. El intervalo de tiempo que va desde 0 hasta tj corresponde a una jornada de trabajo (por ejemplo de 8 horas). El valor de la concentración media del contaminante, c , para dicho intervalo, corresponde al valor medio de la función c = f (t), es decir:

jj

t

tsombreada" Area"

0)(t

cdtj

=−

∫0c = (24)

donde el “Area sombreada” comprendida entre la curva representativa de la función y la abscisa desde t = 0 a t = tj, puede ser determinada por cualquiera de los métodos numéricos conocidos. El valor medio c así definido, está representado en la figura por la recta horizontal AB. Esto significa que el área del rectángulo ABJO, de altura c , es igual al “Area sombreada”.

Obtenido el valor de la concentración TLV-TWA para el contaminante en cuestión, recurriendo para ello a tablas adecuadas [2], se debe verificar si se cumple:

c ≤ (25) TWA)-(TLV

Verificándose lo establecido en (25) surge entonces la siguiente pregunta: ¿se cumple en tal caso con los requerimientos establecidos por la higiene para preservar la salud de los trabajadores?. Evidentemente, la respuesta a esta pregunta depende de la magnitud y frecuencia con que la concentración TLV-TWA es sobrepasada. Supóngase que, en el ejemplo estudiado, dicha concentración máxima admisible está representada por la recta A’B’ que se encuentra por arriba de AB, cumpliéndose por lo tanto con la condición expresada en (25). En la figura 9 puede apreciarse que durante la jornada de trabajo existen dos picos pronunciados en la curva c = f (t) durante los cuales, debido a las características operativas del proceso contaminante, sube marcadamente la concentración instantánea hasta alcanzar un valor máximo cmáx. Puede verse que es: TWA)-(TLVcmáx >

tj

t (tiempo)

c (C

once

ntra

ción

)

cmax

A’ TLV-TWA

A ∆tmax ∆tmax B

B’

c

J

0

Figura 9. Concentración de un contaminante en función del tiempo: c = f (t).


¿Esto es admisible? Lo es siempre que el contaminante admita una concen-tración TLV-STEL, ya definida, y se cumplan las siguientes condiciones:

1. STEL)-(TLVccmáx ≤

2. Que los intervalos de tiempo ∆tmáx indicados en la Figura 9, durante los cuales se sobrepasa la concentración TLV-TWA, sean: min 15t máx <∆

3. Que los intervalos ∆tmáx estén separados, como mínimo, por una hora.

4. Que el número de exposiciones que sobrepasan la concentración TLV-TWA no sea superior a cuatro.

Por supuesto que si la sustancia contaminante del ejemplo considerado fuera de naturaleza tóxica, tal que para ella es necesario definir una concentración techo TLV-C, en tal caso no serían admisibles los picos de concentración durante los cuales se supera la concentración TLV-TWA de la misma.

6 VENTILACION POR DILUCION PARA EVITAR RIESGOS DE INCENDIO O EXPLOSION

Otra función de la ventilación por dilución es reducir la concentración de los vapores o gases inflamables existentes en un recinto cerrado hasta valores tales que no existan riesgos de que se produzcan explosiones o incendios. Para que se cumpla esta condición la concentración del vapor o gas inflamable debe ser menor que el límite de explosividad inferior del mismo.

− Límite de explosividad inferior (LEL)(*): concentración mínima de vapores o gases combustibles requerida para que la mezcla con el aire pueda inflamarse (vol. %). En la bibliografía [3] se da el valor del LEL para un gran número de sustancias inflamables.

− Límite de explosividad superior (LES): concentración máxima de vapores o gases combustibles admisible para que la mezcla con el aire pueda inflamarse (vol. %).

En la bibliografía [2] y [3] se da el valor del LEL para un gran número de sustancias inflamables, algunos de los cuales se incluyen , a modo de ejemplo en la tabla 4, en la que también se muestran los valores correspondientes del límite de explosividad superior, representado por la sigla UEL (“Upper Explosive Limit”), aunque estos últimos no se emplean en los cálculos de ventilación.

El límite de explosividad inferior de una sustancia es función de la temperatura, pero, desde el punto de vista práctico, los valores dados en las tablas indicadas pueden considerarse válidos hasta una temperatura de 120ºC [1].

Tabla 4. Límites de explosividad de gases y vapores en el aire a temperatura ambiente

Sustancia Límites de Explosividad, vol.%

Inferior (LEL)

Superior (UEL)

Metano 5,0 15,0

Butano 1,8 8,4

Hexano 1,2 6,9

(*) La sigla LEL significa “Lower Explosive Limit”.


Sustancia Límites de Explosividad, vol.%

Inferior (LEL)

Superior (UEL)

Benceno 1,3 6,7

Tolueno 1,2 6,7

Alcohol etílico 3,3 18,9

Acetona 2,5 12,8

Acetato de etilo 2,2 11,4

Eter etílico 1,8 36,5

Hidrógeno 4,0 74,2

Monóxido de carbono 12,5 74,2

Amoníaco 15,5 26,6

Sulfuro de carbono 1,3 50,0

Nafta 92 octanos 1,5 7,6

6-1 Caudal de aire necesario para la dilución de sustancias inflamables

El caudal de aire requerido para diluir un gas o vapor inflamable para que su concentración sea inferior al LEL del mismo, puede hacerse adaptando la ecuación (7), antes deducida, de la siguiente manera:

aire/min) de (m F LELGK10

Q 3i2

v = (26)

Las modificaciones introducidas son las siguientes:

1. Se sustituye la concentración TLV (ppm) por la concentración LEL (vol.%).

2. Como la concentración de LEL se expresa en porcentaje, es decir en partes por cien partes de aire, en lugar de partes por millón utilizadas para expresar el TLV, el factor 106 debe transformarse en 102 .

3. Ki es un factor de seguridad equivalente al empleado en la ecuación (7). El valor de KsK i a utilizar depende, por lo tanto, del porcentaje del LEL que no debe sobrepasarse por razones de seguridad. El valor de Ki a utilizar sobrepasarse por razones de seguridad. En la mayoría de las estufas y secaderos (probablemente el caso más común en que se aplica la ventilación por dilución a vapores inflamables) la experiencia indica que es conveniente mantener la concentración de vapores inflamables en un valor no mayor que el 20 % del LEL. Los valores aconsejados para Ki están indicados en la bibliografía [1, 3].

4. F es una constante que tiene en cuenta el hecho de que el LEL decrece al aumentar la temperatura, aconsejándose tomar F = 1 para temperaturas de hasta 120 ºC y F = 0,7 para temperaturas superiores a 120 ºC [3].

En la ecuación (26), G es la velocidad de generación del contaminante gaseoso o vapor inflamable, en m3/min.


Para el caso que la sustancia gaseosa inflamable mezclada con el aire sea un vapor producido por la evaporación de un solvente en un proceso de secado en estufas o secaderos, G puede ser calculado fácilmente a partir de la pérdida de peso del sólido secado, en tal caso, es cómodo calcular G aplicando la ecuación (8). Reemplazando en (26) queda:

F LEL MV vK10

Q MLLi2

vρ

= (m3/min) (27)

donde es:

vL: velocidad de evaporación del líquido volátil, cm3 líquido/min

Lρ : densidad del líquido que se evapora, g/cm3

M: peso molecular del líquido, g/mol

VM : volumen molar del vapor producido, m3/mol

El volumen molar en condiciones normales de ventilación (21 ºC y 1 atm) es VM = 0,0241 m3 /mol, quedando entonces la (27) para estas condiciones:

F LEL M vK 2,41 LLi

v0ρ

=Q (m3N

/min) (28)

Siendo el caudal de aire de dilución medido en las condiciones normales (estándar) de ventilación .

Qv0

Si t (ºC) es la temperatura de operación del recinto ventilado, el caudal en condiciones de operación es (*) :

294

t273QQ v0v+

= (m3/min) (29)

Es conveniente aclarar perfectamente que el criterio de ventilación por dilución para evitar riesgos de explosiones, que se ha desarrollado en este punto, nunca es aplicado en caso en que los trabajadores se encuentran expuestos a los vapores. En tales casos el problema de ventilación por dilución siempre es resuelto teniendo en cuenta los riesgos para la salud que representan los vapores a diluir. Esto es evidente al comparar los valores del LEL con el TLV para diversas sustancias: siempre el primero es de orden mucho mayor que el segundo, de manera que un ambiente seguro desde el punto de vista de riesgos de incendios es generalmente altamente nocivo desde el punto de vista de la salud.

6-2 Dilución de mezclas de sustancias inflamables

Para el caso de tener que ventilar ambientes en los cuales existen mezclas de vapores o gases explosivos, hay fórmulas desarrolladas para calcular el LEL de tales mezclas, pero que frecuentemente muestran marcadas discrepancias con la realidad.

Es por ello que, tratándose de mezclas de vapores inflamables, la práctica más común y aconsejable es considerar a la mezcla como formada únicamente por el componente que requiere mayor cantidad de aire de dilución por unidad de volumen de líquido evaporado, es decir, el mayor valor de Qv/vL. Observando la ecuación (27) se puede ver que el componente que requerirá mayor volumen de aire (m3 aire/cm3 líq. evap.)

será aquel que presente mayor valor de LEL M

Lρ.

(*) En el caso de ventilación para evitar riesgos de explosiones esta corrección por temperatura es generalmente importante, ya que la

temperatura de operación de estufas y secaderos es bastante más elevada que 21ºC. En cambio, en ventilación para evitar riesgos de salud, se trabaja siempre con temperaturas cercanas a los 21 ºC, y tal corrección puede generalmente despreciarse.


7 VENTILACION PARA CONTROL DEL CALOR

La ventilación para control del calor es la otra aplicación específica de la ventilación general en la industria. El objetivo de la ventilación para control del calor es evitar que las personas que trabajan en ambientes industriales calientes lo hagan con una excesiva falta de confort, que pueda ocasionar daños en la salud de las mismas.

El término ambientes industriales calientes se aplica a aquellos locales en los que hay instalados equipos emisores de calor, que tienden a producir un marcado aumento de la temperatura del ambiente de trabajo, tales como hornos, secaderos, evaporadores, calderas, cañerías de vapor, motores eléctricos, etc. En el caso de climas cálidos, la excesiva temperatura de un ambiente industrial puede ser simplemente debida a un inadecuado diseño del edificio o galpón.

El exceso de calor en el lugar de trabajo puede originar problemas de salud en los trabajadores, tales como fatiga permanente, calambres musculares, problemas neurológicos o dermatológicos de diversa gravedad, pudiéndose llegar a cuadros agudos conocidos como golpes de calor que pueden producir la muerte del paciente. Cabe aclarar que la ventilación para control del calor puede incluir aspectos del acondicionamiento de aire que no serán tratados. El acondicionamiento de aire es definido como el proceso de tratamiento de aire tendiente a controlar simultáneamente su temperatura, humedad, limpieza y distribución, con el fin de cumplir con los requerimientos del ambiente acondicionado. En la mayoría de los sistemas residenciales, comerciales y de oficinas, los requerimientos son el confort de los ocupantes. En muchas situaciones industriales, sin embargo, las condiciones de confort no pueden ser cumplidas y, en tales casos, la función de la ventilación y el acondicionamiento (junto con otros métodos tales como el uso de aislación térmica y escudos de radiaciones) es evitar una excesiva falta de confort y daños fisiológicos. Por supuesto que, de acuerdo a todo lo dicho, la eficacia de estos métodos de control del calor actuante sobre los trabajadores, debe ser evaluada por medio de estudios fisiológicos, cuya descripción está fuera del alcance de este libro.

7-1 Balance de calor

Una condición esencial para que el organismo de una persona funcione adecuadamente mientras trabaja es que la temperatura de su cuerpo sea mantenida alrededor de los 37°C (37 ± 0,5°C). Esta condición se logra si el intercambio de calor entre el cuerpo y el medio ambiente es tal que permite lograr un adecuado balance de calor en el cuerpo. La cantidad de calor que debe ser intercambiada es función de:

- Cantidad de calor producida por el cuerpo (calor metabólico).

- Cantidad de calor ganado (o perdido) desde (o hacia) el medio ambiente.

Va

qmet

CuerpoHumano

qev

tp

qc

Aire: ta

Superficie

Radiante

tr

qr

Figura 10. Intercambio de calor del cuerpo con el medio ambiente


En ella son:

qmet: calor generado por el metabolismo del cuerpo, kcal/h

qc : calor ganado desde el medio ambiente por convección, kcal/h

qr : calor ganado desde el medio ambiente por radiación, kcal/h

qev : calor perdido por evaporación, kcal/h

tp : temperatura de la piel (superficie externa) del cuerpo, °C

ta : temperatura del aire que rodea al cuerpo, °C

tr : temperatura media de las superficies radiantes, °C

Va : velocidad del aire, m/seg

Con relación a los flujos de calor indicados en la Figura 10, qmet y qev se toman siempre como positivos, mientras que qc y qr se toman como positivos cuando el calor entra al cuerpo y negativos cuando el calor sale del cuerpo.

Además, se representa por ∆q al cambio en el contenido de calor del cuerpo, kcal/h, motivado por el intercambio de calor con el medio ambiente. El término ∆q es positivo, ∆q>0, cuando aumenta la cantidad de calor contenida en el cuerpo, mientras que es ∆q<0 cuando dicha cantidad disminuye.

En base a esto, el balance de calor del cuerpo es:

−

+

=

evap.por calor de pérdida de d velocida

rad.)y (conv.calor de entrada de idad veloc

metab.por calor

de generación de d velocida

calor de nacumulacióde velocidad

o sea:

∆ (30) evrcmet qqqq=q −++

7-1-1 Calor metabólico

Es el calor generado por el cuerpo a través de reacciones químicas exotérmicas de oxidación. El valor standard del calor metabólico para adultos sedentarios es de 100 kcal/h, pudiendo incrementarse hasta alrededor de 1000 kcal/h cuando el cuerpo está sometido a esfuerzos pesados. El medio ambiente a que está expuesto el cuerpo tiene poco efecto sobre el metabolismo.

7-1-2 Intercambio de calor por convección

El intercambio de calor por convección entre el aire del ambiente y la piel de una persona es función de la diferencia de temperatura existente entre el aire y la piel (ta - tp), del coeficiente pelicular de convección aire/piel, hc (kcal/h m2 °C) y del area superficial del cuerpo Ap (m2) [4]:

)tt(A h =q papcc −


El coeficiente hc depende, fundamentalmente, de la velocidad Va (m/seg) con que el aire se mueve sobre la piel. Para un trabajador standard (70 kg de peso y 1,8 m2 de área superficial del cuerpo), usando ropa de trabajo normal de una sola capa (camisa y pantalón) se puede considerar que es [5]:

V 6,95 A h 0,6apc ≅

siendo entonces:

(kcal/h) (31)

( )pa0,6ac tt V 95,6q −=

Siendo la temperatura normal de la piel tp = 35°C, cuando ta > 35°C resulta qc > 0, y el cuerpo gana calor desde el medio ambiente por convección. Cuando ta < 35°C es qc < 0, y el cuerpo pierde calor hacia el medio ambiente por convección.

Se debe remarcar que los valores de qc que se obtienen aplicando la ecuación (31) corresponden al uso de ropa standard de trabajo. Si se usa ropa gruesa de abrigo el intercambio de calor entre el aire y la piel disminuye, puesto que aumenta la resistencia opuesta a la conducción del calor, correspondiente a la capa de ropa interpuesta entre el aire y la piel.

7-1-3 Intercambio de calor por radiación

El intercambio de calor por radiación entre una superficie radiante existente en el ambiente de trabajo (por ejemplo, las paredes calientes de un horno) y la piel de una persona, es función de la diferencia entre las temperaturas absolutas de la superficie radiante (Tr) y de la piel (Tp) elevadas ambas a la cuarta potencia (Ley de Stefan-Boltzman) [6]. Es decir:

( )4p

4rr TT q −= f (32)

Siendo: Tr (ºK) = tr (ºC) + 273 y Tp (ºK) = tp (ºC) + 273

Como la función expresada en (32) es muy complicada, ya que depende de la geometría del sistema persona/superficie radiante, que en este caso varía a lo largo del tiempo al cambiar las posiciones de la persona en el ambiente de trabajo, es necesario simplificarla. Para los rangos de temperatura existentes en los ambientes de trabajo, que necesariamente son relativamente bajos, el valor de qr puede ser calculado en forma aproximada definiendo un coeficiente superficial de radiación, hr ( )Cºmh kcal 2 , similar al coeficiente hc, en función del salto de temperaturas (tr - tp) [7]:

( )prprr tt A hq −=

Para un trabajador usando ropa de trabajo normal puede tomarse [5]:

6,8 A h pr ≅

siendo entonces:

( )pr tt 8,6 −rq = (kcal/h) (33)

Al igual que qc , qr puede ser positivo, correspondiendo a una ganancia de calor del cuerpo, o negativo, cuando el cuerpo pierde calor. Si tr > 35ºC es qr > 0 y si tr < 35ºC es qr < 0.


7-1-4 Pérdida de calor por evaporación

La evaporación de agua (sudor) resulta siempre en una pérdida de calor del cuerpo, la que corresponde al calor latente de vaporización del agua. Esta pérdida es función de la velocidad del aire Va (m/seg) y de la diferencia entre la presión de vapor del agua que moja la piel, Pp (mm Hg) y la presión de vapor de agua en el aire ambiente, Pa (mm Hg). Esta relación, para un trabajador standard vistiendo ropa normal de trabajo es [5]:

(kcal/h) (34) ( ap0,6a ev PP V 39,14q −= )

El valor de la presión de vapor correspondiente al agua del sudor puede tomarse Pp = 42 mm Hg (para tp = 35ºC).

Tal como se dijo, qev es siempre una cantidad positiva, es decir que el cuerpo siempre pierde calor por este mecanismo.

7-1-5 Cambio en el contenido de calor del cuerpo

La velocidad de cambio en el contenido de calor del cuerpo, ∆q (kcal/h), también llamada factor de almacenamiento de calor, es el término necesario para balancear la ecuación (30). ∆q puede ser positivo, ∆q > 0, lo que significa que el cuerpo está almacenando el exceso de calor que recibe con respecto a lo que pierde, o negativo, ∆q < 0, lo que quiere decir que el cuerpo está perdiendo calor en su intercambio con el medio ambiente.

El factor de almacenamiento puede ser positivo o negativo, pero su valor es siempre pequeño: el cuerpo no se puede adaptar a almacenar o perder grandes cantidades de calor, lo que inmediatamente se traduce en situaciones no confortables que implican sensación de calor (∆q > 0) o de frío (∆q < 0).

De acuerdo a lo dicho, se concluye que el cuerpo humano solamente se puede adaptar perfectamente a las condiciones ambientales dentro de un estrecho rango de temperaturas. Cuando esto ocurre es ∆q = 0 y el confort alcanzado es óptimo (en términos ingenieriles, podría decirse que el cuerpo se encuentra operando en estado estacionario).

Los principales mecanismos de adaptación del cuerpo son la circulación de sangre periférica, la sudoración y cambios en el metabolismo.

En ambientes fríos disminuye la circulación de sangre en la superficie de la piel, mientras que en ambientes cálidos dicha circulación aumenta. Este incremento de la circulación superficial se hace a expensas de la correspondiente a los órganos internos y al cerebro, y si este desbalance circulatorio es excesivo puede conducir a fatiga o problemas aún más graves.

La transpiración aumenta fuertemente en ambientes cálidos, pero para que tenga efecto de enfriamiento la humedad del aire debe ser baja y su velocidad alta (ver ecuación II-34) puesto que dicho efecto es debido a la evaporación del agua contenida en el sudor. Pero, por otra parte, una abundante transpiración disminuye el contenido de sales del cuerpo (de sodio, potasio, magnesio, etc.) y puede producir problemas de salud si no se balancean las pérdidas salinas mediante dietas adecuadas.

La generación de calor metabólico es aproximadamente constante para ambientes templados, pero hay un incremento a bajas y altas temperaturas.

Todo lo aquí explicado se muestra en la Figura 11, dibujada para un trabajador en reposo que usa ropa de trabajo normal.


Puede apreciarse que el factor de almacenamiento, resultante del balance expresado por la ecuación (II-33), es cero para temperaturas moderadas, pero aumenta marcadamente para altas temperaturas (por arriba de los 37-38ºC) indicando el comienzo de la rotura del proceso regulativo.

0

150

100

50

-50

-100

-150

-20010

kcal

/hq

∆q

200

o

m etqmet

Figura 11. Variacide

7-2 Sistemas de ventilación

La ventilación generaambiente industrial si se dispo

Cuando es posible especialmente cuando la misaspirando el aire caliente prod

En los frecuentes capermiten el uso de la ventilacgeneral. Para calcular el caud

1- La suma de todas las fuenlatente.

2- Adoptar cual es el aument

7-2-1 Control del calor sen

El flujo volumétrico dbalance indicado en la Figurael calor sensible (kcal/h)aire de renovación fresco, Q

sqv

aire del ambiente industrial(lógicamente debe ser text < ta

Línea cer

15 20 25 30 35 40Tem peratura, °C

linea cero

-qev

q c + q r

Pérdida

G anancia

ones del calor metabólico, intercambio de calor con el medio ambiente y factor almacenamiento en función de la temperatura (dibujo no en escala).

para control del calor

l puede utilizarse para eliminar el exceso de calor y/o humedad existentes en un ne de una fuente de aire de reeemplazo más fría y/o seca.

instalar campanas de aspiración sobre la zona en que se genera calor, ma se puede cerrar parcialmente, se puede recurrir a la ventilación localizada, ucido en la zona de trabajo antes de que se propague en todo el ambiente.

sos en los cuales las operaciones industriales y los equipos utilizados no ión localizada, o bien su uso es inconveniente, se debe recurrir a la ventilación al de aire de reemplazo requerido es necesario estimar:

tes de calor presentes en el ambiente a ventilar, tanto para calor sensible como

o de temperatura o de humedad aceptable en el aire de renovación.

sible

e aire requerido por el calor sensible a eliminar puede ser calculado a partir del 12. En ésta se supone que para controlar el efecto de calentamiento que origina producido en el recinto, se hace ingresar mediante el ventilador un caudal de (m3/min), a una temperatura text, y que este aire se mezcla perfectamente con el , saliendo dicha mezcla por el conducto de descarga a una temperatura ta ).


Es decir que es:

: producción de calor sensible en el ambiente industrial, kcal/h sq

Qv: caudal de aire de ventilación (o renovación), m3/min

text: temperatura del aire de renovación (aire exterior), ºC

ta: temperatura admisible en el ambiente industrial, ºC

El balance de calor, alcanzado el estado estacionario es :

=

renovación de aire el

por eliminadoCalor producido

sensibleCalor

Figura 12. Ventilación para control de calor sensible

Aire derenovación

text ta

qs

Salida de aire (ta)

Qv

ventilador

Siendo W (kg/h) el flujo másico del aire de renovación, la ecuación correspondiente a este balance es:

(kcal/h) (35) )t(t CpW q extas −=

en la que Cp es el calor específico del aire, que puede tomarse como igual a 0,24 kcal/kg ºC. A su vez es:

)(kg/m (min/h) 60 /min)(m Q(kg/h)W 33v ρ××=

W (kg aire/h) (36) ρ Q 60 v=

donde (kg/mρ 3) es la densidad del aire, que puede tomarse igual a 1,20 kg/m3 en las condiciones standard de ventilación: 21ºC (70ºF) y 1 atm.

Reemplazando (36) en (35) y despejando Qv se llega a:


( )exta

sv tt Cp 60

qQ

−=

ρ (m3aire/min) (37)

o bien, para aire en condiciones standard de ventilación:

( ) ( )exta

sv0 tt 17,3

qC21ºQ

−= (m 3 aire/min) (38) N

Para aplicar (37) o (38) hay que calcular previamente qs (kcal/h), es decir estimar la carga de calor. Esto incluye, por ejemplo: carga solar actuante sobre el ambiente ventilado, calor producido por iluminación y motores, calor generado por otras fuentes que puedan existir en el ambiente industrial, tales como calderas, hornos, secaderos, cañerías de vapor, etc.(*)

En la mayoría de los casos la carga de calor sensible excede largamente a la de calor latente, de manera que el diseño puede ser hecho sobre la base del calor sensible.

Volviendo a las ecuaciones (37) a (38), si en un lugar dado puede esperarse que la temperatura del aire exterior sea text = 28ºC y se desea que la temperatura interna del ambiente no exceda de ta = 34ºC, es decir ∆t = 6ºC, se requerirá un cierto caudal de aire. Si la temperatura interna requerida es de ta = 31ºC, es decir ∆t = 3ºC, el caudal de aire necesario se duplicará.

Al diseñar una instalación de ventilación, no solamente es importante calcular correctamente el caudal de aire requerido, sino que también hay que tener siempre presente que el flujo de aire fresco sea adecuado con relación a la posición de los trabajadores y la fuente productora de calor, estando siempre dirigido desde los primeros a la segunda [5], tal como se indica en Figura 13.

Figura 13. Ventilación mecánica para control del calor. Dirección correcta del flujo de aire.

(*) La carga solar, de iluminación y motores corresponden totalmente a calor sensible. La carga de calor desarrollada por las personas

es en parte sensible y en parte latente (vapor de agua producido). Las cargas de las restantes fuentes mencionadas son sensibles, siempre que no desprendan vapor en el ambiente.

S a lid a d ea ire ( ta)

G ases d eco m b u stió n

H o rn o

V en ti-la d o r


Además, hay que tener en cuenta que si la temperatura del aire es menor a 35ºC, la corriente de aire producida por el sistema de ventilación mejorará el enfriamiento del trabajador por convección y evaporación, pero cuando la temperatura del aire supera los 35ºC, un incremento en la velocidad del aire ayuda a que éste reciba calor por convección desde el aire. Además si la temperatura de bulbo húmedo es alta (lo que significa que el aire es muy húmedo) disminuye la pérdida de calor por evaporación, y, como resultado, las condiciones de trabajo son malas. Por todo esto, muchos expertos en ventilación piensan que la temperatura del aire de renovación no debería exceder de 25ºC para que el alivio de calor sea efectivo, lo cual, en muchas zonas de climas cálidos puede obligar a recurrir a sistemas de enfriamiento del aire externo.

La experiencia indica que la velocidad de flujo de aire en la zona de trabajo puede ser usada para ayudar al enfriamiento de los trabajadores, aconsejándose valores de 0,40 a 1 m/seg, para exposición continua y de 5 a 10 m/seg para exposiciones intermitentes (por ejemplo en zonas de alivio) [5].

7-2-2 Control del calor latente (humedad)

El calor latente corresponde al vapor de agua contenido en el aire, es decir que depende de la humedad absoluta existente en el ambiente de trabajo, H (kg de vapor de agua/kg de aire seco).

Cuando el aire del ambiente de trabajo es muy húmedo debido, por ejemplo, a procesos de calefacción o de secado que desprenden cantidades importantes de vapor de agua, las condiciones de trabajo se tornan insatisfactorias por los

motivos ya explicados (punto 7-1-5). Esta situación puede corregirse introduciendo aire de reposición más seco, tal como se indica en la Figura 14.

En ella es:

Qv : Caudal de aire de ventilación (o renovación), m3/min

W : Flujo de másico de aire, kg/h

G : Vapor producido en el ambiente industrial, kg vapor/h

Hv : Humedad del aire de renovación, kg de vapor/kg de aire seco

Ha : Humedad admisible en el ambiente industrial ventilado, kg de vapor/kg de aire seco.

El balance de vapor de agua en estado estacionario es:

=

+

extraído aire el

con vapor de Salidaambiente elen

generadoVapor reposición de aire el

con vapor de Entrada

O sea:

av W GW HH =+ (kg de vapor/h)

W (39) ( ) G - va =HH

,H - HH va=∆ es el aumento de humedad que sufre el aire introducido en el ambiente hasta alcanzar el valor admisible. Este aumento de humedad corresponde a un aumento en el contenido de calor


del aire, pese a que su temperatura se mantiene constante (el que puede ser obtenido del diagrama psicrométrico del aire húmedo). Por eso se dice que el aire extrae calor latente del ambiente.

Si se expresa el flujo másico de aire en función del caudal Qv (m3/min) es, ver ecuación (36):

ρ Q 60 =W v

Aire derenovación

Qv , Hv

Ha

G

Salida de aire (ta)

W

W

vapor

H2O

ventilador

Figura 14. Ventilación para el control de la humedad

Reemplazando en la ecuación (39) y despejando el valor Qv se llega a:

( ) ( /minm -

G 0,0167 = Q 3v

va HHρ) (40)

O bien, para el aire en las condiciones standard de ventilación, para las cuales es = 1,20 kg/mρ 3 , es:

( ) ( /minm -

G 0,0139 = Q 3

vav0 HH

) (41)

Si el clima de la zona en que está ubicada la planta industrial es muy húmedo, puede ser necesario deshumidificar el aire utilizado en la instalación de ventilación.

7-3 Control del calor radiante

Puesto que el calor radiante es una forma de energía térmica (radiaciones térmicas) que no necesita de la presencia de un medio material para su transferencia, el mismo no puede ser controlado por ninguno de los medios antes mencionados, ya que el aire es totalmente transparente a la radiación térmica.

Un método para reducir la radiación térmica es pintar o recubrir la superficie de los cuerpos calientes con materiales de baja emisividad. Para materiales tales como metales fundidos, escorias, etc., que no pueden ser controlados directamente, es efectivo recurrir al uso de los escudos de radiación. Estos consisten en placas de metal, o de otros materiales, interpuestas entre la fuente de calor radiante y los trabajadores, de forma tal que éstos “no vean” a la fuente radiante. Los escudos reducen la carga de calor radiante reflejando


la mayor proporción de la radiación incidente sobre ellos en direcciones que no cruzan la zona de trabajo, y reemitiendo a los trabajadores sólo la fracción de calor radiante absorbida. En la tabla 5 se indican los valores del coeficiente de reflexión y la emisividad (*) de los materiales usados comúnmente como escudos. Puede apreciarse que el aluminio es uno de los materiales más eficientes como escudo, ya que cuando está pulido (superficie brillante sin oxidar) refleja el 95% de la radiación incidente y sólo emite desde su otra superficie el 5% restante de la misma. Cuando la chapa está oxidada superficialmente estos valores son de 85 y 15% respectivamente [7].

Tabla 5. Coeficiente de reflexión y emisividad de materiales usados como escudos

Material y tipo de

superficie

Coeficiente de reflexión

(% reflejado de la radiación incidente)

Emisividad

(% absorbido y emitido de la radiación incidente)

Aluminio pulido (comercial)

95

5

Aluminio oxidado 85 15

Cobre pulido (comercial)

97

3

Cobre oxidado 43 57

Hierro galvanizado brillante

77

23

Hierro galvanizado oxidado

72

28

Mampostería 20 80

Pintura de aluminio limpia

65

35

Pintura de aluminio sucia

40

60

REFERENCIAS

1. Pocoví, R.E. Ventilación Industrial. Ed. Magna. U.N.Sa. Salta (Argentina), 1999. 2. Rao, C.S. Environmental Pollution Control Engineering. 1er. Ed., John Wiley and Sons, USA, 1999. 3. Committee on Industrial Ventilation American Conference of Governmental Industrial Hygienists.

Industrial Ventilation (A Manual of Recommended Practice). 19 th Edition, Section 4. USA, 1986. 4. Perry, J.H. Chemical Engineer’s Handbook. 4th. Ed. Mc Graw Hill Co, USA, 1963. 5. Mc Cabe, W.L. and Smith, J.C. Unit operations of Chemical Engineering, 2nd.Ed. Mc Graw Hill Co.,

USA, 1967. 6. Pocoví, R.E.; Villaflor, G. and Flores, J.E. Minimum Transport Velocities of Mineral and Metallic

Dusts in Exhaust Systems. Ventilation`97, 5th International Symposium on Ventilation for Contaminant Control. Pag. 111-120. Ottawa (Canada), September 14-17, 1997.

(*) Admitiendo que estos materiales se comportan como cuerpos grises, la emisividad es igual al coeficiente de absorción.


VENTILACION INDUSTRIAL (continuación)

8 FLUJO DE AIRE EN LOS CONDUCTOS DE VENTILACION LOCALIZADA

Los cálculos requeridos para resolver los problemas que se presentan al estudiar los sistemas de ventilación localizada se basan en la aplicación de balances de materia y de energía mecánica para la masa de aire que se mueve dentro de los conductos de ventilación. Al aplicar estos balances se considera que el sistema trabaja en estado estacionario, en condiciones isotérmicas y que el aire se comporta como un fluido incompresible. Con respecto a esta última suposición aunque los gases son fluidos compresibles [ρ = f (t, P)], las condiciones de operación existentes en los sistemas de ventilación localizada, en los que la caída de presión del aire es muy baja con la presión de entrada del sistema (presión atmosférica), hacen que sin cometer error apreciable el aire se pueda considerar como un fluido compresible [1, 4]. Esto simplifica notablemente los cálculos requeridos para el diseño de estos sistemas.

Sea el conducto representado en la Figura 15, correspondiente a un sistema de ventilación localizada.

Nivel dereferencia

PP

VV

Z

Z

1 2

1

2

1

2

1

2

2

1u2u 1

Figura 15. Flujo de un fluido en un conducto cerrado

Se considera dos secciones transversales 1-1 y 2-2 elegidas arbitrariamente. En cada una de ellas es:

u(*): velocidad media de flujo, m/s

P: presión del fluido, 2m/kg

ρ: densidad del fluido, kg / m3 (ρ = 1/ V)

v: volumen específico del fluido, m3/ kg

z: altura con respecto a un nivel de referencia, m

Q: caudal del fluido, m3/s

W: flujo másico del fluido, kg/s

A: sección transversal del conducto, m2

El balance de materia entre las secciones 1-1 y 2-2 consideradas es:

W1 = W2 = W = cte (42)

(*) Se omite usar el símbolo u para representar la velocidad media de flujo para simplificar la notación.


Como el flujo másico del fluido puede expresarse como: W = Q ρ, siendo ρ = cte (fluido incompresible) el balance anterior puede escribirse como:

Q1 = Q2 = Q = cte (43)

A su vez, por definición de velocidad media de flujo en una sección transversal dada es: Q = A u, la ecuación (43) puede expresarse como:

(m2211 u Au A = 3/s) (43’)

El balance de energía mecánica entre 1-1 y 2-2, dado en energía por unidad de masa de aire, es:

FP

zgg

2gvP

zgg

2gv 2

2cc

221

1cc

21 +++=++

ρρ (44)

donde F es la pérdida de energía mecánica por fricción, comúnmente denominada pérdida de carga. En la

ecuación anterior se omite utilizar el factor de corrección de la energía cinética (c

2

g 2u

α ) considerando que

es α = 1, debido a que en los sistemas de ventilación el flujo es altamente turbulento [1, 5].

Por otra parte recordar que gc es una constante dimensional igual a la aceleración de la gravedad, gc =

9,81 . 2skgm/ kg→

En ventilación, como en casi todos los casos en que el balance se utiliza para estudiar el flujo de gases a baja presión, el término de energía potencial (g/gc ∆z) es despreciable frente a los otros términos del mismo. De manera que para el estudio de los problemas de ventilación puede admitirse, sin cometer error apreciable, que el balance dado por la ecuación (44) se reduce a:

0FggP

2guP

2gu c2

221

21 =++=+

ρρ ( ) (45) m/kgkg

→

Si la ecuación (45) se multiplica por la relación g

gc queda expresada en m de columna de aire:

0FggP

2guP

2gu c2

21

21 =++=+

γγ (m de aire) (46)

en la cual

=

→

3c m

kg gg ργ es el peso específico del aire, numéricamente igual a su densidad. La ecuación (46)

puede escribirse simplificadamente en la siguiente notación:

hv1 + hp1 = hv2 + hp2 + hF (m de aire) (47)

siendo:

g2uh

2v = : presión de velocidad, o carga de velocidad, pues representa una presión, medida en metros

de aire, proporcional a la energía de velocidad (energía cinética) de la unidad de masa de aire.


γPh p = : presión estática, o carga de presión estática del aire, medida en metros.

Fg

gh c

F = : pérdida de carga, o pérdida de presión, medida en metros de aire.

Volviendo a la ecuación (47) la suma de los términos de presión de velocidad y de presión estática se denomina presión total, o carga total, hT, del aire:

hT = hv + hp (m de aire) (48)

Es decir que en forma simplificada la ecuación (III-39) puede escribirse como sigue:

hT1 = hT2 + hF (m de aire) (49)

Como las diferentes presiones de una instalación de ventilación se miden generalmente con manómetros diferenciales calibrados en milímetros de agua (o en pulgadas de agua) (*), resulta cómodo en la práctica expresar el balance de energía mecánica en función de alturas de columnas de agua. Si por h se representa la altura de una columna de aire de densidad ρ, la altura de una columna equivalente de agua, H, de densidad ρw, de acuerdo a las leyes de la hidrostática es:

h ρ = H ρw ∴ w

h = Hρρ (50)

De manera que las ecuaciones (20) y (49) expresadas en m de columnas de agua, son:

wF

wp

wv

wp

wv h h h = h+ h

2211 ρρ

ρρ

ρρ

ρρ

ρρ

++ (m de agua) (51)

y:

wF

wT

wT h h = h

21 ρρ

ρρ

ρρ

+ (m de agua) (52)

o bien:

Hv1 + Hp1 = Hv2 + Hp2 + HF (m de agua)

y:

HT1 = HT2 + HF (m de agua)

En las aplicaciones prácticas de ventilación los distintos términos de las ecuaciones anteriores se miden en milímetros de agua. En tal caso es:

wv

3v h10 = H

ρρ

: presión de velocidad o carga de velocidad del aire, mm de agua. (53)

wP

3p h10 = H

ρρ

: presión estática o carga de presión estática del aire, mm de agua. (27)

wF

3F h10 = H

ρρ

: pérdida de carga o pérdida de presión del aire, mm de agua. (28)

(*) Se utilizan manómetros en U, una de cuyas ramas está abierta a la atmósfera. En tal caso mide la presión manométrica o presión

relativa


8-1 Cálculo de la presión de velocidad

En las aplicaciones prácticas de ventilación es muy frecuente tener que calcular la presión de velocidad correspondiente al aire transportado en un conducto a partir de la velocidad media de flujo, u, requerida en el mismo. Esto se hace fácilmente a partir de la (53) reemplazando hv por su valor dado en (20):

w

23

v 2gu10= H

ρρ (mm H2O) (29)

En las condiciones estándar de ventilación, 21°C (70°F) y 1 atm., las densidades del aire y del agua son ρ = 1,20 kg/m3 ρw = 998 kg/m3. De manera que para tales condiciones, reemplazando los valores de ρ y ρw en la (29) y siendo g 0 9,81 m/s, queda:

Hv = 0,0612 (mm H2u 2O) (30)

que da el valor de Hv en mm de agua estando u dada en m/s.

8-2 Cálculo de la pérdida de carga

Al igual que en todos los sistemas de transporte de fluidos, se deben considerar la pérdida de carga correspondiente a los tramos rectos de conducto y la pérdida de carga correspondiente a codos, válvulas y demás accesorios.

8-2-1 Pérdida de carga en conductos rectos

En régimen turbulento la pérdida de energía mecánica por fricción puede ser calculada por medio de la conocida ecuación de Fanning, que da este valor en función de un coeficiente adimensional conocido como factor de fricción, de la relación longitud/diámetro del conducto y de la energía cinética del fluido(∗):

=

→m/kg kg

D g u L f 2 F

c

2s (31)

siendo:

f: factor de fricción, adimensional

L: longitud del tramo de conducto considerado, m

u: velocidad media de flujo, m/s

D: diámetro del conducto, m

gc: 9,81 kg m/ s→kg 2

Expresando Fs en m de columna de aire es:

sc

Fs F g

g h =

(∗) El subíndice s indica que la pérdida de carga se refiere a conductos rectos “skin friction”.


o sea:

aire) de (m D g

u L f 2 h2

Fs = (32)

O bien, para darlo en mm de agua se debe multiplicar por wρρ y por 103:

agua) de (mm 10 D g

u L f 2 3

w

2Fs ρ

ρH = (33)

Para facilitar el cálculo de , el método de la presión de velocidad (que se usa para accesorios y se explica más adelante) se extiende a la determinación de la pérdida de carga en conductos rectos.

FsH

En efecto, la ecuación (33) puede escribirse como sigue:

3

W

2 Fs 10

2gu

DL f 4 = H

ρρ (34)

Introduciendo en esta la presión de velocidad, dada por la ecuación (29) queda:

vFs H D

L f 4H = (mm H2O) (35)

o sea que es:

D

L f 4HH

v

Fs = (adim) (36)

La relación adimensional v

Fs

HH

da el valor relativo de la pérdida de carga por fricción en un conducto

recto con respecto a la presión de velocidad del aire que circula por el mismo. Dicha relación puede referirse a la unidad de longitud de conducto:

vvFs n

Df 4 =

LHH

= (m-1) (37)

donde D4fn v = , se denomina número de presión de velocidad, y representa el valor relativo de la pérdida

de carga (con referencia a Hv) correspondiente a 1 m de conducto recto.

Se ve fácilmente que para un conducto dado, D = cte, sería nv = cte si lo fuera el factor de fricción. Pero esto último no es cierto, ya que se vió que f = f (Re), aunque para altos valores del Re, la variación de f con el Re es muy suave. Esto significa que para un conducto dado el factor de fricción dependerá de la velocidad media de flujo y el número de presión de velocidad es función de la velocidad media de flujo

. Esta relación está dada en la bibliografía [1, 3]´en forma de gráficos n( )uf n v = v vs u para conductos de distintos diámetros. Determinado nv mediante tales gráficos, y ya calculada la presión de velocidad correspondiente al flujo de aire en el conducto, el cálculo de la pérdida de carga total para la longitud L del mismo es directo a partir de la ecuación (37):

HFs = nv Hv L (mm H2 O) (38)


8-2-2 Pérdida de carga en accesorios

Las pérdidas de energía mecánica que se producen en codos, contracciones, ensanchamientos, válvulas y otros tipos de accesorios son determinadas por el método de la presión de velocidad. Este se basa en que las pérdidas de carga por fricción de forma, Ff , (por cambios de velocidad) que tienen lugar en válvulas y accesorios son proporcionales a la energía cinética del aire. Es decir:

c

2if g2

u K = F ( (39) m/kg)kg→

donde Ki es una constante de proporcionalidad adimensional. O bien, expresando la pérdida de carga por fricción de forma como altura de columna de agua, HFf, es:

)OH mm ( 102gu KH 2

3

W

2iFf ρ

ρ= (40)

o sea:

HFf = Ki Hv (mm H2O) (41)

Los valores de Ki para codos, uniones de ramales, válvulas, etc. se encuentran en la bibliografía [1,3].

9 INSTALACIONES DE VENTILACIÓN LOCALIZADA

Ya se estableció que la ventilación localizada consiste en la captura del aire contaminado en, o muy cerca, de la fuente de generación evitando que éste tenga la oportunidad de dispersarse en el aire del ambiente de trabajo. Esta captura se hace por medio del uso de campanas de aspiración, las que se encuentran conectadas por medio de conductos adecuados a la succión de un ventilador centrífugo, el que provoca un ligero vacío en la campana determinante de la aspiración del aire contaminado.

En la Figura 16 se indica un esquema de una instalación de ventilación localizada, en el que se señalan las partes principales de la misma. Ellas son: 1- Equipo productor del contaminante o fuente de generación.

2- Campana de aspiración del aire contaminado.

3- Conducto de aspiración del aire contaminado (ramal principal de la instalación).

4- Conducto de aspiración secundario , proveniente de otra campana (no dibujada).

5- Unión de dos conductos (entrada del ramal secundario en el ramal principal), con ensanche de la sección de flujo del conducto principal.

6- Equipo separador del contaminante, o equipo de limpieza del aire (En la Figura se indica un ciclón separador de polvo).

7- Conducto de entrada a la succión del ventilador.

8- Ventilador centrífugo de aspiración, que debe producir en las campanas la depresión requerida para una eficiente captación del aire contaminado.

9- Motor eléctrico del ventilador.

10- Chimenea de descarga del aire aspirado a la atmósfera, es decir, al ambiente externo del recinto industrial.

11- Sombrerete, u otro dispositivo de protección contra lluvias.


Figura 16. Esquema de una instalación de ventilación localizada

Puede apreciarse que un ventilador puede ser utilizado para producir el efecto de aspiración en más de una campana, uniendo en forma adecuada los conductos de aspiración de las mismas. En las instalaciones más complejas pueden existir varios ramales secundarios, unidos al ramal principal, y terciarios, unidos a ramales secundarios. Esto se indica esquemáticamente en la Figura 17. Estas instalaciones complejas no se tratarán en este texto.

Ramal Principal

Chimenea

Vent.

Sep.

Ramales secundarios

Ramales terciarios

1

2

3 5

6

78 9

10

Techo

Polvo(Contaminante)

11

4

Figura 17. Instalación de ventilación localizada compleja.

Las instalaciones de ventilación localizada deben captar eficazmente el contaminante en la zona de generación. Para cumplir con este requisito es necesario recordar cuáles son las características de un flujo de aire que es soplado o aspirado por el extremo de un conducto. Esto se esquematiza en la Figura 18, en la que el ventilador V, accionado por el motor M, aspira aire desde el extremo del conducto A y lo sopla por la abertura de otro conducto B de igual diámetro que el anterior.

Cuando el aire es soplado desde una pequeña abertura se origina un flujo que retiene su efecto direccional durante una distancia considerable, medida desde el plano de la abertura. El soplado origina un


chorro de aire cuyo eje geométrico coincide con el del tubo que lo sopla, y cuya sección transversal va aumentando progresivamente con la coordenada X, por lo tanto, va perdiendo velocidad. Es así que puede comprobarse que aproximadamente, para una velocidad de flujo en el conducto de soplado (de diámetro D) igual a v0 = 20 m/s, normal en los sistemas de ventilación, a 30 diámetros del orificio de soplado, o sea para X = 30 D, el aire retiene alrededor de un 10% de dicha velocidad, es decir unos 2 m/s.

M

B

A

D

D

D

30 D

X

v = 2 m/s

SOPLADO

ASPIRACION

v0

v

v = Velocidad de entrada = Velocidad de salida = 20 m/s0

0

v = 2 m/s

V

Figura 18. Comparación del soplado y aspiración de aire.

En cambio, con el orificio de aspiración puede comprobarse que el flujo de aire es casi no direccional y que su zona de influencia se reduce grandemente: a un diámetro del orificio de aspiración, X = D, la velocidad de aire hacia el mismo se reduce aproximadamente al 10% de la correspondiente al conducto de aspiración. Es por esta razón que las campanas de aspiración utilizadas en las instalaciones de ventilación localizada, deben estar ubicadas muy cerca de la zona en que se produce la contaminación.

9-1 Campanas de Aspiración

Al estudiar un problema de ventilación localizada es fundamental desarrollar un diseño correcto de la/s

campana/s, para que el sistema de ventilación controle en forma adecuada la contaminación del ambiente industrial. Esto puede lograrse por dos mecanismos: 1. Creando un flujo de aire hacia la campana que permita una captura efectiva del contaminante y su

transporte hacia el interior de la campana (un ejemplo sería una campana de ranuras en el borde de un tanque).

2. Cerrando por medio de la campana, total o parcialmente, el proceso o punto de generación del contaminante (un ejemplo podría corresponder a una campana de laboratorio, que en realidad combina ambos mecanismos).

Las campanas que trabajan en base al primer mecanismo se suelen denominar campanas exteriores, en el sentido que si bien la campana es adyacente al punto de generación, el mismo se encuentra afuera de la campana.

Las campanas que operan según el segundo mecanismo se denominan campanas de cerramiento, aunque siempre este tipo de campanas combina ambos mecanismos de captura.


9-1-1 Tipos de campanas exteriores

Existen numerosos tipos de campanas que funcionan según este principio [1,3]. Solamente se mencionarán aquellas dos más simples.

a- Extremos de conductos de aspiración

La campana de construcción más simple se consigue colocando el extremo del conducto de aspiración del sistema de ventilación, lo más cerca posible del punto o de la zona en que se produce la generación del contaminante que se desea captar, tal como se indica en la Figura 19.

Aire no contaminado

Extremo del conducto

Punto de generación

Aire

A BA

B

α

α’

Figura 19. Extremos de conductos de aspiración ("Plain duct end").

La desventaja de esta disposición tan simple, y evidentemente la más barata desde el punto de vista constructivo, es que la pérdida de carga del aire al entrar al conducto es muy grande debido al brusco estrechamiento de la sección de flujo, lo que origina un fenómeno de vena contracta. Otro problema que se presenta, es que el extremo del conducto no sólo aspira aire proveniente de la zona de contaminación, sino también de zonas no contaminadas, como lo es el que se encuentra en la parte posterior del plano correspondiente a la superficie de entrada al conducto (a la derecha del plano de traza α-α´ en la figura). Esto origina un aumento innecesario en el caudal de aire aspirado, lo que finalmente se traduce en un aumento de la potencia consumida por el ventilador de la instalación de ventilación y, por lo tanto, del costo operativo de la misma.

Además, otro inconveniente es que, generalmente es difícil evitar que parte del contaminante generado escape del control de la campana. Esto es debido a que la zona de generación del contaminante es totalmente abierta (campana exterior), con lo que la aspiración de la campana puede ser fácilmente perturbada por la presencia de corrientes de aire transversales.

Para eliminar o minimizar el segundo problema mencionado, esto es la aspiración de aire no contaminado desde atrás del orificio de captación, se puede colocar alrededor del borde del conducto una pantalla lateral, es decir una brida, tal como se muestra en al Figura 20. Esta disposición reduce en aproximadamente un 25% el consumo de aire.

brida

Punto de generación

Aire

Figura 20. Extremo de conducto de aspiración con brida (“Flanged duct end”).


A

B

C

B

L

A B

b-Campanas ahusadas

Para reducir al máximo posible la pérdida de carga originada por la entrada del aire al conducto de aspiración, se recurre al empleo de campanas ahusadas, es decir con la forma clásica de las campanas de aspiración. Ellas pueden ser cónicas o piramidales: cónicas cuando la sección transversal es circular, y piramidales cuando dicha sección es cuadrada o rectangular, tal como se representa en la Figura 21.

Figura 21. Campanas ahusadas (“tapered hoods”). A: Cónica, B: Cuadrada, C: Rectangular.

Con este diseño el aire entra al conducto de aspiración por medio de un dispositivo suavemente convergente, eliminándose la contracción brusca de la sección de flujo característica de los diseños anteriores, minimizándose entonces el efecto de vena contracta y, por lo tanto, la pérdida de carga de entrada.

En forma similar al caso del extremo de conductos, se puede recurrir al uso de campanas con bridas, con la finalidad de disminuir la aspiración inútil de aire no contaminado proveniente de la parte posterior de la campana, tal como se indica en la Figura 22 para una campana circular y otra rectangular o cuadrada.

Figura 22. Campanas ahusadas con bridas. A: Cónicas, B: Rectangular o Cuadrada.

En este tipo de campanas cónicas o piramidales es importante la correcta elección del ángulo θ incluido por sus caras, ya que la pérdida de carga que sufre el aire en la campana es función del valor de dicho ángulo (normalmente se diseñan con θ = 90°).


D

PDc

X

v

9-1-2 Caudal de aire aspirado por extremos de conductos y campanas ahusadas

Bajo el efecto de succión producido por el ventilador de la instalación, el aire se mueve desde todos

los puntos situados en la cercanía hacia la abertura de la campana

En el caso del extremo de un conducto simple (sin brida) las líneas de flujo, o líneas de corriente, tienen el aspecto que se muestra en la Figura 23 [1,3], donde se representan las trayectorias que sigue el aire al moverse hacia la boca de la campana, cuando dicho movimiento no es perturbado por la presencia de ninguna corriente transversal originada por causas externas (máquinas, vehículos, tiraje en el edificio, etc.). También se dibujan las trazas correspondientes a las superficies de velocidad constante, las que son perpendiculares a las líneas de flujo.

Figura 23. Líneas de v = cte. y líneas de flujo para una abertura circular (extremo de un conducto).

A: Abertura simple. B: Abertura con brida

La ecuación de flujo, es decir la relación existente entre el caudal aspirado, la velocidad de aspiración producida por la campana en un punto determinado, y la distancia existente entre dicho punto y la boca de la campana, siendo el punto axial (ver Figura 24), es la siguiente:

100

100%

100%

60 %

60 %

30 %

30 %

15 %

15 %

7,5

%

7,5

%

50 0 X*

D

V* V*

X* A B

100 50 0

D D

Brida

b

Figura 24. Flujo de aire hacia una campana ahusada


Q = u (10 X2 + A) (42) Siendo : u : velocidad del aire en un cierto punto P situado sobre el eje geométrico del conducto, m/s X: distancia desde el punto a la boca de entrada, m Q: caudal de aspirado, m3/s A: área de la abertura (boca de entrada) de la campana, m2 Dc: diámetro de la abertura de la campana en el caso de campanas o conductos circulares, o lado en el caso de campanas cuadradas (Dc = L), m

Para campanas circulares es A = π Dc2/4 y para campanas cuadradas es A = Dc

2.

La misma ecuación (42) es aplicable con pequeño error a campanas rectangulares siempre que sean casi cuadradas y también a extremos de conductos.

La ecuación (42) es conocida como ecuación de Dalla Valle, y según ella, puede apreciarse que v varía inversamente con el cuadrado de la distancia X a la campana, lo que significa una rápida disminución de v cuando aumenta el valor de X, conclusión que concuerda con la distribución de las líneas de v = cte. representada en la Figura 14. La ecuación de Dalla Valle es bastante exacta para distancias X≤ Dc . Para valores X > D la velocidad disminuye menos rápidamente con la distancia que lo que ella indica.

La presencia de una brida en el extremo del conducto de aspiración reduce el flujo de aire requerido para el correcto funcionamiento de la campana en aproximadamente un 25%. Es decir que para el caso de aberturas embridadas, la ecuación (42) se modifica de la siguiente manera:

Q = 0,75 u (10 X2 + A) (43)

Para otros tipos de campanas abiertas (ranuras, campanas dosel, campanas cabina, etc.) se aplican otras ecuaciones de flujo dadas en la bibliografía especializada [1,3].

8-1-3 Tipos de campanas cerradas

Cuando el espacio de contaminación es abierto, se presenta un problema ya mencionado repetidamente: la aspiración del aire contaminado puede ser perturbada por la existencia de corrientes transversales de aire en el ambiente industrial. Debido a ésto, el diseño correcto de las campanas de ventilación tiende, cuando ello es posible por las características del proceso a controlar, a cerrar la zona en que se produce el agente contaminante. Cuanto más completo sea este cerramiento, más económica y efectiva será la instalación de ventilación.

Para ver los distintos diseños de campanas para muchas operaciones específicas industriales y de laboratorio, incluyendo campanas para materiales de alta toxicidad y radioactivos, se recomienda consultar el Industrial Ventilation Manual (ACGHI) que presenta 116 casos diferentes[3].

A modo de ejemplos de campanas cerradas, en las Figuras 17 a 18 se representan dos tipos de ellas, correspondientes a zarandas vibratorias y discos de abrasión.


Aire

Tolva

Alimentación

Unión flexible

Tapa

Tamiz

Caja de la zaranda

Producto grueso

Producto fino

D

45º min.

c

Figura 25. Zaranda vibratoria Q = 5,7 m3/min por cada pie2 de abertura de la campana, pero no menor que 1,4 m3/min por cada pie2 del área del tamiz. Velocidad en el conducto de aspiración = 18 m/s (min). Abertura de la campana: circular = π Dc2/4; cuadrada = Dc2


D

b

Disco de esmerilar

0,25 D

Dirección de rotaciónPlaca ajustable, tancerca del disco comosea posible.

1´´ de luz

45º

0,75 D

0,25 D D

Q

Veloc. mínima en conducto:

23,0 m/s p/esmerilado grueso.18,0 m/s p/esmerilado fino.

-

Caudales recomendados, Q (m3/min)

Diámetro del

disco (D), pulg.

Ancho del

disco (b), pulg.

Buen

cerramiento (*)

Cerramiento

pobre

<5

1

6,2

7,3

5 a 10

1,5

7,4

8,5

10 a 14

2

8,5

14,2

14 a 16

2

11,0

17,3

16 a 20

3

14,2

21,0

20 a 24

4

17,3

24,9

24 a 30

5

24,9

34,0 (*) No más del 25% del disco descubierto

Figura 26. Disco esmerilador (Velocidad periférica < 33 m/s)


8-2 Velocidad de Captura

Para el diseño de las campanas de aspiración es importante el concepto de velocidad de captura, que se define como sigue: Es la velocidad mínima que el efecto de succión de una campana debe producir en un punto situado frente a la abertura de la misma, necesaria para vencer, en dicho punto, a todos los efectos dispersantes que dificultan que el aire contaminado sea captado por la campana.

Sea por ejemplo la campana representada en la Figura 32. En un cierto punto P situado frente a su abertura, el efecto de aspiración de la campana originará en el aire un movimiento hacia la misma, caracterizado por una cierta velocidad. Se sabe, según lo ya explicado en puntos anteriores que u = f (X), siendo f (X) una función que, para el tipo de campana dibujada, puede ser obtenida fácilmente a partir de la ecuación (42):

AX 10

Q =u 2 +

(44)

La velocidad de captura, u = uc , es el valor mínimo que puede tomar u para asegurar que el aire y el contaminante situados en P sean capturados por la campana, a pesar de la existencia de corrientes de aire opuestas a la captura (por ejemplo tirajes transversales en el ambiente industrial), o bien de movimientos propios del contaminante (cuando éste es particulado) debidos a su energía de formación.

De acuerdo a la distribución de velocidades mostrada en la Figura 31, los puntos a los que corresponden una velocidad igual a la de captura (uc), estarán situados sobre una superficie de uc = cte. que limitará la zona de influencia de la campana, llamada zona de captación. En todos los puntos situados dentro de la zona de captación, el aire tiene velocidades u > uc , lo que asegura su captación por la campana.

De acuerdo con todo lo establecido en este punto, la campana y la instalación de ventilación deben diseñarse en forma tal que el punto o zona en que se genera el contaminante quede dentro de la zona de captación. Si G es el punto de generación del contaminante (Figura 27), para que la velocidad del aire aspirado en dicho punto sea igual a uc , de acuerdo a la ecuación 42, debe ser (en el límite en que u = uc):

Q = uc (10 Xc2 + A) (45)

donde es:

uc: velocidad de captura, requerida en el punto G, m/s Xc: distancia desde el punto de generación a la boca de entrada, m A: área de la abertura (boca de entrada) de la campana, m2 Q: caudal de aire que debe ser aspirado para captar adecuadamente el contaminante, m3/s

vG

X

c

c

Figura 27. Velocidad de captura en el punto de generación

Para aplicar esta ecuación para el cálculo del caudal de aire requerido es necesario conocer Xc, es decir a que distancia se podrá colocar la campana del punto de generación del contaminante, siendo conveniente que esta variable tenga el mínimo valor posible, ya que el consumo de aire Q, aumenta con el cuadrado de


Xc. Además se debe conocer o adoptar el valor de A, que está generalmente determinado por el tipo de proceso o equipo para el que debe diseñarse la instalación.

En la bibliografía especializada [1,3] se dan datos sobre las velocidades de captura recomendadas para las distintas condiciones de dispersión del contaminante.

8-3 Caída de presión en campanas de aspiración

Desde el punto de vista de la pérdida de carga que sufre el aire al entrar en una campana de aspiración, éstas pueden dividirse en simples y compuestas, según que la pérdida de carga pueda considerarse producida por un solo efecto, o que la misma pueda dividirse en dos o más pérdidas parciales en serie. Sólo se estudiarán las campanas simples.

La caída de presión en la campana puede medirse colocando un manómetro en U inmediatamente después de la misma, con una de sus ramas abierta a la atmósfera (Figura 28).

vv

PP d

Aire

1

21

2

2

21

hPH∆

Figura 28. Medida de la caída de presión en una campana

hPH∆ : Caída de presión en una campana (mm de H2O). Se considera > 0 hPH∆

Se hace notar que medida con respecto a la presión atmosférica (Patm), es decir la presión relativa o manométrica, la presión en el cuello de la campana (sección 2-2), HPh, es negativa.

HPh = Patm - = 0 - = - hPH∆

hPH∆hPH∆

O sea HPh < 0 (mm H2O)

Esta es la depresión que produce el efecto de aspiración de la campana.

Es fácil demostrar aplicando un balance de energía mecánica entre un punto A, en el que pueda considerarse que la velocidad del aire es nula y la sección 2-2 que es [1]:

hPH∆ = Hv + Hc (46) donde Hv corresponde a la caída de presión originada por la aceleración del aire (al pasar de u1= 0) en el punto 1 a v en 2-2) y Hc es la caída de presión originada por turbulencia. Esta pérdida de carga por turbulencia puede calcularse admitiendo que es que es proporcional a la presión de velocidad del aire en el conducto, es decir:

Hc = Ke Hv (47)

Siendo Ke una constante llamada factor de pérdida de carga de la campana, cuyo valor depende del tipo de campana [1,3]. En la bibliografía se dan valores de Ke para los distintos tipos de campanas. En el caso de campanas ahusadas Ke es función del ángulo α incluido.


Reemplazando (47) en (46) queda:

hPH∆ = Hv + Ke Hv = Hv (1 + Ke) (mm H2O) (48)

8-4 Velocidad de diseño y velocidad mínima de transporte

Según se explicó en el punto 8-1, el primer paso a seguir en el diseño de un sistema de ventilación localizada es determinar cuál es el caudal de aire que es necesario aspirar en la campana del sistema para asegurar la captura del contaminante.

Fijado el caudal de aire a aspirar en base a lo antes establecido, y adoptando un valor adecuado para la velocidad de flujo del aire en el conducto de aspiración del sistema, denominada velocidad de diseño del conducto, se puede calcular el área de la sección transversal requerida por el mismo, es decir, su diámetro tratándose de un conducto de sección circular:

d

2

uQ

4D =

π=A D (49)

siendo:

Q: caudal de aire aspirado, m3 /s

ud: velocidad de diseño del conducto, m/s

D: diámetro del conducto, m

A: sección de flujo del conducto, m2

El problema a resolver consiste en establecer cuál es el criterio que debe seguirse con el fin de llegar a adoptar un valor adecuado para ud. Esto depende principalmente de la naturaleza del contaminante, pudiendo distinguirse dos casos:

- Transporte de gases, vapores y humos.

- Transporte de polvos.

8-4-1 Transporte de gases, vapores y humos

En este caso existe libertad para elegir cualquier valor deseado para la velocidad del aire en el conducto. Ello es debido a que la impureza a eliminar es de naturaleza gaseosa (gases o vapores) y por lo tanto es totalmente miscible con el aire formando una fase gaseosa única; o bien se trata de suspensiones coloidales (humos) cuyas partículas no sedimentan por acción de la gravedad. De manera que en el caso considerado no se presentan los problemas de taponamientos que pueden originarse por la sedimentación de partículas sólidas en los conductos de aspiración. Si bien existe libertad para adoptar la velocidad de aire con que se diseñará el sistema de ventilación, normalmente es conveniente adoptar dicha velocidad dentro del rango correspondiente a la velocidad óptima económica:

ud = uopt

La velocidad óptima económica es la velocidad que, para un caudal dado de aire, hace mínimo el valor del costo anual total de la instalación de ventilación. Dicho costo está formado por la suma del costo anual de operación (correspondiente al consumo de energía) y del costo anual de inversión (correspondiente a las inversiones requeridas por el conducto y por la unidad motor-ventilador).

Usualmente se considera que la velocidad óptima económica se encuentra dentro del siguiente rango de velocidades [1]:

uopt = 5 a 6 m/s


8-4-2 Transporte de polvos

Para el caso de que el sistema de ventilación deba captar y transportar polvos, es decir partículas sólidas sedimentables, generalmente la velocidad del aire debe ser apreciablemente mayor que la velocidad óptima antes definida, ya que debe ser lo suficientemente alta como para evitar la sedimentación de las partículas sólidas transportadas por el aire, evitando así taponamientos en el conducto. Velocidad mínima de transporte

En los sistemas de ventilación por aspiración la velocidad mínima aceptable, vmin, se toma como igual a la velocidad de transporte por saltos [6]. Esta es la velocidad lineal del aire en el conducto por debajo de la cual las partículas comienzan a ser transportadas mediante una serie de saltos en el fondo del conducto. Esto se indica esquemáticamente en la Figura 29.

Aire

Figura 29. Transporte por saltos

Por debajo de esta velocidad comienza a tener lugar la sedimentación del polvo transportado. Normalmente, por razones de seguridad es conveniente que la velocidad de diseño usada para operar el sistema sea considerablemente mayor que umin, para proteger al mismo contra diferentes contingencias prácticas, tales como la existencia de material pegajoso o húmedo, efectos electrostáticos, etc.

La relación entre las dos velocidades puede ser escrita como:

ud = fs umin (50) siendo fs un factor de seguridad mayor que la unidad (fs > 1).Tomando fs = 2,5 a 3,5, los valores de ud que se obtienen se encuentran en el orden de los valores prácticos recomendados por el Industrial Ventilation Manual [3].

El valor umin se puede determinar experimentalmente en instalaciones de planta piloto, o bien utilizar la siguiente correlación empírica obtenida a partir de valores experimentales:

(51) (m/s) d 5,4 u 0,26p

0,37smin ρ=

La ecuación anterior no está expresada con unidades homogéneas, ya que da el valor de umin en m/s; dp: diámetro de partícula en mm; ρs: densidad del sólido en g/cm3 8-5 Accesorios del sistema de ventilación

Son los accesorios utilizados para cambiar la dirección de los conductos de las instalaciones de ventilación. Se los puede construir por secciones o bien estampados en una sola pieza, tal como se muestra en la Figura 30 para codos de 90° y 23 el diseño de la entrada a un ramal [1,3].


Codo de 5 piezas

R R

D D

Codo estampado (continuo)

Figura 30. Codos de 90°

311 3

2

2

QQ

1

1 3

2

3

2

2

13

V V

V

Q

Figura 31. Diseño de la entrada de un ramal a un conducto principal

En ambos casos, las caídas de presión correspondientes se calculan usando ecuaciones del tipo de la (41):

HFacc = Kacc. Hv

Para el caso de codos los valores de la constante Kacc. están dados [3] en función de la relación R/D.

Para el caso de entrada de un ramal secundario al conducto principal, la constante Kacc. es función del ángulo de entrada θ. Para el diseño de la instalación se supone que la caída de presión HFacc. ocurre en el ramal que entra en el conducto principal (esto corresponde a instalaciones complejas no incluidas en este estudio).

8-6 Equipos de limpieza

Son los equipos requeridos para la limpieza del aire aspirado, es decir lograr la separación del contaminante. Se usan distintos tipos de equipos que dependen fundamentalmente de la naturaleza del contamínate a separar: ciclones, filtros de tela, separadores electrostáticos o separadores húmedos ( de spray) tratándose de contaminantes particulados. En el caso de contaminantes gaseosos hay que recurrir al uso de torres de absorción o de adsorción.

En general estos equipos no se diseñan especificados para su compra a fabricantes especializados(*). Pero siempre hay que recordar que ellos forman parte de la línea de aspiración del sistema de ventilación, y por lo tanto es necesario tener en cuenta la caída de presión que se produce en los mismos al diseñar la (*) Una excepción de los antes expresado la constituyen los ciclones, que por su simplicidad pueden ser diseñados y construidos en la planta. El dimensionamiento de un ciclón se alta eficiencia (diseño de Lapple) y la caída de presión que produce se da en la bibliografía especializada [1]


instalación de ventilación ( la que debe ser suministrada por el fabricante). Esta caída de presión puede ser una fracción importante de la caída de presión total en la aspiración del ventilador, razón por la cual su omisión puede conducir a errores graves.

8-7 Ventilador

Para el movimiento del aire requerido para el funcionamiento del sistema de ventilación se utilizan ventiladores centrífugos radiales , capaces de producir en la línea de aspiración caídas de presión de hasta 1000-1200 mm de agua. Es necesario estimar la potencia que consumirá el ventilador, la que depende del caudal Q que debe hacer circular y de la presión total desarrollada ∆HT (cuyo cálculo se indicará en el punto 9).

En este punto, para completar lo desarrollado con referencia al diseño de lso conductos de aspiración se indicará como se conecta el ventilador con el conducto principal terminal de dicho sistema. La mejor forma de efectuar esta conexión es por medio de un conducto recto sin codos ni cambios en la sección transversal, tal como se indica en la Figura 32.

Entrada recta

Figura 32. Conexión preferida para la aspiración de un ventilador: Entrada recta 8-8 Conductos de descarga del sistema de ventilación

Las líneas de descarga de los sistemas de ventilación localizada son mucho más simples que la parte de aspiración.

La descarga del aire aspirado por el ventilador a la atmósfera, es decir al exterior del ambiente industrial, se hace por medio de conductos verticales denominados chimeneas de descarga o de salida del aire. El cálculo de la pérdida de presión que se produce en este conducto es similar al de la parte de aspiración del sistema de ventilación. La única diferencia es que en la chimenea, la presión del aire es positiva (medida como presión manométrica), es decir mayor que la presión atmosférica; mientras que en los conductos de aspiración dicha presión es negativa. Lógicamente este cambio es producido por la energía mecánica que el ventilador entrega al aire.

La pérdida de carga que se produce en el sistema de descarga de una instalación de ventilación está formada por la suma de los siguientes términos:

1- Pérdida de carga correspondiente a la entrada a la chimenea, la que dependerá del tipo de conexión existente entre la descarga del ventilador y la chimenea.


2- Pérdida de carga correspondiente al movimiento ascendente del aire en la chimenea (pérdida de carga por fricción en un conducto recto).

3- Pérdida de carga originada por el dispositivo de salida colocado en la parte superior de la chimenea, como protección para la lluvia.

8-8-1 Entrada a la chimenea

La unión entre la brida de descarga del ventilador y la chimenea puede hacerse de distintas formas, según se indica a continuación en las Figuras 25, 26 y 27:

1- La unión entre el ventilador y la chimenea puede ser directa, es decir que se coloca la chimenea directamente sobre la brida de descarga del ventilador, estando esta última colocada en el plano horizontal correspondiente a la base de la chimenea. Este diseño se indica en la Figura 33. En este caso la pérdida de carga en la entrada de la chimenea se considera nula

2- En la Figura 34 la conexión ventilador-chimenea se hace colocando un tramo de conducto de descarga horizontal, el que va unido en uno de sus extremos a la brida de descarga del ventilador y en el otro a la base de la chimenea por medio de un codo de 90°. Si es posible, el codo puede estar unido directamente a la descarga del ventilador suprimiendo el tramo horizontal. La pérdida de carga correspondiente a esta conexión se calcula en la forma ya vista para tramos rectos y codos.

3- En la Figura 35 el conducto de descarga del ventilador es inclinado y entra lateralmente a la chimenea. En este caso la pérdida de carga en la entrada a la chimenea depende del ángulo θ formado por los ejes geométricos del conducto de descarga y de la chimenea, valiendo aproximadamente 0,30 Hv para θ = 45° y 0,20 Hv para θ = 30°.

Chimenea

Entrada recta

Figura 33 Conexión directa ventilador-chimenea


D

R

Chimenea

Figura 34 Conexión ventilador-chimenea con codo de 90°

Chimenea

Placa dedrenaje

Drenaje dede lluvia

θ

Figura 35. Conexión ventilador-chimenea con entrada lateral inclinada 8-8-2 Chimenea

Se debe determinar su diámetro y su altura.

Diámetro: Es conveniente que la chimenea de una instalación de ventilación descargue el aire hacia arriba formando un chorro ascendente que alcance la mayor altura posible, con lo cual se disminuye la tendencia del aire contaminado a reentrar al edificio industrial. Este efecto de chorro es proporcional a la velocidad de salida del aire, estimándose que para conseguir una óptima dispersión vertical del contaminante es conveniente que dicha velocidad no sea inferior que 15 a 18 m/s [3].


Altura: En cuanto a la altura de la chimenea, cuanto mayor es ésta, comparada con la altura del edificio, menor es la tendencia del aire contaminado a reentrar al mismo. Existen modelos matemáticos para estimar la altura requerida por una chimenea en base a las características climáticas, geometría del edificio, etc, pero no se tratarán aquí.

Simplemente se darán las suguientes reglas prácticas (ver Figura 36):

H + Hch = 1,3 a 2,0 H (para edificios de 1 o 2 plantas)

o bien: Hch ≥ 3,0 m

siendo Hch la altura de la chimenea y H la del edificio.

H

H

Viento L

h

ch

c

c

Figura 36. Estimación de Hch

8-8-3 Dispositivos de descarga

El dispositivo de descarga para protección contra la lluvia más utilizado en nuestro país es el sombrerete, tal como el indicado esquemáticamente en la Figura 7.

Este dispositivo no es aconsejable debido a que produce un marcado efecto de deflección en el chorro de aire, es decir que tiende a desviar hacia abajo y los costados el flujo de aire descargado, impidiendo la formación de un chorro vertical ascendente. El mismo efecto de protección contra el agua se puede lograr colocando en la parte superior de la chimenea un cabezal de descarga vertical, que simplemente consiste en un trozo de conducto vertical de mayor diámetro que la chimenea, que va solapado y soportado por ésta, quedando una luz entre la chimenea y el citado conducto, por la que puede escurrir el agua de lluvia hacia afuera. Un cabezal de este tipo, con sus dimensiones principales, se muestra en la Figura 37 [3]. En este tipo de cabezal la pérdida de carga se puede considerar nula.

D

6" mín.

4 DD+1''

Figura 37. Cabezal de descarga vertical


9 DISEÑO DE INSTALACIONES DE VENTILACION LOCALIZADA SIMPLES

La secuencia de pasos a seguir, para el diseño de instalaciones de ventilación localizada simples, tal como la indicada en la Figura 38, es la siguiente:

Conductode descarga(Chimenea)

Campana de aspiración

Conducto de aspiración

Eq. de limpiezadel aire

Ventilador

HH

PdPs

Figura 38. Sistema de ventilación simple

1- Seleccionar y dimensionar el tipo de campana de aspiración más adecuado para resolver el problema de captación en estudio y calcular el caudal de aire requerido. Para esto existen dos alternativas:

- En el caso de campanas abiertas, partiendo de la velocidad de captura adoptada, de la distancia existente entre el punto de generación de impurezas y la boca de la campana, y de las dimensiones requeridas por la campana para cubrir adecuadamente la zona de generación, calcular el caudal de aire que se necesita aspirar para lograr una buena captación del aire contaminado, aplicando la ecuación de flujo correspondiente al tipo de campana adoptado (punto 8-1-2).

- En el caso de campanas cerradas recurrir a los datos prácticos mencionados en el punto 8-1-3 para la estimación del caudal de aire requerido.

2. Adoptar la velocidad de diseño, ud con que el conducto de aspiración del sistema va a ser dimensionado (ver puntos 8-4-1 y 8-4-2).

ud = fs umin, fs = 2,5 a 3,5

3. A partir del caudal de aire requerido, Q, y de la velocidad de diseño adoptada, calcular el diámetro del conducto de aspiración:

D 4D

uQ

(m/s) diseño de Velocidad)s/(m aire de Caudal A

2

d

3→

π===

4- Calcular la presión de velocidad del aire en el conducto de aspiración. Para aire en condiciones estándar de ventilación (o cercanas a ellas) este valor está dado por la ecuación (30):

Hv = 0,0612 ud

2 (mm H2O)

en la que ud es la velocidad de diseño (m/s).

5- Calcular la caída de presión estática que sufre el aire en la campana de aspiración. Esto se hace aplicando la ecuación (48) para el caso de campanas simples estudiado: ∆ (mm HvevP HK H H

h+= 2O)

siendo:

: Caída de presión en la campana 0HhP >∆

Ke : factor de pérdida de carga por turbulencia de la campana.


6- Calcular la pérdida de carga, HFasp., correspondiente al conducto de aspiración (tramos rectos + accesorios) usando el método de la presión de velocidad ya explicado(ecuación 38 para los tramos rectos y 41 para cada uno de los accesorios). Es:

(mm Hv

n

1vvvF H K L H n H

iasp ∑+= 2O)

donde es:

L: longitud total del conducto de aspiración, m (*) nv: número de presión de velocidad, m-1.

ivK : factores de pérdida de carga de los distintos accesorios (1,2,.....n)

7- Calcular, o solicitar la información al fabricante del equipo de limpieza de aire a colocar antes del ventilador, la caída de presión que se produce en el mismo, . Para facilitar la notación se toma este valor como positivo:

limp. eq.Hp∆

limp. eq..pH∆ > 0 (mm H2O)

Por ejemplo para un ciclón: ∆HPc = 0,38 ρ vc2 siendo vc la velocidad del aire en el ciclón.

8- Calcular la presión estática del aire, , en la brida de aspiración (o brida de succión) del ventilador de la instalación. Esta será:

sPH

SPH sistema del aspiración de

sección laen presión de Caídas

atm.)(Presión n ventilació de sistema al entrada dePresión

=

−

HPs : presión estática del aire en la brida de aspiración, mm H2O.

O sea:

Patm - [ ∆ Hph + HFasp + ∆Hpeq.limp.] = HPs

Trabajando con presiones manométricas (relativas a la presión atmosférica), es Patm = 0 (presión de referencia), siendo entonces:

HPs = - [∆ Hph + HFasp + ∆Hpeq.limp ] (mm H2O)

Como todos los términos del corchete son positivos, evidentemente es HPs < 0. Es decir que la parte de succión del sistema trabaja en una presión menor que la atmosférica.

9- Adoptar un valor para la velocidad de flujo del aire en la chimenea de descarga, uch, siguiendo el criterio indicado en el punto 8-8-2

10- En base al valor de uch adoptado calcular el diámetro de la chimenea, Dch, y la presión de velocidad del aire en ésta ( :

chvH )

D4

D uQ

(m/s) flujo de Velocidad/s)(m aire de CaudalA ch

ch2

ch

3ch →

π===

2chv u 0,0612H

ch=

(mm H2O)

(*) Esto supone que el diámetro del conducto de aspiración es constante en toda su extensión. De lo contrario habría que calcular por

separado el HFasp de cada tramo y luego sumarlos.


11- Adoptar o calcular un valor adecuado para la altura (largo) de la chimenea, Hch, siguiendo alguno de los criterios dados en el punto V-8-8-2. Seleccionar correctamente el tipo de dispositivo de descarga (protección contra la lluvia) a colocar (punto X-8-8-3). Si se usa un cabezal adecuado su pérdida de carga se puede suponer nula.

12- Seleccionar el tipo de conexión ventilador-chimenea a utilizar: directa, inclinada o con codo de 90°.

13- Calcular la presión estática del aire, Hpd, en la brida de descarga del ventilador. Será:

atmd p sistema del descarga

laen presión de caída - Hp =

O bien trabajando con presiones relativas (Patm = 0), queda:

(mmHchvvFd HHn H Hpchconex.

+= 2O)

H : pérdida de carga en la conexión ventilador-chimenea, que depende del tipo de conexión utilizada (ver punto 2), mm H

conexF

2O

H : pérdida de carga total en la sección de descarga del sistema, mm HdescF 2O

Como todos los términos del 2do. miembro son positivos, resulta Hpd > 0. Es decir que la parte de descarga del sistema trabaja con una presión mayor que la atmosférica. En la ecuación anterior, HFconex. corresponde a la pérdida de carga en la conexión ventilador-chimenea.

14- Calcular la carga o altura total neta entregada por el ventilador al aire. Se sabe que este valor, ∆HT, es: (mm H)H(H)H(HH

SSd vPvdPT +−+=∆ 2O) en la que es:

dvH : presión de velocidad en la descarga del ventilador

Si , siendo el conducto de descarga de diámetro igual a la chimenea, queda: chd vv H H =

psdT H Hp Hp H ∆=−=∆

15- Estimar la potencia que el motor eléctrico de accionamiento debe entregar al ventilador. Esta es

75

O)(mmHH /s)(m QP

m

2T3

b η∆×

= (Hp)

siendo:

: potencia en el eje, o bien potencia al freno del motor, Hp. bPηm : eficiencia mecánica del ventilador, que debe estimarse o bien solicitarse al fabricante del equipo.

REFERENCIAS

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apuntes de ventilacion industriala

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