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Criterios de clculo y diseo de flujos laminaresPatrones de Flujo del Aire. Condiciones de Flujo laminar

Jos Luis Jimnez LvarezGerente / TCI, S.L.L.

Tecnologa Industrial

Los patrones de flujo de aire en las salas limpias pueden dividirse en tres tipos: unidireccionales, no unidireccionales y mixtos. Los patrones del flujo de aire para las salas limpias de la clase ISO 5 (Grado A GMP) son unidireccionales, mientras que los no unidireccionales y mixtos son tpicos para las salas limpias de la clase ISO 6 o inferiores.

El flujo unidireccional, bien sea horizon-tal o vertical, se basa en un suministro de aire filtrado en el que las entradas de aire y los retornos de aire son casi opuestos los unos a las otras, de tal forma que las lneas de corriente de aire se mantienen paralelas unas a otras tanto como sea po-sible (flujo tipo pistn). La caracterstica ms importante de este tipo de flujo es la capacidad de asegurar que el patrn de flujo de aire es perturbado lo menos po-sible en la zona central del proceso.

En un plano de trabajo perpendicular al flujo de aire limpio, todas las posicio-nes ofrecen el mismo nivel de limpieza. Las posiciones de trabajo inmediatamen-te anexas al suministro de aire limpio ofrecen condiciones ptimas para el con-trol de la contaminacin.

En el flujo no unidireccional, el flu-jo de aire se impulsa desde las salidas de filtro localizadas en mltiples posiciones distribuidas en el plano de admisin y se retorna a travs de rejillas de retorno si-tuadas en posiciones ms alejadas.

Las salidas de filtro pueden estar distribuidas a intervalos iguales en la sa-la limpia, o concentradas sobre la zona central del proceso. Por otro lado, aun-que las ubicaciones de las rejillas de re-torno son menos crticas que en los flujos

unidireccionales, se deben distribuir de tal manera que se minimicen las zonas muertas en el interior de la sala limpia.

Los flujos mixtos se dan en salas lim-pias en las que se combinan flujo unidi-reccionales y no unidireccionales.

La Figura 1, da ejemplos que ilustran los diferentes patrones de aire en salas limpias.

Las operaciones crticas de alto riesgo como por ejemplo, llenado, bandejas de tapones, ampollas, viales abiertos y reali-zacin de conexiones aspticas, se reali-zan en salas limpias grado A GMP. Estas condiciones se consiguen normalmente en un flujo laminar. Los sistemas de flujo laminar deben proporcionar una veloci-dad homognea del aire en un intervalo de 0,45 m/s +/-20% (0,36 0,54 m/s) en el punto de trabajo concreto de estas operaciones, siendo el patrn del flujo de aire unidireccional.

En la Tabla 1, se muestran los reque-rimientos de concentracin de partculas en el aire para las normas EU GMP Mar. 2009 y EN ISO 14644-1.

De todo lo anterior, se desprende la necesidad de disear y calcular correc-tamente los equipos necesarios para la correcta instalacin y cualificacin de los flujos laminares.

Tecnologa Industrial

FIgura 1

Tipos de patrones de flujo de aire

Clculo y seleccin de los equipos de ventilacinPara seleccionar correctamente los equipos de ventilacin (ventiladores y extractores), es necesario calcular co-rrectamente los siguientes parmetros: Caudal de aire. Presin esttica disponible en el ven-

tilador. Potencia elctrica de los motores.

El caudal de aire se calcula de la si-guiente manera:

Donde:Q: es el caudal de aire en m3/hv: es la velocidad del aire en la zona de trabajo, 0,45 m/sA: es el rea del flujo laminar en m2

f: es un factor de forma adimensional, que tiene en cuenta la disposicin de los retornos y los obstculos presentes

La presin esttica disponible del ventilador se puede calcular como su-ma de la prdida de carga en conductos, elementos de difusin de aire, retornos de aire y filtros:

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CrITerIOS de CLCuLO y dISeO de fLujOS LAMInAreS

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La prdida de carga en conductos se puede expresar de la siguiente manera:

Es decir, como suma de la prdida de carga en cada tramo recto, ms la su-ma de la prdida de carga en cada ele-mento singular (codo, T,).

La prdida de carga en cada tramo recto es:

Donde:L: es la longitud del tramo en mv: es la velocidad del aire en el tramo en m/sDH: es el dimetro hidrulico del tramo en m

: es un parmetro adimensional que tiene en cuenta el material del conduc-to, 0,9 para acero galvanizado

Y en cada elemento singular es:

Donde:: es la densidad del aire en kg/m3

K: es el coeficiente de perdidas, que de-pende de la forma del elemento singular

La prdida de carga en elementos de difusin y rejillas de retorno, depende del tipo de elemento. Estos elementos pueden ser: Rejillas microperforadas Velos de elementos textiles Rejillas comerciales

En el caso de las rejillas microperfo-radas, la prdida de carga se puede cal-cular de la siguiente forma:

Donde:: es la densidad del aire en kg/m3

kd: es el coeficiente de prdidas: es la relacin entre el rea de los ori-

ficios y el rea total de la rejilla

FIgura 2

Mejoras en flujo de aire a travs de obstculos

FIgura 3

Punto de remanso

Hp

u

x

LLO

Tabla 1. requerimientos concentracin partculas en el aire para grado a gMP

EN rEPOSO EN FuNCIONaMIENTO

MXIMO NMErO DE ParTCuLaS

CLaSE 0,5 5 0,5 5

A ISO 5 3.520 20 3.520 20

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vd: es la velocidad del aire antes de la re-jilla perforada en m/s

La prdida de carga en los filtros, se puede calcular como sigue:

Donde:Q: es el caudal de aire en m3/hKi: es el coeficiente de prdida de carga de cada etapa de filtracin, consideran-do el filtro como sucio

La potencia elctrica del ventilador se puede calcular como sigue:

Donde:Q: es el caudal de aire en m3/hPd: es la presin dinmica del ventila-dorPed: es la presin esttica del ventilador: es el rendimiento del ventilador: es la densidad del aire en kg/m3

vv: es la velocidad de salida del aire en el ventiladorAv: es la seccin de salida del ventilador

Perturbaciones en un flujo laminarEn un flujo de aire unidireccional, los obstculos fsicos tales como el equipa-miento de proceso y los procedimientos de operacin, deben considerar los re-quisitos aerodinmicos necesarios para prevenir turbulencias en las proximida-des de las zonas crticas ms sensibles a la contaminacin.

Estas perturbaciones, tambin afec-tan al clculo del caudal del ventilador a travs del parmetro f. Este parme-tro depende del nmero de Reynolds de la corriente, Re, y del tamao caracte-rstico del obstculo, Lo. Para obtener

valores caractersticos de ste factor de forma, es necesario resolver las ecua-ciones de Navier-Stokes para el campo fluido, por ejemplo para el caso bidi-mensional:

Donde:u, v: son las componentes del vector ve-locidadx, y: son las coordenadasP: es la presin: es la densidad : es la viscosidad cinemtica

La ecuacin anterior, puede ser re-suelta cerca del punto de remanso (pun-to en el cual la velocidad se hace cero, tal y como se ve en la Figura 3), para el caso incompresible y despreciando los efectos de la viscosidad, mediante la fun-cin de corriente definida como sigue:

La ubicacin y dimensiones de las rejillas de retorno es un factor muy importante en el diseo de flujos laminares

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Obtenindose:

Donde:U: es la velocidad de la corriente exteriorH: es la distancia al obstculo en el cual la corriente no es perturbadaEl valor de H, es una funcin del nme-ro de Reynolds y de la dimensin carac-terstica del obstculo:

Que se puede obtener resolviendo las ecuaciones anteriores mediante mtodos numricos o mediante mtodos experimentales. Para nmeros de Reynolds altos, Re>15.000, el orden de magnitud de esta distancia es:

Es decir, mediante las ecuaciones anteriores, podemos obtener el valor del factor de forma, f. Por ejemplo, para un plano de trabajo situado a 25 cm de un obstculo de 1 m, el valor del factor de forma es 1,15.

Otros criterios de clculo y diseoLa ubicacin y dimensiones de las rejillas de retorno, es un factor muy importante en el diseo de flujos laminares. En la medida de lo posible, han de cumplirse los siguientes criterios: Han de estar situadas en todo el per-

metro del flujo laminar La altura de las rejillas, ha de ser infe-

rior a la zona de trabajo para no afectar al campo fluido en la zona ms crtica

La velocidad de paso ha de ser lo ms pequea posible para no afectar al campo fluido en la zona ms crtica. Valores de 1-1,5m/s son recomenda-bles.

Otro parmetro a tener en cuenta, es el nivel de ruido en el flujo laminar. En la medida de lo posible ha de mantener-

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Flujo laminar

se por debajo de los 65dB. Para ello hay dos posibles criterios de diseo: Alejar los ventiladores de la zona del

flujo laminar, incluso incluyendo si-lenciadores en los conductos.

En el caso de ventiladores ubicados directamente sobre los filtros, stos se han de sobredimensionar para que la emisin sonora se mantenga por deba-jo de los 65 dB.

Por ltimo, por temas de eficiencia energtica es muy recomendable la utili-zacin de ventiladores de acoplamiento directo electrnicamente conmutados junto con la regulacin PID en conti-nuo del ventilador mediante una sonda de velocidad y la actuacin sobre el pun-to de trabajo del ventilador.

ConclusionesDespus de esta presentacin tcnica, se hace evidente la importancia que tiene no slo la utilizacin de materia-les de muy buena calidad para la cons-truccin de los flujos laminares, sino la utilizacin de correctas herramie