13MAPFRE SEGURIDAD. N.o 76 - CUARTO TRIMESTRE 1999
INTRODUCCIÓN
La industria actual, con su compleji-
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LA VENTILACIÓN GENERAL
O POR DILUCIÓN
Consiste en la renovación del aire
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Gdθ = VdC + QCdθ (Ec. 4)
que integrada entre los límites θ1, C1 y
θ2, C2, da lugar a:
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a los sistemas de ventilación, permi-
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Proceedings of the 1st International
Symposium on Ventilation for Contami-
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Sistemas de ventilacion industrial

  1. 1. 13MAPFRE SEGURIDAD. N.o 76 - CUARTO TRIMESTRE 1999 INTRODUCCIÓN La industria actual, con su compleji- dad de operaciones y procesos, utiliza un número creciente de sustancias y preparados químicos, muchos de los cuales poseen elevada toxicidad. Esto puede dar lugar a emisiones gaseo- sas, vaporizadas o materia particula- da que, aunque dispersadas, alcan- cen concentraciones que exceden los límites higiénicos. Entre las diferentes metodologías de control aplicables a interiores laterales, las técnicas de ventilación son, sin duda, los procedi- mientos más utilizados para diluir o captar los flujos emisivos. Este doble mecanismo justifica la clasificación de las diferentes técnicas de ventilación, esto es: – Ventilación general. – Extracción localizada. ENRIQUE GONZÁLEZ FERRADÁS; AGUSTÍN MIÑANA AZNAR; ANTONIA BAEZA CARACENA; FRANCISCA MORALES MATEO Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Murcia. FRANCISCO JOSÉ MARZAL MARTÍNEZ Departamento de Ingeniería Mecánica y Energética de la Universidad de Murcia. Los sistemas de ventilación utilizados en el ámbito de la higiene industrial SUMARIO La capacidad de la ventilación general para diluir las sustancias peli- grosas en las zonas de trabajo es limitada, y caracterizada por un valor proporcional al cociente entre la cantidad de aire y el volumen de la ha- bitación. En algunas situaciones industriales, la ventilación general no puede siquiera disminuir la temperatura. Por tanto, en las zonas de tra- bajo donde se genere calor o sustancias peligrosas se deben emplear otros métodos, además de la ventilación general, para prevenir la conta- minación del aire. Estos métodos incluyen: uso de ventilación localizada, planteamiento adecuado de las zonas de trabajo, dividiéndolas en varias zonas, encerrando los equipos, etc. El diseño de un sistema de ventila- ción adecuado en industrias donde se produce calor o contaminantes constituye normalmente un problema a medida para los higienistas in- dustriales. Palabras clave: Higiene industria, sistemas de ventilación, extracción localizada.
  2. 2. LA VENTILACIÓN GENERAL O POR DILUCIÓN Consiste en la renovación del aire contaminado de interiores mediante la extracción del mismo y simultáneo aporte de aire exterior, utilizando ven- tiladores adecuados. Con relación a los contaminantes químicos, esta técnica puede utilizar- se en las siguientes situaciones: 1.a Para emisiones de contaminan- tes en estado molecular –gases o va- pores– de baja toxicidad. 2.a Siempre que los posibles afec- tados estén alejados de los focos de emisión, o si están próximos, la direc- ción y sentido de las corrientes con- taminantes generadas por el propio sistema de ventilación, impida la inci- dencia directa sobre los mismos. Aunque las aplicaciones citadas es- tablecen implícitamente las limitacio- nes del sistema, conviene reiterar que no es aconsejable su implantación pa- ra controlar emisiones que contengan materia particulada, dado que su ma- yor impedimento dispersivo puede propiciar la formación de zonas con elevadas concentraciones, siendo, además, difícil cuantificar los flujos másicos de emisión, parámetro nece- sario para determinar los caudales de aire de dilución. Asimismo hay que considerar las si- guientes aplicaciones: – Para el acondicionamiento climá- tico de interiores con elevada tempe- ratura y/o humedad, evitándose así riesgos de tensiones térmicas o situa- ciones de disconfort. – En recintos cerrados o depósitos, para evitar la formación de mezclas in- flamables o explosivas, manteniendo las concentraciones por debajo de los límites inferiores de inflamabilidad o explosividad. Para el correcto diseño de un siste- ma de ventilación general aplicable a una nave o recinto industrial deben considerarse dos aspectos fundamen- tales: – Conseguir circulaciones de aire unidireccionales que permitan el arrastre del ambiente interior de un extremo a otro, evitando en lo posible la formación de zonas estancas y co- rrientes de retroceso, esto es, aproxi- marse al flujo pistón. – Determinar el caudal de dilución. La presencia de focos calientes, movi- mientos de maquinaria y personas, in- fluencia de la ventilación natural, geo- metría irregular de la nave, etc., provoca corrientes –convectivas o me- cánicas– que distorsionan el flujo inte- 14 MAPFRE SEGURIDAD. N.o 76 - CUARTO TRIMESTRE 1999 rior. Por ello, el cálculo del caudal se efectúa de forma conservativa, esto es, suponiendo un mecanismo de mezcla total que conduce a la obten- ción de caudales mayores a los co- rrespondientes al flujo pistón. En la figura 1 se representa el es- quema de un recinto donde se genera un contaminante con flujo másico co- nocido. Mediante el balance de materia re- ferido al contaminante de interés, se puede calcular el caudal de aire en función de las variables implicadas. Así: ENTRADA + PRODUCCIÓN = ACUMULACIÓN + SALIDA QeCedθ + Gdθ = V ΂ᎏ δ δ C θ i ᎏ΃δθ + + QSCSdθ (Ec. 1) donde: Q: Caudal de aire, m3/h. C: Concentración del contaminan- te, mgr/m3. G: Flujo másico del contaminante, mgr/h. V: Volumen del recinto, m3. θ: Tiempo, h. e: Entrada i: Interior S: Salida Es de gran importancia tener en cuenta las siguientes consideraciones y simplificaciones: – Los caudales de aire de entrada y salida se suponen iguales, dado que el flujo volumétrico del contaminante es muy pequeño y las diferencias tér- micas interior y exterior no son, gene- ralmente, significativas. – La concentración del contaminan- te en la entrada, Ce, se supone des- preciable. – La emisión del contaminante, G, se considera constante. – Si se verifica la condición ante- rior, Ci es una variable que depende sólo del tiempo, por lo que su deriva- da parcial se transforma en una dife- rencial total y, por consiguiente: V ΂ᎏ δ δ C θ i ᎏ΃dθ = VdCi (Ec. 2) – Se admite un modelo de mezcla total, lo que implica la coincidencia de las concentraciones interior y de sali- da: Ci = CS = C (Ec. 3) Teniendo en cuenta las simplifica- ciones efectuadas, que deben valorar- se en cada caso, la ecuación 1 se transforma en: Qe Ce QS CSG Ci FIGURA 1. Recinto en cuyo interior se genera una emisión contaminante. La industria actual, con su complejidad de operaciones y procesos, utiliza un número creciente de sustancias y preparados químicos, muchos de los cuales poseen elevada toxicidad.
  3. 3. Gdθ = VdC + QCdθ (Ec. 4) que integrada entre los límites θ1, C1 y θ2, C2, da lugar a: ᎏ G G – – Q Q C C 2 1 ᎏ = exp ΄– ᎏ Q V ᎏ (θ1 – θ2)΅(Ec. 5) El cociente Q/V representa al núme- ro de renovaciones por hora. La ecua- ción 5 puede aplicarse a diversas si- tuaciones, aunque con las limitaciones antes comentadas, pero, en todo caso, es una expresión útil que permite de- terminar el caudal de dilución necesa- rio, siempre que se establezcan los va- lores de concentraciones y tiempos requeridos. FLUIDODINÁMICA DEL AIRE EN ASPIRACIÓN E IMPULSIÓN La fluidodinámica del aire en aspira- ción e impulsión condiciona importan- tes aspectos relacionados con los sis- temas de ventilación industrial, por lo que interesa hacer una referencia sim- plificada de la misma. Si se considera el sumidero puntual de la figura 2 como un tubo de peque- ño diámetro que aspira aire por un extremo y lo impulsa por el otro, se ob- servan campos de velocidad que pue- den modelizarse como se indica. En la aspiración, las superficies iso- cinéticas pueden considerarse esféri- cas, con su centro en el punto de suc- ción. El perfil de velocidades en el eje puede calcularse con suficiente apro- ximación mediante las relaciones si- guientes: – Velocidad máxima,vo, en el orifi- cio para un caudal Q, supuesta una entrada circular de diámetro d: vo = ᎏ π 4 d Q 2 ᎏ (Ec. 6) 15MAPFRE SEGURIDAD. N.o 76 - CUARTO TRIMESTRE 1999 – Velocidad, v, a una distancia x del orificio: v = ᎏ 4π Q x2 ᎏ (Ec. 7) combinando las ecuaciones anterio- res, se obtiene: v = vo ᎏ 1 d 6x 2 2 ᎏ (Ec. 8) o bien, xd = Ίᎏ 1๶v 6๶o v ᎏ๶ (Ec. 9) Según esta última ecuación, para v/vo = 0,1 la relación x/d es 0,8. Esto es, basta alejarse de la entrada una distancia próxima al diámetro del orifi- cio para que la velocidad disminuya a la décima parte de la correspondiente a la entrada. Por el contrario, el aire impulsado –chorro libre– mantiene su morfología una distancia considera- ble. Baturin (1976) establece una ex- presión que relaciona la velocidad en el eje del chorro respecto a la distan- cia y al tubo: v = vo (Ec. 10) con a = 0,15 para chorros circulares. En este caso, la relación v/vo = 0,1 se produce a una distancia 30 veces su- perior al diámetro del tubo. En conclusión, cuando el aire es im- pulsado a través de una abertura mantiene un flujo unidireccional du- rante una distancia considerable, más allá del plano de apertura –chorro li- bre–. Sin embargo, si se trata de un sistema de aspiración, el flujo en las proximidades de la entrada es, prácti- camente, omnidireccional, disminu- yendo la velocidad rápidamente a es- casa distancia de la apertura, tal y como se representa esquemática- mente en la figura 3. 0,48 ᎏᎏ a ᎏ d y ᎏ + 0,145 y d Superficie isocinética Sumidero puntual x FIGURA 2. Sumidero puntual en aspiración e impulsión. La industria actual, utiliza un número creciente de sustancias y preparados químicos, muchos de los cuales poseen elevada toxicidad.
  4. 4. Estos comportamientos, aplicados a los sistemas de ventilación, permi- ten deducir algunas características operativas importantes: – Para conseguir la fluidodinámica de barrido uniforme (flujo pistón) en la ventilación general por dilución con- viene impulsar el aire a través de reji- llas múltiples y extendidas a lo largo de toda la superficie de entrada al recinto. Esta disposición permite la reunión de los diferentes chorros, for- mando cortinas que desplazan unifor- memente el aire interior hacia la su- perficie opuesta de evacuación. – Por el contrario, una vez que el flujo pistón alcanza la superficie de evacuación, basta disponer de pocas aberturas (o ventiladores) de aspira- ción dada la característica omnidirec- cional de los flujos de aire, antes co- mentada. – Los sistemas de captación de contaminantes por extracción localiza- da necesitan generar en el exterior del elemento de aspiración campos de velocidad suficientes para conducir hacia él los flujos emisivos. Puesto que las velocidades generadas decre- cen muy rápidamente, es fundamental que el elemento de captación se apro- xime lo más posible a la zona de emi- sión para alcanzar eficacias acepta- bles. LOS SISTEMAS DE VENTILACIÓN POR EXTRACCIÓN LOCALIZADA Se basan en el principio de encerrar o capturar el contaminante o flujo emi- sivo en o muy cerca de la fuente don- de se genera. En comparación con la ventilación por dilución, las extraccio- nes localizadas necesitan transmitir caudales de aire mucho más peque- 16 MAPFRE SEGURIDAD. N.o 76 - CUARTO TRIMESTRE 1999 ños y, en general, la eficacia del siste- ma es más elevada al impedir en gran parte la dispersión de la emisión. Desde la perspectiva económica, el coste de los sistema de extracción es más elevado que el de la ventilación general, pero, en muchas ocasiones, los costes operacionales pueden compensar el balance si resultara ne- cesario el acondicionamiento térmico del aire procedente del exterior. El sistema consta de los tres ele- mentos básicos interconectados (Men- daza, 1991; Perry, 1992; Flores et al., 1991) que se indican en la figura 4: – El elemento primario de capta- ción, con la geometría y disposición adecuadas para el encerramiento, re- cepción o captación del flujo emisivo. – Un equipo de depuración que re- tiene o transforma los contaminantes con la eficacia suficiente para satisfa- cer las exigencias emisivas al medio ambiente. – Un ventilador que proporciona los caudales necesarios para llevar a ca- bo con éxito la operación. Los diferentes elementos primarios de captación se integran en cuatro grupos: – Encerramientos y cabinas. – Receptores. – Captadores. – Sistemas combinados de impul- sión-aspiración (push-pull). En los primeros (fig. 5), el foco de emisión está situado en el interior de sus límites geométricos y el caudal de aspiración debe ser tal que provoque velocidades de aire en la áreas de en- trada que superen la velocidad de es- cape de los contaminantes (Fletcher y Ventilador Velocidad del aire en ambas bocas 20 m/s Impulsión Aspiración D D 30 D Aproximadamente el 10% de la velocidad en la boca a 1 diámetro de la aspiración 20 m/s Aproximadamente el 10% de la velocidad en la boca a 30 diámetros de la impulsión 2 m/s FIGURA 3. Comparación de la fluidodinámica en aspiración e impulsión. AIRE (entrada) Elemento primario Foco de emisión Depurador AIRE (salida) Ventilador FIGURA 4. Elementos básicos de un sistema de extracción localizada.
  5. 5. Johnson, 1982). Así pues, la velocidad del aire en la entrada actúa como una cortina dinámica que impide la salida del aire interior. En los restantes grupos, los focos están situados fuera de los límites de los elementos primarios. Las diferen- cias entre éstos estriban en la situa- ción de las áreas abiertas respecto al flujo emisivo y sus comportamientos operativos. Así, en los receptores 17MAPFRE SEGURIDAD. N.o 76 - CUARTO TRIMESTRE 1999 (Fig. 6), la entrada de aspiración se si- túa perpendicularmente a la dirección de la emisión, siendo representantes característicos los utilizados en proce- sos térmicos o mecánicos (Alden y Kane, 1982; Braconnier et al., 1991; Berglund y Lindh, 1987). Los recepto- res operan también con un caudal al- go superior al procedente del foco emisor, al alcanzar la entrada del ele- mento, sin necesidad de generar en el exterior de los mismos campos de ve- locidad significativos. Por el contrario, los captadores (Fig. 7), entendidos como aquellos que se encuentran situados adyacen- tes al foco de contaminante (Fletcher y Johnson, 1985; Braconnier et al., 1991; McLoone et al., 1993), deben generar corrientes exteriores de aire capaces de arrastrar el flujo contami- nante hacia ellos, lo que implica la as- piración de caudales más elevados que los anteriores, siendo los de me- nor eficacia, al estar afectados, en mayor o menor medida, por las co- rrientes aleatorias exteriores. Uno de los procedimientos de con- trol de baños de tratamiento de super- ficies se realiza mediante la implanta- ción de este último sistema (Fig. 8). El elemento de aspiración se sitúa sobre uno de los lados, permitiendo, en ge- neral, alcanzar eficacias aceptables para anchuras de baño inferiores a 1 ó 1,2 metros (Fletcher y Johnson, 1985; Braconnier, 1986; Lefevre, 1990; González et al., 1998-a). Si la anchura del baño supera las di- mensiones antes citadas, la eficacia decrece por las razones apuntadas anteriormente. Para aumentarla se uti- liza un sistema combinado de impul- sión-aspiración (Fig. 9), consistente en generar una cortina de aire que discurre por la superficie del baño arrastrando al flujo emisivo hacia la aspiración, donde es capturado (Klein, 1987; Hughes, 1990; Woods y McKarns, 1995; González et al, 1998- b). aire aire aire aire aire acceso manual filtro salida filtro entrada ventana vidrio FIGURA 5. Ejemplos de encerramientos (A y B) y cabinas (C). a) b) c) La ventilación general, consiste en la renovación del aire contaminado de los interiores de las naves al mismo tiempo que se aporta aire limpio del exterior.
  6. 6. Luchar contra la contaminación en los locales de trabajo consiste en re- ducir, al menor nivel posible, la mayor cantidad de contaminantes cuyos efectos sobre las personas son reco- nocidos o supuestos: ésta es la misión de la ventilación. La calidad ambiental de un local con contaminación especí- fica (bajo la forma de gas, vapor, nie- blas u otras ligadas a la presencia hu- mana) puede ser alcanzada con alguna de las técnicas de ventilación anteriormente expuestas. El objetivo será la elección de la más adecuada en cada caso. BIBLIOGRAFÍA Alden, J. L., y Kane, J. M.: Design of Industrial Ventilation Systems. 5th Edition Industrial Press Inc. New York (1982). 18 MAPFRE SEGURIDAD. N.o 76 - CUARTO TRIMESTRE 1999 Baturin, V. V.: Fundamentos de Ventilación Industrial. Ed. Labor, S.A., 1ª Edición, (1976). Berglund, R., y Lindh, E.: Prediction of the mist emission rate from plating baths. Proceedings of the 74th Anual Technical Conference of American Electroplaters and Surface Finishers Society, Inc. Chicago. AESF 12644 Research Parkway, Orlando, FL 32826-3298. (1987). Braconnier, R.: Champs de vitesse au voi- sinage de l’entrée des dispositifs d’aspi- ration localisée. Institut National de Recherche et de Sécurité. Cahiers de notes documentaires, ND 1586-124-86 (1986). Braconnier, R., Regnier, R., y Bonthoux, F.: An experimental and numerical study of the capture of pollutants over a surface- treating tank equipped with a suction slot. Ventilation’91. 3rd International Sympo- sium on Ventilation for Contaminant Control. September 16-20. Cincinnati. Ohio. USA. Ed. Hughes, R.T. Goodfellow, H.D. y Rajhans, G.S. 95-105, (1991). Fletcher, B., y Johnson, A. E.: Velocity pro- files around hoods and slots and the ef- fects of an adjacent plane. Annals Occupational Hygiene 25, 4, 365-372, (1982). Fletcher, B., y Johnson, A. E.: The accu- mulation of gases in ventilated and un- ventilated enclosures. Ventilation’85. Foco de emisión FIGURA 6. Ejemplo de elemento receptor. En recintos cerrados, para evitar la formación de mezclas inflamables, hay que mantener las concentraciones por debajo de los límites inferiores de inflamabilidad o explosividad. Rendija Rendija con pestaña Campana simple Campana simple con pestaña Rendija múltiple. 2 o más rendijas Rendija múltiple con pestaña. 2 o más rendijas FIGURA 7. Elementos captadores.
  7. 7. Proceedings of the 1st International Symposium on Ventilation for Contami- nant Control. October 1-3, Toronto, Canadá. Ed. Goodfellow, H.D. 333-353, (1985). Flores, J. E., Sánchez, O. P., y Pocovi, R. E.: Sistemas de ventilación para la cap- tación de gases, vapores y humos: Determinación de la velocidad óptima de flujo en los conductos. Ingeniería Quí- mica, 10, 285-287, (1991). González Ferradás, E., Miñana Aznar, A., Baeza Caracena, A., Morales Mateo, F., y Marzal Martínez, F. J.: Instalación pilo- to de ventilación para el estudio de efi- cacias de captación de emisiones proce- 19MAPFRE SEGURIDAD. N.o 76 - CUARTO TRIMESTRE 1999 dentes de baños de tratamientos de su- perficies. ENCIT´98. Proceedings 7th Congress of Engineering and Thermal Sciences. November 3-6, Rio de Janei- ro. Brasil 404-408, (1998-a). González Ferradás, E., Miñana Aznar, A., Baeza Caracena, A., Morales Mateo, F., y Marzal Martínez, F. J.: Ventilación de baños de tratamiento superficial: Influen- cia de algunas variables sobre la efica- cia de captación. Anales de Ingeniería Mecánica, 12, 2, 207-212, (1998-b). Hughes, R. T.: An overview of push-pull ventilation characteristics, Applied Occupational Environment Hygiene, Vol.3, pp. 156-161. (1990). Klein, M. K.: A demostration of NIOSH push-pull ventilation criteria, American Industrial Hygiene Association Journal, Vol 3, pp. 238-246. (1987). Lefèvre, A.: Calcul des débits d’air extrait par un dispositif d’aspiration à pair de l’exploration du champ des vitesses dans son ouverture. Institut National de Recherche et de Sécurité. Cahiers de notes documentaires, CDU 628.83. ND 1765-138-90 (1990). Mendaza, P. L.: Tratamientos electrolíticos: Riesgos higiénicos. Notas Técnicas de Prevención. NTP-265. Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo, (1991). McLoone, H. E., Guffey, S. E. y Curran, J. P.: Effects of shape, size and air velocity on entry loss factors of suction hoods. American Industrial Hygiene Association Journal, 54, 3, 87-94, (1993). Perry, R. H.: Manual del Ingeniero Químico. 6.a Edición. McGraw-Hill, (1992). Woods, J. N., y Mckarns. J. S.: Evaluation of capture efficiencies of large push-pull ventilation systems with both visual and tracer techniques, American Industrial Hygiene Association Journal, Vol. 12, pp. 1208-1214. (1995). La lucha contra la contaminación en los locales de trabajo consiste en reducir al menor nivel posible, la mayor cantidad de contaminantes. La ventilación general, o por dilución, no es aconsejable para controlar emisiones que contengan materia particulada, dado su mayor impedimento dispersivo. L = 1,2 m (máx) H FIGURA 8. Baño de tratamiento superficial dotado de captación lateral por aspiración. SUPERFICIE DEL LÍQUIDO FIGURA 9. El sistema por impulsión-aspiración (push-pull).

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