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Conceptos generales de ventilación industrial para disminuir emisiones contaminantes
Dentro de los recintos de gran magnitud, la ventilación industrial es un factor relevante, ya que sus distintas formas y utilidades aumentan el confort de quienes los habitan y dejan atrás posibles problemas de salud.
Según sus objetivos, puede clasificarse de distintas formas. En las plantas industriales, se manejan dos tipos:
Sistemas de impulsión. Utilizado para inyectar aire.
Sistemas de extracción. Encargados de eliminar los contaminantes generados por alguna operación con la finalidad de mantener un ambiente de trabajo saludable.
Un sistema completo de ventilación debe incluir impulsión y extracción, y puede tener tanto presión positiva, como negativa, según se requiera.
Sistemas de extracción general
Son empleados para controlar el ambiente térmico o eliminar los contaminantes que son generados en un área, mediante el barrido de aire interno (con el término llamado sistema de dilución).
Con respecto a áreas contaminadas, únicamente se usa dicho sistema cuando el contaminante está disperso en el ambiente de trabajo. Tiene como finalidad la renovación de todo el volumen de aire contaminado en un determinado tiempo.
Esto suele realizarse instalando aparatos de extracción de aire en una cara del edificio y teniendo entradas de aire exterior en el muro opuesto (éste sería el principio básico de un barrido de aire). Para calcular la ventilación, es necesario conocer el volumen del local y el número de veces por hora que se requiere cambiar de aire (número de renovaciones o cambios por hora).
Existen tablas de renovaciones o cambios por hora de locales de acuerdo con el proceso que se aplica. Estos sistemas se subdividen en dos tipos.
La ventilación por dilución. Consiste en la dilución del aire contaminado en aire sin contaminar, con el objetivo de controlar riesgos para la salud, de incendio y explosión; olores y contaminantes molestos
Este tipo de ventilación puede, además, incluir el control de contaminantes ambientales (vapores, gases, neblinas y partículas) generados en el interior de los edificios cerrados.
Dicha metodología es menos satisfactoria que la extracción localizada para controlar los riesgos de salud. Aunque en determinadas circunstancias es posible que proporcione el mismo nivel de protección a un costo menor, con la desventaja de que se contaminen las áreas limpias.
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| Figura 1. Sistema de extracción general, planta Volvo, área de soldadura, 2010 |
Principios de ventilación por dilución
1.- Elegir, a partir de los datos disponibles, la cantidad de aire suficiente para conseguir una dilución satisfactoria del contaminante. Los valores indicados en tablas suponen una dilución y distribución perfecta del aire y los vapores de disolvente. Dichos datos han de multiplicarse por el valor de K elegido (para una ecuación determinada)
2.- Situar, de ser posible, los puntos de extracción cerca de los focos del contaminante, con el fin de beneficiarse de la “ventilación puntual”
3.- Ubicar los puntos de introducción y extracción del aire, de tal forma que el aire pase a través de la zona contaminada. El trabajador debe estar colocado entre la entrada de aire y el foco contaminante
4.- Sustituir el aire extraído mediante un sistema de reposición (el aire aportado debe ser calentado durante las épocas frías). Los sistemas de ventilación por dilución manejan usualmente grandes cantidades de aire mediante ventiladores de baja presión. Para que el sistema funcione satisfactoriamente, es imprescindible el aire extraído
5.- Evitar que el aire extraído vuelva a introducirse en el local descargándolo a una altura suficiente por encima del techo o asegurándose de que ninguna ventana, toma de aire exterior u otra abertura se encuentra situada cerca del punto de descarga, incluyendo la dirección en que sopla el aire
Ventilación por dilución para proteger la salud
El uso de este sistema para tales efectos está sometido a cuatro limitantes:
1) La cantidad de contaminante generada no debe ser demasiado elevada, pues, en ese caso, el caudal de aire necesario resultaría excesivo
2) Los trabajadores deben estar alejados lo suficiente del foco de contaminante o de la dispersión, la cual debe producirse en concentraciones lo bastante bajas para que la exposición de los trabajadores no supere el correspondiente valor TLV (Valores Límite Umbral), empleados como guía para el control de los riesgos para la salud provocados por sustancias o materiales tóxicos presentes en el aire. Se expresan como la concentración media moderada en el tiempo, durante la cual casi todos los trabajadores pueden estar expuestos (ocho horas al día) sin efectos adversos
3) La toxicidad del contaminante debe ser baja
4) La dispersión del contaminante debe ser razonable y uniforme
La ventilación por dilución encuentra su aplicación más frecuente en el control de vapores orgánicos, cuyo TLV sea igual o superior a 100 ppm. Para aplicar con éxito los principios de la dilución a esta clase de problemas, es necesario disponer de datos reales sobre la velocidad de generación de vapor o sobre la velocidad de evaporación del líquido. Normalmente, estos datos pueden obtenerse en la propia planta si dispone de registros adecuados sobre el consumo de materiales.
La ecuación general de la ventilación por dilución indica el caudal de ventilación necesario para mantener constante la concentración dentro de un valor dado para la velocidad de generación de contaminante. Se deduce a partir del balance de contaminante en el local, suponiendo que el aire introducido está libre de contaminación.
Acumulación = Generación – Eliminación
Mediante una serie de deducciones, tendríamos la siguiente fórmula:
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| Figura 2. Sistema de extracción de humos, Almexa, hornos de fundición, 2009 |
Dónde:
G = Velocidad de generación
Q = Caudal real del ventilador m³/h
C = Concentración del gas o vapor
K = Factor que va en función principalmente de los valores TLV (ver figura 2)
Sistema de extracción localizado
Estos sistemas se diseñan para captar y eliminar los contaminantes, previo a su expulsión al ambiente general del local de trabajo. Consta de campanas de captación, tubería de transporte, depurador, ventilador y, finalmente, de una chimenea con puertos de muestreo y plataforma (opcional).
La campana es el punto de entrada en el sistema de extracción; además, el de mayor importancia. Su función esencial es crear un flujo de aire que capture eficazmente el contaminante.
Propiedades de los contaminantes
Inercia: los gases, vapores y líquidos no presentan una inercia significativa. Lo mismo ocurre con las pequeñas partículas de polvo de diámetro igual o inferior a 20 micras (lo que incluye las partículas respirables).
Este tipo de materiales se mueve si lo hace el aire que los rodea. En este caso, la campana debe generar una velocidad de captura suficiente para controlar el movimiento del aire cargado de contaminante y, al mismo tiempo, vencer el efecto de las corrientes de aire (turbulencias) producidas en el local por otras causas, como movimiento de personas, vehículos, ventanas o puertas.
Efectos de la densidad
Con frecuencia, la ubicación de las campanas se decide erróneamente con base en la suposición de que el contaminante es más o menos pesado que el aire. En la mayor parte de las aplicaciones relacionadas con los riesgos para la salud, este criterio es de poco valor.
Las partículas de polvo, humos, vapores y gases que pueden representar un riesgo para la salud se comportan como si “fueran aire”, sin moverse apreciablemente hacia arriba o hacia abajo debido a su densidad propia, sino exclusivamente siguiendo las corrientes de aire.
El movimiento habitual del aire asegura una dispersión uniforme de los contaminantes, salvo en operaciones con gran desprendimiento de calor o frío, o cuando un contaminante es generado en gran cantidad y se logra controlarlo antes de que se disperse en otras áreas.
Tipos de campanas
Aunque las campanas se construyen en una amplia variedad de configuraciones, y lo que pretendemos es encapsular lo más que se pueda el punto de emisión, es posible clasificarlas en dos grandes familias: cabinas y campanas exteriores.
El tipo de campana a emplear dependerá de las características físicas del equipo, maquinaria o instalación; del mecanismo de generación de contaminante, y de la posición relativa del equipo y el trabajador. En pocas palabras: es un traje a la medida.
Cabinas. Son campanas que encierran parcialmente o en su totalidad el proceso en el punto de generación del contaminante. Una cabina completa sería, por ejemplo, la de un laboratorio con manoplas, donde no existen aberturas o el área abierta es pequeña. Una cabina parcial se refiere a una campana de laboratorio o a las clásicas cabinas de pintura. Una corriente de aire que penetre en la cabina a través de su abertura retendrá el contaminante en el interior, impidiendo que llegue al ambiente de trabajo.
La cabina es el tipo de campana a elegir siempre que la configuración y funcionamiento del proceso lo permitan. Si no es posible un aislamiento completo, debe emplearse uno que cumpla en la mayor medida posible.
Campanas exteriores. Así se denomina a las que se encuentran situadas adyacentes al foco de contaminante, pero sin encerrarlo, colocadas en la parte superior o lateral del punto de emisión, como las rejillas a lo largo de la boca de una abertura rectangular sobre una mesa de soldadura.
Cuando el contaminante es gas, vapor o polvo fino, y no es emitido con una velocidad significativa, la orientación de la campana no es crítica; sin embargo, si el contaminante incluye partículas grandes que son emitidas con una velocidad apreciable, la campana debe colocarse en la dirección de dicha emisión. Un ejemplo sería una operación de esmerilado para una amoladora esmeril.
Si el proceso emite aire contaminado muy caliente, éste ascenderá por efecto de su menor densidad. El empleo de una campana exterior, situada lateralmente a la corriente de aire ascendente, puede no producir una captación adecuada, a causa de que la corriente inducida por la campana es insuficiente para contrarrestar el flujo de aire de origen térmico. Esto será especialmente cierto para los procesos a muy alta temperatura, como los hornos de fusión. En tales casos, es aconsejable el empleo de una campana colocada en la parte superior del proceso.
Una variante de campana exterior es el sistema de impulsión-extracción. En este caso, se impulsa un chorro de aire a través del foco contaminante hacia una campana de extracción. El contaminante es controlado, esencialmente, por el chorro mientras la función de la campana es recibirlo y aspirarlo. La ventaja esencial del sistema de impulsión-extracción es que el chorro impulsado puede desplazarse de forma controlada a través de una distancia mucho más grande de lo que es posible controlar el flujo de aspiración de una campana.
Este sistema funciona exitosamente para ciertas operaciones de tratamiento de superficies, donde se emplean cubas abiertas, pero es posible emplearlo en otros procesos. Puede suceder que el chorro de impulsión aumente la exposición de los trabajadores si no se diseña, instala o utiliza debidamente. Debe tenerse especial cuidado en su diseño, fabricación y colocación, y empleo.
Parámetros del diseño de campanas
La captación y control de los contaminantes se efectúa por el flujo de aire producido por la campana. El movimiento de aire hacia la abertura ha de ser lo bastante intenso como para mantener controlado al contaminante hasta que alcance la campana. Los movimientos de aire generados por otras causas pueden distorsionar el flujo inducido por la campana y requerir caudales de aire superiores, a fin de superar dichas distorsiones o turbulencias.
La eliminación de las posibles causas de dichos movimientos es un factor importante para lograr un control efectivo del contaminante, sin tener que recurrir a caudales de aspiración excesivos e incurrir en los elevados costes asociados. Entre las fuentes importantes de turbulencias, se encuentran:
1.- Los procesos a alta temperatura o las operaciones que generan calor, pues dan lugar a corrientes de aire de origen térmico
2.- Movimiento de la maquinaria, como muelas de desbarbado o cintas transportadoras
3.- Movimiento de materiales, como en la descarga de carretones o el llenado de recipientes
4.- Movimiento del operario
5.- Corrientes de aire en el local (que se consideran habitualmente de 0.25 m/s, pero pueden ser mucho mayores)
6.- Movimiento rápido del aire producido por equipos de enfriamiento o calentamiento localizado
La forma de la campana, su tamaño, localización y caudal de aire son las principales variables de diseño.
Velocidad de captura. Se denomina a la velocidad mínima de aire producida por la campana, que es necesaria para capturar y dirigir el contaminante. La velocidad de aire lograda está en función del caudal de aire aspirado y de la forma de la campana.
Las campanas que aspiran caudales de aire excepcionalmente elevados (por ejemplo, las grandes campanas laterales empleadas para el desmoldeo en las fundiciones) pueden requerir caudales menores que los que se deducen de las velocidades de captura recomendadas para campanas pequeñas. Este fenómeno puede atribuirse a:
- La presencia de grandes masas de aire en movimiento en dirección a la campana
- Que el contaminante permanece bajo la influencia de la campana durante un tiempo mayor, que en el caso de campanas pequeñas
- El hecho de que un caudal elevado proporciona una dilución considerable, tal como se ha expuesto anteriormente
Determinación del caudal de aspiración. El aire se mueve hacia la boca de aspiración de una campana desde todas direcciones, salvo por las limitaciones fijadas por la existencia de pantallas deflectoras, paredes y otros impedimentos físicos. Para una cabina, la velocidad de captura en su(s) abertura(s) es el cociente del caudal de extracción entre el área de la(s) abertura(s). La velocidad de captura en cualquier punto exterior a la campana será la que corresponda a la superficie de igual velocidad que pasa por ese punto para el caudal de aspiración empleado.
Velocidad mínima del conducto
La presión dinámica en el conducto (PI), empleada para determinar la pérdida de carga en la campana, se determina a partir de la velocidad del aire de la zona del conducto, inmediatamente posterior a su conexión con la campana. Esta velocidad viene fijada por el tipo de material que se transporta a través del conducto (aire + tipo de contaminante).
Para sistemas que manejan partículas, es necesario establecer una velocidad mínima de diseño o de transporte, a fin de impedir su deposición y el taponamiento del conducto. Por otra parte, velocidades demasiado elevadas implican un derroche de energía y pueden causar rápidamente la abrasión de los conductos. Las velocidades de diseño mínimas recomendadas son superiores a los valores teóricos (tablas ya existentes; referencia: Industrial Ventilation) y experimentales a fin de tener en cuenta contingencias, como las siguientes:
- Si una o más ramas se obstruyen o son puestas fuera de servicio, se reducirá el caudal total en el sistema y, por tanto, disminuirá la velocidad en, al menos, algunas de sus partes
- El deterioro de los conductos, por ejemplo por abolladuras, aumentará la resistencia y disminuirá el caudal y la velocidad en la parte dañada del sistema
- Las fugas en los conductos aumentarán el caudal y la velocidad en dirección aguas abajo de la fuga, pero disminuirán el caudal en dirección aguas arriba y en algunas otras partes del sistema de trabajo
- La corrosión o la erosión de las palas del ventilador o el deslizamiento de sus bandas de tracción reducirán el caudal y las velocidades
- Las velocidades deben ser adecuadas para atrapar y arrastrar de nuevo el polvo que haya podido depositarse a causa de una utilización inadecuada del sistema de extracción
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| Figura 3. Ducto de movimiento y control del aire de Toluca, área de soldadura, 2010 |
También, es importante considerar un aumento en la velocidad de transporte o diseño. La conducción del aire y de las partículas o contaminante atrapado en él es importante.
Existen normas para la construcción de la tubería que afecta la caída de presión del sistema (ver imagen 3). Además, la velocidad mínima en el conducto es sumamente importante (velocidad de transporte o diseño).
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