La industria moderna con su complejidad de operaciones y procesos, utiliza un número creciente de sustancias y preparados químicos muchos de los cuales poseen una elevada toxicidad. El empleo de dichos materiales puede dar lugar a que en el lugar de trabajo estén presentes en concentraciones superiores a las admisibles partículas, gases y vapores o nieblas. También el estrés térmico puede originar ambientes de trabajo inseguros e incómodos. La ventilación eficaz y bien diseñada es un método muy apropiado pues consiste en la eliminación del aire contaminado de un puesto de trabajo mediante la sustitución por aire fresco.
En las plantas industriales se emplean dos tipos de ventilación: Los sistemas de impulsión se utilizan para impulsar aire, habitualmente templado, a un lugar de trabajo. Los sistemas de extracción se emplean para eliminar los contaminantes generados por alguna operación, con la finalidad de mantener un ambiente de trabajo saludable.
Los sistemas de ventilación por impulsión se emplean con dos finalidades:
- Crear un ambiente confortable en la nave industrial (generalmente calefacción o refrigeración) y
- para sustituir el aire extraído de la nave por los sistemas de extracción.
Se distinguen dos tipos de ventilación de extracción: por dilución o general y localizada.
Con la primera se pretende la reducción de la concentración del contaminante en el lugar de trabajo, mientras que el objetivo de la segunda es el de captar el contaminante mediante una corriente de aire que es transportada hacia una campana o cubierta que permite su expulsión a la atmósfera, previamente filtrado, sin llegar a contaminar el lugar de trabajo.
Los sistemas de ventilación por dilución acostumbran a utilizarse para el control de la contaminación sólo cuando no es posible el empleo de la extracción localizada, pues las grandes cantidades de aire templado que son necesarias para sustituir el aire que se extrae pueden dar lugar a elevados costes de funcionamiento.
Los sistemas de extracción localizada se componen de hasta cuatro elementos básicos: los elementos de captación o campanas, el sistema de conductos (incluyendo la chimenea y conductos de recirculación), el depurador y el ventilador.
La densidad (d) del aire que se define como su masa por unidad de volumen y se expresa habitualmente en kilogramos por metro cúbico (kg/m3). A la presión de 1 atm. y 20°C de temperatura, su valor es de 1,2 kg/m3. La densidad es inversamente proporcional a la temperatura, a presión constante.
El flujo volumétrico (Q), habitualmente denominado «caudal» se define como el volumen o cantidad de aire que atraviesa una sección determinada por unidad de tiempo. Está relacionado con la velocidad media (V) y el área (A) de la sección atravesada por la expresión Q = A V
El aire como cualquier fluido circula siempre de las regiones de mayor presión a las de menor, en ausencia de aporte de energía (un ventilador). Una masa de aire en movimiento tiene asociadas tres presiones distintas, matemáticamente relacionadas:
Presión estática (PE) se define como la presión que tiende a hinchar o colapsar el conducto y se expresa en milímetros de columna de agua (mmcda), se mide normalmente con un manómetro de columna de agua y de ahí las unidades empleadas. La presión estática puede ser positiva o negativa con respecto a la presión atmosférica del local, pero debe medirse perpendicularmente al flujo de aire, empleando un tubo de Pitot o a través de un orificio perforado en la pared del tubo.
Presión dinámica (PD) se define como la presión requerida para acelerar el aire desde velocidad cero hasta una cierta velocidad (V) y es proporcional a la energía cinética de la corriente de aire. Algunos cálculos sencillos para aire en condiciones estándar dan un valor para la presión dinámica expresado por la ecuación:
PD = (V/4,04)2, PD en mmcda y V en m/s
La presión dinámica se ejerce siempre en la dirección del flujo y es siempre positiva.
La Presión total (PT) se define como la suma algebraica de las presiones estáticas y dinámica:
PT = PE + PD
La presión total es una medida del contenido energético del aire, por lo que siempre va descendiendo a medida que se produce el avance del aire por el interior del conducto; únicamente aumenta al pasar por el ventilador
El flujo del aire en los sistemas de ventilación industrial está gobernado por dos principios básicos de la mecánica de fluidos: la conservación de la masa y la conservación de la energía. Se trabaja entonces con las siguientes hipótesis:
- Se desprecian los efectos del intercambio térmico
- Se considera que el aire es incompresible (densidad constante)
- Se supone que el aire es seco; la presencia de vapor de agua disminuye la densidad del aire por lo que deben efectuarse en este caso correcciones.
- Se ignoran el peso y volumen de contaminantes en el aire, para las concentraciones habituales
La conservación de la masa exige entonces que el caudal que entra en una campana debe ser el mismo que el que atraviesa el conducto que sale de ella.
En la unión de dos conductos, el caudal de salida debe ser igual a la suma de los caudales de cada uno de ellos, etc.
La conservación de energía exige tener en cuenta todos los cambios de energía que se producen a medida que el aire fluye de un punto a otro; en términos de las presiones previamente definidas, este principio puede expresarse de la forma:
PEj + PDj = PE2 + PD2 + hp
Donde el subíndice “1” indica un punto aguas arriba (antes del ventilador), el “2” un punto aguas abajo (recibe el aire impulsado por el ventilador) y hp valora la pérdida de energía sufrida por el aire mientras fluye de un punto a otro. Obsérvese que según este principio la presión total debe disminuir en la dirección en la que discurre el flujo.
Existen dos componentes de la pérdida global de presión total en un tramo de conducto: 1) pérdida de carga en los tramos rectos y 2) pérdida de carga en los puntos singulares (codos, uniones, etc.)
La pérdida de carga en los tramos rectos es una función compleja de la velocidad del aire, diámetro del conducto, densidad y viscosidad del aire y de la rugosidad superficial del conducto.
El cálculo de ambas pérdidas se realiza mediante el empleo de ecuaciones matemáticas que facilitan la suficiente aproximación.
Cuando el aire es impulsado a través de una pequeña abertura mantiene su efecto direccional durante una distancia considerable más allá de la abertura ( por ejemplo 10% de la velocidad en la boca a 30 diámetros de distancia a la boca de impulsión).
Sin embargo, si el flujo del aire a través de la misma abertura fuese de manera que actuara como una extracción con el mismo caudal, el flujo se volvería casi no direccional y su radio de influencia se vería fuertemente reducido (por ejemplo 10 % de la velocidad en la boca a un diámetro de la boca de aspiración).
Por esa razón la extracción localizada no debe emplearse cuando un proceso no pueda desarrollarse en la proximidad inmediata de la campana de extracción. Asimismo, debido a este efecto, debe hacerse todo lo posible por encerrar la operación tanto como se pueda.
Ventilación por dilución
La ventilación por dilución consiste en la dilución del aire contaminado con aire sin contaminar, con el objeto de controlar riesgos para la salud, riesgos de incendio y explosión, olores y contaminantes molestos.
El empleo de esta forma de ventilación, de cara a la protección de la salud, está sometida a varias limitaciones:
- La cantidad de contaminante generada, no debe ser demasiado elevada, pues se necesita un caudal excesivo.
- Los trabajadores deben estar suficientemente alejados del foco de contaminación o la dispersión del contaminante debe producirse en concentraciones lo bastante bajas, para que la exposición de los operarios, no supere los valores admisibles.
- La toxicidad del contaminante debe ser baja.
- La dispersión del contaminante debe ser razonablemente uniforme.
La aplicación más frecuente de este tipo de ventilación, es el control de vapores orgánicos cuyo valor admisible sea igual o superior a 100 ppm. También se utiliza en la ventilación de locales pequeños, donde no existen puestos de trabajos fijos.
Los principios básicos de utilización deben de seguir el orden siguiente:
- Elegir a partir de los datos disponibles, la cantidad de aire suficiente para conseguir una dilución satisfactoria del contaminante; en los manuales especializados existen tablas al efecto.
- Situar si es posible los puntos de extracción cerca de los focos del contaminante, a fin de beneficiarse de la «ventilación puntual».
- Situar 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 situado entre la entrada de aire y el foco contaminante.
- Sustituir el aire extraído mediante un sistema de reposición del mismo. El aire aportado debe ser calentado durante las épocas frías. Los sistemas de ventilación por dilución manejan habitualmente grandes cantidades de aire mediante ventiladores de baja presión; para que funcionen satisfactoriamente es imprescindible reponer el aire extraído.
- Evitar que el aire extraído vuelva a introducirse en el local, descargándolo a una altura suficiente por encima de la cubierta y asegurándose que ninguna ventana u otra abertura se encuentra situada cerca del punto de descarga.
Figura 8-3: VENTILACIÓN GENERAL. DISTRIBUCIÓN DEL AIRE
El empleo de la ventilación por dilución requiere que la cantidad de contaminante generada no debe ser demasiado elevada, los trabajadores deben estar suficientemente alejados del foco contaminante, la toxicidad del contaminante debe ser baja y la dispersión del contaminante debe ser razonablemente 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. Los datos reales sobre la velocidad de generación del vapor orgánico pueden obtenerse en la propia instalación si ésta dispone de registros adecuados sobre el consumo de materiales.
La ventilación por dilución se aplica también en casos especiales por ejemplo:
- Para la prevención de incendios y explosiones (cuando no existen trabajadores y se puede superar ampliamente el TLV pero no el Límite Inferior de Inflamabilidad). Por ejemplo el TLV del xileno es 100 ppm. El LII del xileno es 1%, es decir, 10.000 ppm. Para que una mezcla de aire y xileno sea segura contra incendios y explosiones ha de ser mantenida por debajo del 25% del LII, es decir 2.500 ppm. La exposición a tal concentración puede provocar daños severos e incluso la muerte. Sin embargo, en hornos de cocción, estufas de secado, en secaderos cerrados, en el interior de conductos de ventilación, etc., debe emplearse ventilación por dilución a fin de mantener las concentraciones por debajo del LII.
- Para el control del ambiente térmico. La función primaria del sistema de ventilación es, en este caso, prevenir las molestias importantes o el posible daño de aquellas personas que trabajan en dicho tipo de ambientes. De todos modos la introducción de cualquier sistema de ventilación para estos fines, debe ser precedida de una evaluación fisiológica en términos de estrés térmico potencial para los ocupantes del ambiente caluroso de que se trate. La ventilación por extracción puede utilizarse para eliminar el calor y/o humedad excesivos siempre que se disponga de aire de sustitución más frío.
Para calcular el volumen de aire necesario para la dilución de los contaminantes se utilizan las expresiones:
Según el TLV venga expresado en mg/m3 o ppm
Siendo Q = Caudal de aire necesario en m3/hora (25°C y 760 mmHg) para diluir el contaminante,
P = Peso del contaminante generado en g/hora,
Pm = Peso molecular del contaminante,
K = Coeficiente de seguridad (Tabla 8-1)
Si sustituyo en la expresión anterior P = V . d, siendo V = Volumen del contaminante evaporado en l/h. y d = Densidad en Kg/dm3, la expresión resulta de forma simplificada
Cuando existe más de un contaminante se calcula el caudal necesario para diluir cada uno de ellos y se suman si sus efectos son aditivos. Si sus efectos son independientes se adoptará el mayor valor Q obtenido.
El sistema de ventilación local o por extracción localizada tiene como objetivo captar el contaminante en la vecindad inmediata del punto donde se ha generado ( el foco contaminante ), evitando así que se difunda al ambiente del conjunto del local.
El ejemplo más simple, y que todo el mundo conoce, lo constituyen las campanas de cocina. Se sitúan inmediatamente encima del punto donde se producen los humos para captarlos allí, impidiendo así que toda la cocina se llene de humo. Este mismo principio es ampliamente usado en la industria.
La diferencia entre la campana de cocina y las que se emplean en la industria es que estas últimas tienen formas muy diversas, según cuáles sean las características del foco contaminante. Así, existen las conocidas cabinas de pintura, las extracciones que se emplean en las cubas de cromado o de tricloetileno, las que se instalan en las sierras circulares para madera y muchas otras.
En todo sistema de extracción localizada se distinguen los siguientes elementos principales:
- Campana: ( una o varias ) para la captación del contaminante en el foco.
- Conductos: Para transportar el aire con el contaminante al sitio adecuado, evitando que se disperse en la atmósfera.
- Separador: Para separar el contaminante de aire, recogiéndolo de forma adecuada y liberar aire limpio.
- Ventiladores: Para transmitir la energía necesaria al aire y hacerlo circular a través del sistema.
- Purificadores del aire ( no siempre ).Para purificar el aire recogido antes de su vertido al exterior.
La función esencial de una campana es crear un flujo de aire que capture eficazmente el contaminante y lo transporte hacia la campana, captando el contaminante antes que se difunda al ambiente general del local de trabajo.
Los gases, vapores y humos no presentan una inercia significativa, al igual que las partículas pequeñas de polvo; este tipo de materiales se mueve si lo hace el aire que les rodea.
Asimismo es de muy poco valor el criterio de que el contaminante sea «más pesado» o «más ligero» que el aire; en general el contaminante se comporta «como si fuese aire», no moviéndose por su densidad, sino 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.
Las campanas se clasifican en cabinas, que encierran total o parcialmente el proceso o punto de generación del contaminante, como por ejemplo una campana de laboratorio o la clásica cabina de pintura y campanas exteriores, que están situadas adyacentes al foco de contaminante pero sin encerrarlo, como por ejemplo las rendijas a lo largo de la boca de una cuba o una abertura rectangular sobre una mesa de soldadura.
Una variante de la campana exterior es el sistema de impulsión-extracción donde se impulsa un chorro de aire a través del foco contaminante, hacia la campana de extracción. El contaminante es controlado, especialmente, por el chorro, mientras la función de la campana es recibir el chorro y aspirarlo, por ejemplo los sistemas empleados en las cubas abiertas para tratamientos electrolíticos. Debe ponerse especial cuidado en su diseño y uso pues es posible que el chorro de impulsión mal dirigido aumente la exposición de los trabajadores si no se utiliza debidamente.
Los principios básicos para el diseño de una campana exige la definición de tres aspectos esenciales en la misma: 1.° La geometría, 2.° El caudal de aspiración necesario y 3.° la pérdida de carga a que dará lugar.
Así debemos de tener en cuenta los aspectos siguientes:
- Encerrar la fuente contaminante tanto como sea posible.
- Capturar el contaminante con la velocidad adecuada.
- Extracción del contaminante, fuera de la zona de respiración del operario.
- Adecuada velocidad de transporte, para evitar deposiciones en los conductos.
- Igualar la distribución de aire a todo lo largo de las aberturas de las campanas.
- Descarga del aire extraído lejos del punto de reposición.
- Suministro adecuado de aire, para compensar el extraído y originar una depresión.
Tabla 8-2: ELECCIÓN DE VELOCIDAD DE CAPTURA
Todos los sistemas de ventilación deben comprobarse en el momento de su instalación, a fin de verificar el caudal o caudales, para obtener información que pueda compararse con los datos de diseño. La comprobación inicial proporcionará una referencia para el mantenimiento periódico y la detección de los fallos del sistema en el supuesto que se produjera una avería.
La medición más importante en la comprobación de un sistema de ventilación es el caudal, determinando la velocidad del aire y el área de la sección del conducto o abertura en el punto de medida.
Las mediciones de la presión del aire se emplean para determinar la presión estática del ventilador, así como la pérdida de carga en campanas, equipos depuradores y otros elementos de un sistema de extracción. Las medidas de presión pueden ser útiles para localizar obstrucciones en el conducto y detectar puntos en los que se producen fugas de aire importantes.