CAPÍTULO 2 DISEÑO DE CAMPANAS 2.1. Principios generales
2
2.2. Propiedades de los contaminantes
2
2.2.1. Efectos de inercia 2.2.2. Efectos de la densidad
2 2
2.3. Diseño de campanas
2
2.3.1. Campanas de procesos confinados
3
2.3.2. Cabinas 2.3.2.1. Distribución del aire en el frente de la cabina
5 6
2.3.3. Campanas exteriores 2.3.3.1. Contornos de velocidad 2.3.3.2. Velocidades de control 2.3.3.3. Determinación del caudal de aspiración 2.3.3.4. Efecto de las pantallas 2.3.3.5. Campanas con bocas de aspiración tipo ranuras 2.3.3.6. Campanas suspendidas 2.3.3.7. Campanas para control de cubas abiertas
9 10 11 13 13 14 15 16
2.3.4. Campanas receptoras 2.3.4.1 Campanas suspendidas sobre una fuente caliente
20 21
1
CAPÍTULO 2 DISEÑO DE CAMPANAS 2.1. Principios generales Se denomina campana de captación o campana al elemento de ingreso del aire al sistema de conductos de ventilación. El término campana se usa en un sentido amplio, incluyendo cualquier abertura de succión independientemente de su forma o tamaño, que permite que el aire ingrese al sistema de conductos. La función esencial de la campana es, entonces, crear un flujo de aire que capture eficazmente al contaminante y lo transporte hacia ella. Las campanas se proyectan tendiendo a lograr la máxima eficiencia aerodinámica en la captación del contaminante, es decir tratando de crear la velocidad necesaria en el área de contaminación, con la menor caudal y el mínimo consumo de energía. Para ello es conveniente, en la medida de lo posible, la colocación de pantallas o el encerramiento de procesos con el fin de encauzar el aire. Los procesos controlados por las l as campanas pueden ser procesos llamados procesos fríos , también conocidos como fuentes frías , o procesos con liberación de calor o calientes , también denominados fuentes calientes . En los procesos fríos los contaminantes emitidos por la fuente son llevados en direcciones aleatorias por las corrientes del aire existentes en los locales. En los procesos calientes se libera la energía térmica que genera un movimiento ascendente del aire, por disminución de su densidad, que arrastra al calor o a los contaminantes químicos. 2.2. Propiedades de los contaminantes 2.2.1. Efectos de inercia: inercia: Los gases y vapores no presentan una inercia significativa. Lo mismo ocurre con las partículas pequeñas de polvo, de diámetro igual o inferior a 20 micrómetros (que incluye los polvos respirables). Este tipo de materiales se mueve si lo hace el aire que les rodea. En este caso, la campana debe generar una velocidad de control o captura suficiente para controlar el movimiento del aire que arrastra a los contaminantes y, al mismo tiempo, vencer el efecto de las corrientes de aire producidas en el local por otras causas, como movimiento de personas, de vehículos, corrientes convectivas, etc. 2.2.2. Efectos de la densidad: densidad: Con frecuencia la ubicación de las campanas se decide, erróneamente, sobre la base de suponer que los contaminantes químicos son “más pesados “ que el aire. En la mayor parte de las aplicaciones relacionadas con los riesgos para la salud, este criterio es de poco valor (ver Figura 2.1). Las partículas de polvo, los vapores y los gases que pueden representar un riesgo para la salud tienen un comportamiento similar al aire, y no se mueven apreciablemente hacia arriba o hacia abajo a causa de densidad propia, sino que son arrastradas por las corrientes de aire. Por lo tanto, el movimiento habitual del aire asegura una dispersión uniforme de los contaminantes. 2.3. Diseño de campanas
2
CAPÍTULO 2 DISEÑO DE CAMPANAS 2.1. Principios generales Se denomina campana de captación o campana al elemento de ingreso del aire al sistema de conductos de ventilación. El término campana se usa en un sentido amplio, incluyendo cualquier abertura de succión independientemente de su forma o tamaño, que permite que el aire ingrese al sistema de conductos. La función esencial de la campana es, entonces, crear un flujo de aire que capture eficazmente al contaminante y lo transporte hacia ella. Las campanas se proyectan tendiendo a lograr la máxima eficiencia aerodinámica en la captación del contaminante, es decir tratando de crear la velocidad necesaria en el área de contaminación, con la menor caudal y el mínimo consumo de energía. Para ello es conveniente, en la medida de lo posible, la colocación de pantallas o el encerramiento de procesos con el fin de encauzar el aire. Los procesos controlados por las l as campanas pueden ser procesos llamados procesos fríos , también conocidos como fuentes frías , o procesos con liberación de calor o calientes , también denominados fuentes calientes . En los procesos fríos los contaminantes emitidos por la fuente son llevados en direcciones aleatorias por las corrientes del aire existentes en los locales. En los procesos calientes se libera la energía térmica que genera un movimiento ascendente del aire, por disminución de su densidad, que arrastra al calor o a los contaminantes químicos. 2.2. Propiedades de los contaminantes 2.2.1. Efectos de inercia: inercia: Los gases y vapores no presentan una inercia significativa. Lo mismo ocurre con las partículas pequeñas de polvo, de diámetro igual o inferior a 20 micrómetros (que incluye los polvos respirables). Este tipo de materiales se mueve si lo hace el aire que les rodea. En este caso, la campana debe generar una velocidad de control o captura suficiente para controlar el movimiento del aire que arrastra a los contaminantes y, al mismo tiempo, vencer el efecto de las corrientes de aire producidas en el local por otras causas, como movimiento de personas, de vehículos, corrientes convectivas, etc. 2.2.2. Efectos de la densidad: densidad: Con frecuencia la ubicación de las campanas se decide, erróneamente, sobre la base de suponer que los contaminantes químicos son “más pesados “ que el aire. En la mayor parte de las aplicaciones relacionadas con los riesgos para la salud, este criterio es de poco valor (ver Figura 2.1). Las partículas de polvo, los vapores y los gases que pueden representar un riesgo para la salud tienen un comportamiento similar al aire, y no se mueven apreciablemente hacia arriba o hacia abajo a causa de densidad propia, sino que son arrastradas por las corrientes de aire. Por lo tanto, el movimiento habitual del aire asegura una dispersión uniforme de los contaminantes. 2.3. Diseño de campanas
2
El tipo de campana a emplear dependerá de las características físicas de la fuente de contaminación, del mecanismo de generación del contaminante y de la posición relativa del equipo y del trabajador. Los pasos para el diseño de una campana son: - Determinar la ubicación respecto al proceso. - Determinar la forma y tamaño. - Determinar el caudal de aspiración. Respecto a los dos primeros items, las Figuras 2.2 y 2.3 ilustran algunos principios básicos del proyecto. A fin de obtener las ecuaciones de cálculo de los caudales que deben aspirar en las cabinas, estás se clasifican en los siguientes tipos: a) b) c) d)
Campanas de procesos confinados Cabinas Campanas exteriores Campanas receptoras
Es muy importante clasificar de manera adecuada la campana a proyectar, para poder calcular adecuadamente el caudal que debe ser aspirado. La extracción de este caudal se logra, generalmente, mediante el uso de un ventilador. El caudal volumétrico de aspiración , se calcula aplicando la ecuación de continuidad: Q = v . A (m3 / s) donde:
(2.1)
v (m / s): velocidad del aire y A (m2): área de la sección de pasaje del aire a la velocidad v.
2.3.1. Campanas de procesos confinados Se denominan campanas de procesos confinados a las campanas que encierran, de la forma más completa posible, a los procesos contaminantes que deben controlar. Los confinamientos no son herméticos pues existen aberturas para la entrada o salida de materiales, aberturas de observación, fisuras en los cerramientos, etc., por lo que es necesaria la extracción del aire para el control de la dispersión de los contaminantes (recordar que al generar una depresión dentro de los cerramientos, por la aspiración del aire, no se permite el escape de los contaminantes por sus otras aberturas). Para aplicar la ecuación (2.1), se considera la velocidad con que el aire pasa a través de las aberturas que presenta el cerramiento, y se la denomina velocidad sobre las abertura v ab. El área total de aberturas, que se obtiene sumando todas las aberturas parciales que presenta el cerramiento, se denomina A T ab. Luego, de (2.1) resulta: Q = v ab . A T ab (m3 / s) 3
(2.2)
Las velocidades sobre las aberturas deben tener magnitudes tales, que superen a las velocidades de escape inducidas por los procesos ubicados dentro de los cerramientos. La bibliografía informa de las velocidades sobre las aberturas, recomendadas en función de las características de los diferentes procesos. A veces, la velocidad sobre las aberturas se da como un caudal específico (q) expresado como caudal a aspirar dividido por el área total de aberturas: q = Q / A T ab (m 3 / s / m 2)
(2.3)
(ver Figura 2.4)
donde: (m3 /s/m2) equivale a (m/s). ser:
O sea que conocida el área total de aberturas, el caudal a aspirar (Q) resulta Q = q . A T ab (m 3 / s)
(2.4)
Otra forma de expresar este caudal específico es como caudal a aspirar dividido por el área transversal del equipo considerado, como en el caso de los elevadores de cangilones (ver Figura 2.5). En esta misma figura, para el caso de la cinta transportadora, el caudal específico es dado como caudal a aspirar dividido por la velocidad de la misma. Este tipo de campanas es el más eficiente porque maneja el menor caudal de aire para lograr el control de la dispersión de los contaminantes. Ejemplo: Ejemplo: Se tiene un elevador de canjilones de 7 metros de altura, cuyas dimensiones transversales son de l = 2,0 m por a = 2,0 m, y que transporta material cuya temperatura es la del ambiente. El elevador de canjilones es alimentado por una cinta transportadora que se mueve a 0,75 m/s y tiene un ancho de 1,5 m; el ancho de la abertura, por la que entra y sale la cinta, es de 1,7 m. Determinar el caudal a aspirar en el cuerpo del elevador y en el lugar de transferencia desde la cinta al elevador (ver Figura 2.5). En la figura mencionada se recomienda que para el cuerpo del elevador se debe aspirar un caudal específico: q = 0,51 m3 / s / m2 de sección transversal del cerramiento. La sección transversal del cerramiento es: A t = l . a = 2 . 2 = 4 m2 El caudal a aspirar necesario se obtiene aplicando la ecuación (4) es: Q = q . A t = 0,51 . 2,0 . 2,0 = 2,04 m3 / s Además se recomienda que para elevadores de altura menor a 9 m se puede colocar una o dos campanas sobre el cuerpo del cerramiento, una en la parte alta y / u otra en la parte baja. En el caso analizado, como la temperatura del material coincide con la del ambiente, se eligen dos campanas (también se podría elegir una campana) y cada una de ella deberá aspirar la mitad del caudal , o sea: 4
Q
camp sup
Q
= Q camp inf = Q / 2 = 2,04 /2 = 1,02 m3 / s camp sup
= Q camp inf = 1,02 m3 / s
Respecto a la alimentación del elevador de cangilones, se recomienda que en función de la velocidad de la cinta se debe elegir el caudal específico de aspiración. Como la velocidad de la cinta es de 0,75 m/s, en este caso se debe aspirar un caudal específico: q cinta = 0,54 m3 / s / m de ancho de cinta. La cinta es de 1,5 m de ancho y entra al elevador a través de un abertura de 1,7 m de ancho. El caudal a aspirar por la campana que controla la dispersión de esta transferencia es: Q cinta = q cinta . a cinta = 0,54 . 1,5 = 0,81 m3 / s Q = 0,81 m3 / s Se debe verificar que se cumple con el caudal específico mínimo para el ancho de la abertura: q abertura = 0,23 m3 / s / m de ancho de abertura. En el caso en estudio se debe verificar este último caudal específico, a partir del caudal aspirado y el ancho de la abertura: q abertura = Q cinta / a abertura = 0,81 / 1,7 = 0,476 > 0,23 m3 / s / m, o sea que cumple. 2.3.2. Cabinas Las cabinas son recintos que presentan un frente total o parcialmente abierto para acceso. El proceso contaminante se realiza en su interior. Se extrae un caudal de aire suficiente para inducir en el frente de la cabina, una velocidad promedio denominada velocidad en el frente (v f), del orden de 0,3 a 1,0 m/s, que en general basta para superar la tendencia al escape del aire contaminando, aunque existen casos en donde se requieren velocidades en los frentes de mayor magnitud (ver Tabla 2.1). Ejemplos: cabinas de laboratorio y de pintura. La velocidad en el frente de la cabina es función de: -
el proceso a controlar, que determina las condiciones de dispersión de los contaminantes, de la toxicidad de estos últimos y la magnitud de las velocidades de las corrientes del local, denominadas velocidades erráticas (v e): v f = F ( proceso, toxicidad, v e ) (ver Tabla 2.1)
El caudal a aspirar (Q) se obtiene aplicando la ecuación: Q = v f . A f (m 3 / s)
(2.5)
donde: A f : área del frente abierto máximo de la cabina y que es igual a: 5
A f = h . l (m 2)
(2.6)
donde: h : altura del frente abierto y l : longitud del frente abierto. En el caso de tratarse de un cabina con un frente de magnitud variable, para el cálculo del área de entrada se utilizan los valores mayores de la altura o del largo. Este tipo de disposición es muy eficiente. Las paredes de la cabina no sólo reducen la magnitud del caudal a extraer, sino que actúan como pantallas que evitan los efectos adversos directos de las corrientes erráticas del local. La extracción se efectúa por una conexión en la parte superior si el proceso libera calor, para evitar fugas del aire caliente, y en el caso del control de procesos fríos, en la pared opuesta al frente o en el techo de la cabina (ver Figuras 2.6 y 2.7). 2.3.2.1. Distribución del aire en el frente de la cabina En la Figura 2.8 se ha dibujado una cabina vista de frente y el corte A-A de la misma. En este corte se han dibujado las velocidades en el frente con vectores proporcionales a su magnitud. El aire ingresa con velocidades mayores que la velocidad en el frente (v f) en la parte superior de la cabina, cerca del conducto de salida, en tanto que en la zona inferior las velocidades son menores. Estas últimas velocidades de pequeña magnitud pueden ser insuficientes para controlar el escape del aire contaminado. Esto se produce debido a que el aire se mueve desde el plano de entrada de la cabina hasta el plano de la boca de salida, generando una caída de presión. Como esta caída es prácticamente uniforme cualquiera sea el camino recorrido por el aire, entonces las velocidades correspondientes a las trayectorias superiores de menor longitud, son mayores que las velocidades correspondientes a las trayectorias inferiores de mayor longitud. Área de alta velocidad en el frente
A
Corte A-A
A
Figura 2.8 6
Área de baja velocidad en el frente
Para corregir esta situación se coloca en el interior de la cabina con salida superior, una pantalla con la forma indicada en la Figura 2.9, que posee tres o más aberturas que presentan una relación ancho / longitud igual o menor a 0,2 y se las denominan ranuras . Estas ranuras, al ser estrechas, producen pérdidas de presión relativamente importantes comparadas con las producidas por las trayectorias del aire entre el frente de la cabina y dichas ranuras, y se usan para obtener una distribución de velocidades más uniformes en el frente, al ofrecer al aire trayectorias de longitudes más uniformes independientemente del lugar por donde entre. Esta distribución uniforme se logra cuando, además, el movimiento del aire, en el recorrido entre las ranuras y la boca de salida de la cabina, produce pérdidas pequeñas respecto a las producidas por el pasaje del aire a través de dichas ranuras. Para lograr todo esto, se deben dimensionar adecuadamente las ranuras y el pleno o cámara ubicado detrás de estas ranuras (ver Figura 2.9). Se comienza por plantear la siguiente ecuación: Q = v r . n . a r . l (m3 / s)
(2.7)
donde: Q : caudal a aspirar, obtenido por la ecuación (2.5), v
r
: velocidad del aire en la ranura (se supone que es uniforme en todas las ranuras),
n : número de ranuras, a r : ancho de la ranura, y l : longitud de la ranura ( igual a la longitud del frente abierto).
Pantalla
Pantalla
Cámara o pleno ar ap 2ap
Figura 2.9 7
Es habitual adoptar el número de ranuras igual a tres, o sea que n = 3, y como ya se conoce la longitud (l) del frente abierto de la cabina, la ecuación (2.7) presenta dos incógnitas: la velocidad en las ranuras (v r) y el ancho (a r) de la ranura. La bibliografía recomienda, para la mayoría de los casos, una velocidad en la ranura del orden de 10 veces la velocidad en el frente de la cabina, y nunca menor de 5 m 3 /s. El ancho de la ranura resulta igual a: y nunca menor de 5 m 3 / s. a r = Q / v r / n / l (m)
(2.8)
Para diseñar adecuadamente el pleno se recomienda una velocidad en el mismo que sea igual o menor que la mitad de la velocidad en la ranura: vp
½ . v r (m / s)
(2.9)
Esta correspondencia entre las velocidades representa una equilibrada relación para lograr la uniformidad de la velocidad en el frente de la cabina, con una pérdida de presión aceptable. A partir de la relación indicada en (2.9), se deduce que el ancho del pleno es: ap
2 . a r (m / s)
(2.10)
A la altura de la segunda ranura se incorpora el caudal aportado por ésta y se suma al que proviene de la primera ranura; el caudal suma es el doble del que entra por cada ranura y como se debe mantener constante la velocidad en el pleno, la medida del ancho (a p) se duplica y por esto la pantalla presenta una inclinación como se indica en la Figura 2.9. El análisis es similar cuando se tratan de procesos fríos como cabinas de pintura (ver Figura 2.7). Ejemplo: Se desea calcular el caudal a aspirar por una cabina de laboratorio, dentro de la cual se evaporan solventes de baja toxicidad, que presenta una abertura de 1,5 m de largo por 0,8 m de alto, cuando se encuentra levantada totalmente la puerta guillotina. Las corrientes erráticas pueden afectar las velocidades en el frente de la campana. También se desean calcular las dimensiones de las ranuras colocadas para uniformar las velocidades en el frente de la cabina. Para ello primero se adopta una velocidad en el frente de la cabina de 0,5 m/s, en función de las tareas desarrolladas - evaporación de solventes de baja toxicidad -. Según la Tabla 2.1, se selecciona el valor superior de la velocidad de control correspondiente al “Caso I – Liberado casi sin velocidad en aire tranquilo” que es la actividad que más se le asemeja y con corrientes de aire que distorsionan la captura del contaminante (corrientes erráticas del aire del entorno). Utilizando a la expresión (2.6) se calcula el área del frente de la cabina: A f = h . l = 0,8.1,5 = 1,2 m 2 y el caudal (Q) se calcula aplicando la ecuación (2.5): 8
Q = v f . A f = 0,5. 1,2 = 0,6 m 3 / s Q = 0,6 m 3 / s Se eligen tres ranuras, dos de ellas se encuentran en el plano de una pantalla ubicada paralelamente al frente de la cabina, y la tercera está ubicada en el parte superior de dicha cabina, de acuerdo a lo indicado en la Figura 2.9. Se adopta la velocidad mínima de diseño recomendada de 5 m/s en las ranuras y aplicando la ecuación (2.8) se obtiene el ancho de éstas: a r = Q / v r / n / l = 0,6 / 5 / 3 / 1,5 = 0,0266 m Se adopta:
(2.7):
a r = 0,025 m
La nueva velocidad en cada ranura se obtiene despejándola de la ecuación v r = Q / n / a r / l = 0,6 / 3 / 0,025 / 1,5 = 5,33 m / s v r = 5,33 m / s El ancho del pleno, en la parte inferior, según la ecuación (10) es: a p = 2 . a r = 2 . 0,25 = 0,05 m a p = 0,05 m
A la altura correspondiente a la ubicación de la segunda ranura, el ancho del pleno será de: a’ p = 0,10 m 2.3.3. Campanas exteriores Se denomina campana exterior a la que controla la dispersión de los contaminantes de una fuente que está ubicada fuera de sus límites físicos. Se emplea cuando no es posible el uso de campanas de procesos confinados o de cabinas. Ejemplos (ver Figura 2.10): -
Ranuras de aspiración en los bordes de tanques o mesas de trabajo. Extremos de conductos próximos a pequeñas fuentes de contaminación. Campanas de captación dispuestas lateralmente a procesos indus-triales, sean las fuentes frías o calientes. Rejas en el suelo o en mesas de trabajo. Campanas suspendidas (sobre procesos que no liberan calor). Ventiladores helicoidales en paredes adyacentes a los procesos.
Las campanas exteriores ejercen su acción creando corrientes direccionales de la zona adyacente a la abertura de succión. Estas corrientes inducen velocidades 9
en los puntos más distantes, que arrastran al contaminante hacia el interior de la campana. El movimiento del aire debe controlar al contaminante hasta alcanzar la campana. Los movimientos del 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. La eliminación de las posibles causas de esos movimientos de aire es un factor importante para lograr un control efectivo del contaminante, sin tener que recurrir a caudales de aspiración excesivos e incurrir en elevados costos de funcionamiento asociados a ellos. Entre los motivos más importantes que originan movimientos de aire se encuentran: -
Los procesos a alta temperatura o las operaciones que generan calor, que dan lugar a corrientes de aire de origen térmico. Movimiento de la maquinaria, como piedras de amolado y pulido, cintas transportadoras, etc. Movimiento de materiales, como en la descarga de volquetes o el llenado de depósitos. Movimiento del operario. Corrientes erráticas de aire en el local (que se consideran habitual-mente entre 0,12 y 0,25 m/s, pero pueden ser mucho mayores). Movimiento rápido del aire producido por equipos de enfriamiento o calentamiento localizado.
2.3.3.1. Contornos de velocidad En la Figura 2.11 está dibujada una campana lateral de sección circular y se indican las líneas de corriente , que representan el movimiento del aire; las tangentes trazadas por sus distintos puntos indican las direcciones de los vectores que representan a la velocidad. En las proximidades de la boca de aspiración de una campana exterior existen superficies perpendiculares a los vectores de velocidad que presentan el mismo módulo. Estas superficies reciben el nombre de contornos de velocidad o superficie de igual velocidad . A C1
1
2
A C2
x 2x
Figura 2.11
10
En la Figura 2.11 se representa un punto (1) ubicado a una distancia x de la campana: la velocidad inducida en el punto es (v 1) y el área del contorno de velocidad que pasa por el punto (1) se lo denomina (A C 1). El caudal a aspirar se obtiene aplicando la ecuación (2.1): Q = v 1 . A C 1 (m3 / s)
(2.11)
Si ahora se considera el punto (2) ubicado a una distancia 2 x del frente de la campana, con una velocidad inducida (v 2) y el área del contorno de velocidad (A C 2), y puesto que a través de las áreas de cada uno de los dos contornos de velocidad pasa el mismo caudal de aire (Q), resulta: Q = v 1 . A C 1 = v 2 . A C 2 (m3 / s)
(2.12)
A partir de una cierta distancia de la boca de la campana hacia la derecha, se puede suponer que los contornos tienden a esferas; luego el área de cada contorno es: AC =
. x 2 (m 2) y reemplazando en (2.12):
Q = v 1 . . x 1 2 = v 2 . . x 2 2 (m3 / s) y resulta v 1 / v 2 = x 2 2 / x 1 2 (2.13) es decir, las velocidades son inversamente proporcionales a los cuadrados de los diámetros y a medida que aumenta la distancia desde la campana, las velocidades inducidas disminuyen haciéndose cada vez más pequeñas. 2.3.3.2. Velocidades de control Se denomina velocidad de control o de captura a la velocidad mínima del aire, inducida en las proximidades de la campana, que es necesaria para capturar y dirigir hacia ella el aire contaminado. Esta velocidad de aire es función del caudal de aire aspirado y de la forma de la campana. Cuando la boca de una campana está ubicada a una distancia (x 1) de un punto sobre el cual es necesario inducir una velocidad de control (v c), para controlar la dispersión de los contaminantes, el caudal (Q 1) a aspirar por la campana, según la ecuación (2.11), es: Q 1 = v c . A C1 = v c . k 1 . x 1 2 (m3 / s)
(2.14)
donde k 1: coeficiente de proporcionalidad y que es función de la forma del contorno de velocidad. Si la campana se ubica ahora a una distancia (x 2) que es el doble de la distancia anterior (x 1) y se requiere inducir la misma velocidad de control (v c), el nuevo caudal (Q 2) a aspirar por la campana, según la ecuación (2.11), es: Q 2 = v c . A C2 = v c . k 2 . x 2 2 (m3 / s) 11
(2.15)
y donde se supone que el coeficiente de proporcionalidad (k 2) es el mismo que en el caso anterior. Dividiendo miembro a miembro las ecuaciones (2.15) y (2.14): Q 2 / Q 1 = x 2 2 / x 1 2 = (2 . x 1) 2 / x 1 2 = 4 (2.16) O sea que el caudal a aspirar para inducir la misma velocidad de control, cuando la campana se encuentra al doble de distancia de la fuente a controlar, es cuatro (4) veces mayor que el caudal original, si los contornos de velocidad tienden a superficies esféricas; esto justifica lo señalado en la Figura 2.3. Pero cuando los coeficientes de proporcionalidad (k i) son diferentes pues las formas de los contornos de velocidad también lo son, entonces la relación de los caudales es del orden de cuatro (4) veces. En la Tabla 2.1 se indican valores para las velocidades de control. TABLA 2.1 - Valores recomendados para las velocidades de control Condiciones de dispersión del Contaminante
Ejemplos
Velocidad de control (m/s)
I – Liberado casi sin velocidad en aire Evaporación desde depósitos; detranquilo. sengrase, etc.
0,25 – 0,5
Cabinas de pintura; llenado Interde recipientes; transferenII - Liberado a baja velocidad en aire mitente cias entre cintas transportadoras a moderadamente tranquilo. baja velocidad; soldadura; recubrimientos superficiales; pasivado.
0,5 – 1,0
Cabinas de pintura poco profundas; III - Generación activa en una zona de llenado de barriles; carga de cintas rápido movimiento. transportadoras.
1,0 – 2,5
IV - Liberado con alta velocidad inicial en Desmolde en fundiciones, chorros una zona de movimiento muy rápido del de aire abrasivos. aire.
2,5 - 10
En cada una de las condiciones citadas se indica un rango para los valores de la velocidad de control. La selección del valor adecuado depende de los siguientes factores: Límite inferior
1. Corrientes de aire en el local mínimas o favorables a la captura del contaminante. 2. Contaminantes de baja toxicidad o molestos. 3. Producción de contaminantes baja o intermitente. 4. Campana de gran tamaño o con una gran masa de aire en movimiento.
Límite superior
1. Corrientes de aire que distorsionan la captura del contaminante. 2. Contaminantes de alta toxicidad. 3. Gran producción, uso continuo. 4. Campana pequeña, únicamente control local.
12
2.3.3.3. Determinación del caudal de aspiración Para calcular el caudal de aire a aspirar por la campana se debe: - 1°: determinar la velocidad de control que se debe ejercer sobre un punto exterior ubicado a una distancia x del frente de dicha campana (ver Tabla 2.1), - 2° : determinar el área del contorno de velocidad que pasa por dicho punto y - 3° : obtener el caudal utilizando la ecuación (2.11). Esto se conoce como el método racional para el calculo de campanas exteriores. La dificultad de la aplicación de la ecuación (2.11) radica en la determinación del área del contorno de velocidad. Es por ello que se han realizado estudios que han permitido obtener los valores de las velocidades inducidas en las proximidades del frente de la campana, en función de la distancia a la boca de aspiración y partir de éstos, se han determinado las ecuaciones de cálculo. Para campanas laterales de boca circular, cuadrada o rectangular, estas últimas con un relación ancho a largo (W / L) igual o mayor que 2 (ver Figura 2.12), el caudal de aspiración viene dado por la expresión: Q = v . (10 . x 2 + A) (m3
/s)
(2.17)
donde: Q : caudal de aire a aspirar por la campana, v : velocidad de control en el eje de la campana a una distancia x de la boca en (m/s), x : distancia a la boca de la campana en (m) y A : área del frente o boca de la campana, (m2). De la ecuación (2.17) se deduce que el caudal varía con el cuadrado de la distancia a la campana. 2.3.3.4. Efecto de las pantallas La denominación de pantalla se utiliza para definir a: 1) Una superficie situada en el plano del frente de la campana y unida a su borde, que representa una barrera al flujo de aire que proviene de la zona posterior de la campana; también es llamada pestaña , 2) Una superficie que impide el flujo del aire procedente de ciertas direcciones situadas enfrente o lateralmente a la campana; también es denominada deflector . Cuando se utiliza una pantalla que corresponde al caso 1), los contornos de velocidad se desplazan hacia fuera, en comparación con la misma campana sin pantalla y el efecto es mayor sobre su eje. La mejora introducida por la pantalla resulta en una reducción aproximada del 25 % del caudal necesario para inducir una velocidad dada a la distancia x. La ecuación del caudal (2.17) se modifica en este caso: 13
Q = 0,75 . v . (10 . x 2 + A) (m3
/s)
(2.18)
Para la mayor parte de las aplicaciones el ancho de la pantalla debe ser igual a la raíz cuadrada del área de la boca de la campana ( A ) (ver Figura 2.13). Cuando se utiliza una pantalla que corresponde al caso 2), el efecto es similar. La magnitud del resultado dependerá del tamaño y la ubicación del deflector. En el caso de una campana apoyada sobre una mesa o sobre el piso, la ecuación del caudal (14) se modifica según la expresión: Q = v . (5 . x 2 + A) (m3 /s)
(2.19) (ver Figura 2.13)
Ejemplo: Se desea calcular el caudal a aspirar por una campana apoyada sobre el borde de una mesa rectangular de 1,0 m de largo por 0,5 m de ancho, donde un operario realiza pulidos de piezas utilizando una pulidora de mano. La campana tiene un frente abierto de 1,0 m por 0,6 m. Se considera que en el borde de la mesa, opuesto a la campana es conveniente inducir una velocidad de control de 1,0 m/s. (ver Tabla 2.1: se adopta el valor mínimo de la velocidad de control recomendada, correspondiente al “Caso III – Generación activa en una zona de rápido movimiento de aire”). Con esta velocidad de control se busca proteger al operario que se encuentra de pie sobre el lado opuesto al que está apoyada la campana. Se aplica la ecuación (2.19): Q = v . (5. x 2 + A) = 1,0 . (5. 0.5 2 + 1,0 . 0,6) = 1,85 m3 /s Q = 1,85 m3/s 2.3.3.5. Campanas con bocas de aspiración tipo ranuras Se denominan campanas tipo ranuras o rendijas las que presentan bocas de aspiración con una relación ancho / longitud igual o inferior a 0,2. Las ranuras se utilizan habitualmente para lograr un flujo de aire de aspiración uniforme y una velocidad de control adecuada sobre una superficie de generación de contaminantes, por ejemplo en una cuba abierta para desengrase o en la boca de una campana de gran tamaño, como en ciertos diseños de campanas de aspiración lateral. La función de la ranura es únicamente proporcionar una distribución uniforme del aire . En este caso los contornos de velocidad tienden a superficies cilíndricas con el eje paralelo a la dimensión mayor de la ranura. Las campanas con bocas tipo ranura constan normalmente de una abertura estrecha y un pleno. La uniformidad de la distribución del aire a lo largo de la ranura se logra dimensionando adecuadamente el ancho de la ranura y la profundidad del pleno, de manera que la velocidad del aire en la ranura sea muy superior a la del pleno, y se genere una pérdida de carga alta en la ranura en comparación con la 14
pérdida de carga en el pleno. Por lo tanto, todos los puntos de la ranura están sujetos a una aspiración prácticamente idéntica y por ello la velocidad es prácticamente uniforme. No existe un método directo para el cálculo de las pérdidas de presión de un conjunto ranura-pleno. Una aproximación adecuada, aplicable a la mayor parte de las campanas, consiste en diseñar el pleno para lograr que su velocidad máxima sea la mitad de la velocidad en la ranura. Para la mayoría de los casos una velocidad de 10 m/s en la ranura y de 5 m/s en el pleno representa un equilibrio razonable entre la uniformidad del flujo y una pérdida de carga moderada. Los diseños en los que el conducto de extracción se encuentra ubicado en el centro del pleno permiten dimensiones mínimas del mismo, puesto que el aire se aproxima a la salida desde direcciones opuestas. Cuando es posible emplear plenos grandes y profundos, como en el caso de las campanas para las operaciones de desmoldeo en las fundiciones, la velocidad en la ranura puede ser tan pequeña como 5 m/s, con velocidades en el pleno de 2,5 m/s. 2.3.3.6. Campanas suspendidas La campana suspendida o dosel es una campana colocada a una determinada altura sobre una fuente fría. El esquema de la campana es el indicado en la Figura 2.14 (ver también la Figura 2.13). Se recomienda que la campana exceda al diámetro o a los lados de la fuente de emisión de contaminantes. La ecuación general para esta campana suspendida de cuatro laterales abiertos es: Q = v. K. p.h
(m3 / s)
(2.20)
donde: Q : caudal de aire a aspirar por la campana suspendida en (m3/s), v : velocidad de control en (m/s) (ver Tabla 2.1), K : constante que varía con las relaciones entre las dimensiones de la campana y de la fuente contaminante, p : perímetro de la fuente en (m) y h : altura entre el plano superior de la fuente y el plano inferior de la boca de la campana en (m). Se recomienda que el tamaño de la campana exceda al diámetro o a los lados de la fuente de emisión de contaminantes en el 40 % de la altura que existe entre el borde inferior de la campana y el borde o plano superior de dicha fuente. es:
Cuando se satisface la condición anterior la ecuación de cálculo recomendada Q = v . 1,4 . p . h (m3 / s)
(2.21)
El valor exacto de K para otros casos no ha sido establecido. 15
Cuando la campana suspendida está apoyada sobre una pared se la conoce con el nombre de campana suspendida de tres laterales abiertos . La ecuación utilizada para el cálculo del caudal es: Q = v . (l + 2.a) . h (m3 / s)
(2.22)
Donde ahora: l : dimensión de la campana paralela a la pared en (m) y a : dimensión de la campana perpendicular a la pared en (m).
h
0,4 h
0,4 h
Figura 2.14 Cuando la campana suspendida está ubicada en una esquina del local, es decir sobre dos paredes, se la conoce con el nombre de campana suspendida de dos laterales abiertos . La ecuación de cálculo del caudal es: Q = v . (l + a) . h (m3 / s)
(2.23),
donde ahora: l y a: dimensiones de los laterales abiertos de la campana en (m). Los términos restantes de las ecuaciones (2.22) y (2.23) tienen el significado que los indicados en la ecuación (2.20). 2.3.3.7. Campanas para el control de cubas abiertas Las cubas abiertas , también conocidas como tanques abiertos son aquellas en donde se sumergen piezas para su limpieza superficial, como desengrasados o decapados, o para ser sometidas a procesos de galvanoplastía, tales como cromado, niquelado, etc. Las campanas que se usan para el control de las cubas abiertas pueden ser cabinas o campanas exteriores. Dentro de estas últimas se encuentran las llamadas campanas de extracción lateral , donde los diseños más usados son los mostrados en las Figuras 2.15 y 2.16. A continuación se indica un procedimiento para determinar las velocidades 16
mínimas de control en locales no perturbados por corrientes erráticas del aire y calcular los caudales correspondientes. Procedimiento Para obtener las velocidades de control necesarias de las campanas de captación, se considera que son función del Riesgo Potencial , del Grado de Generación del contaminante y del tipo de campana utilizada. El riesgo potencial de un contaminante representa el daño que puede producir a las personas expuestas y se obtiene a partir de la concentración máxima permisible ponderada en el período de ocho (8) horas (CMP) – ver Anexo II, Introducción a las Sustancias Químicas, del Decreto 359/79 y sus modificatorias, reglamentario de la Ley 19587, de Higiene y Seguridad en el Trabajo –, utilizando la información de la Tabla N° 2.2. Se indica con las letras A, B, C, y D, donde A representa a las sustancias de mayor riesgo y la letra D representa a las de menor riesgo. El grado de generación de un contaminante, que indica la probabilidad que el contaminante se desprenda de la superficie de la cuba y pase al ambiente de trabajo, se determina utilizando el valor resultante más desfavorable obtenido de la Tabla 2.3 o de la Tabla 2.5. En la Tabla 2.3 se indica los distintos grados de generación con los números del 1 al 4, en función de: - la temperatura del líquido de la cuba, - los grados de temperatura por debajo del punto de ebullición de las soluciones de las cubas, siempre que este valor se conozca, - de la evaporación relativa dada en horas, obtenida a partir de ensayos realizados para los distintos solventes utilizados en los procesos o - de la evaporación relativa también clasificada como rápida, media, lenta y nula o inapreciable, y donde al pie de la mencionada Tabla N° 2.3 se indica como se obtienen estas categorías a partir del llamado Tiempo de secado relativo . Estos últimos valores figuran en el Apéndice 1, para un gran número de solventes. Con el riesgo y el grado así obtenidos, se forma el grupo correspondiente: A1, B2, C3, etc. Con este grupo se ingresa a la Tabla 2.4 y se obtiene la velocidad mínima de control (m/s), en función de los distintos tipos de campanas que pueden utilizarse. Esto es para ubicaciones sin corrientes de aire apreciables dentro del local. Con las velocidades así obtenidas de la Tabla 2.4 y con las dimensiones de las cabinas o de las campanas suspendidas elegidas, aplicando las correspondientes ecuaciones de cálculo, se obtienen los caudales a aspirar. (ver ecuaciones: (2.5), (2.21), (2.22) y (2.23)). Cuando se utilizan campanas de extracción lateral (ver Figura 2.15), la ecuación de cálculo para determinar el caudal es: Q = q . b . l (m3 / s) 17
(2.24)
donde:
q : caudal específico o sea caudal mínimo por área de superficie de cuba (m3 / s / m2), b : dimensión de la cuba perpendicular a la ranura (rendija) de aspiración en (m) y l : dimensión de la campana paralela a la ranura (rendija) de aspiración en (m).
Para obtener los valores del caudal específico mínimo (q) se trabaja de la siguiente forma, a partir de los datos indicados en la Tabla N° 2.6: Con el valor de la velocidad mínima de control obtenida de la Tabla N° 2.4, de acuerdo al riesgo y grado manejado, se entra en la columna de la izquierda y con las características de la campana, caso I – campana de aspiración apantallada o contra una pared – o caso II – campana de aspiración sin pantalla –, se selecciona la fila correspondiente. Se ubica la columna encabezada con el valor de la relación ancho a largo de la cuba (b / l) y en la intersección con la fila hallada en el paso anterior se determina el valor del caudal específico (q). Empleando la expresión (2.24) se obtiene el caudal que debe aspirar la campana. El ancho (b) de la cuba indica el ancho efectivo sobre el que la campana debe aspirar el aire. Cuando la boca de la campana está más allá del borde de la cuba, esta distancia debe ser sumada al ancho de la cuba. Cuando b ≤ 0,5 m, es adecuado emplear una sola ranura. Cuando 0,5 < b ≤ 1.0 m, es aconsejable emplear dos ranuras. Cuando 1.0 < b ≤ 1,2 m, es necesario emplear dos ranuras. Cuando b > 1,2 m, no es práctico el empleo de la ventilación por localizada por extracción, siendo preferible el empleo del encerramiento de la fuente o el sistema de impulsión – aspiración. No debe ventilarse una cuba cuya relación b/l es superior a 2,0 m, no siendo aconsejable hacerlo cuando b/l es mayor de 1,0 m. Q
v a cam
cam
vr
ar
b l 18
Figura 2.17
Para lograr una distribución correcta del aire a través de toda la superficie de la cuba, (ver Figura 2.17), se recomienda que la boca de entrada sea del tipo ranura, es decir con un ancho (a r) pequeño – en las figuras 2.15 y 2.16 se indica como “s” – y la cámara o pleno, sobre la que se ha construido la ranura, debe poseer un ancho que produzca una velocidad del aire (v cam) en la cámara o pleno – en las figuras 2.15 y 2.16 se indica como “2 s” –, que sea la mitad de la velocidad del aire a través de la ranura (v r). Con ello se logran pérdidas de presión en la cámara o pleno suficientemente bajas para no distorsionar la buena velocidad que se logra en la ranura. Experimentalmente se determina que la velocidad (v r) recomendada en la ranura es de 10 m/s. Con este valor se obtienen buenos resultados, sin que se aumenten en forma excesiva las pérdidas de carga en ella. El ancho de la ranura se calcula de la siguiente forma: Conocido el caudal a aspirar (Q), utilizando la expresión (2.24), éste debe pasar a través de la ranura; se plantea entonces la siguiente ecuación: Q = v r . a r . l (m3 / s)
(2.25)
donde: v r : velocidad del aire en la ranura, a r : ancho de la ranura, y l : longitud de la ranura, igual a la longitud de la cuba abierta. Usando la velocidad recomendada de la ranura de 10 m/s y despejando la incógnita ancho de ranura (a r) resulta: a r = Q / v r / l (m)
(2.26)
En el pleno se aconsejan que la velocidad se mantenga igual o menor a la mitad de la velocidad en la ranura: v
cam ≤
v r / 2 (m / s)
(2.27)
y el ancho de la cámara o pleno resulta entonces igual o mayor que el doble del ancho de la ranura: a
cam ≥
2.a
r
(m)
(2.28)
Estos comentarios también son válidos para las campanas de extracción lateral del tipo “B – Pleno hacia abajo” (ver Figura 2.15). Recomendaciones: Si la longitud de la cuba (l) es mayor que los 2,0 m es aconsejable emplear varias salidas de aire separadas, y si (l) es igual o superior a 3,0 m es necesario utilizar varia salidas de aire separadas unas de otras. El nivel del líquido en la cuba no debe estar a menos de 0,15 m de la boca de la cuba.
19
Siempre que sea posible se deben instalar encerramientos o tapas sobre las cubas. Se deben instalar pantallas para reducir las corrientes de aire transversales del local. Si esto no es posible, se debe aumentar la velocidad de control. Ejemplo: Dada una cuba con las siguientes características: Proceso: Decapado de acero. Contaminante generado: Gases de cloruro de hidrógeno. Temperatura del líquido: 50 ° C Dimensiones: 1,8 x 0,7 m, Situado en el centro del local y sin corrientes de aire transversales. Se desea conocer el caudal a aspirar y las dimensiones básicas de la campana. a) Tipo de campana:. Se emplea el diseño correspondiente al tipo “A – Pleno hacia arriba”, con la ranura apoyada sobre el lado de longitud “l” (ver Figura 2.15): b = 0,7 m - l = 1,8 m - b / l = 0,39 b) Contaminante generado: Gases de cloruro de hidrógeno. Riesgo potencial: A (ver Anexo II del Decreto 351/79: CPM = 5 ppm y Tabla 2.2). Grado de generación: 2 (ver Tabla 2.3 y Tabla 2.5, utilizando el valor más elevado). Riesgo y grado: A - 2 Velocidad de control: v c = 0,75 m / s (ver Tabla 2.4). Caudal específico mínimo: q = 1,15 m3 / s / m2, para caso I (cuba apantallada) y con b/l = 0,39 (ver Tabla 2.6). Caudal mínimo de aspiración (ecuación 2.24): Q = 1,15 . 0,7 . 1,80 m3 / s Q = 1,45 m3 / s c) Diseño de la campana: Velocidad de diseño en la ranura: se adopta v r = 10 m / s Ancho de la ranura (ver ecuación 2.26): a r = Q / v r / l = 1,45 / 10 / 1,8 = 0,0806 ≅ 0,081 m Profundidad de la cámara o pleno ( ver ecuación 2.28): a cam = 2 . a r = 2 . 0,081 = 0,162 m, o sea: a r = 0,08 m - a cam = 0,16 m 2.3.4. Campanas receptoras Se denominan campanas receptoras a las se ubican para recibir una corriente de aire contaminado inducido por las características de la fuente. Como ejemplos de estas campanas podemos citar: 20
Campanas suspendidas, también denominadas campanas dosel, ubica-das sobre procesos que liberan calor, es decir sobre una fuente caliente. Campana lateral adyacente a un disco de pulido que provoca una corriente de aire por la proyección de partículas inerciales. Campanas exteriores a las que se ha agregado una corriente de aire de gran velocidad dirigida hacia su frente desde el lado opuesto de la zona de contaminación. El proyecto de una campana receptora requiere información sobre la magnitud y las características del caudal de aire inducido por el proceso. El caudal de aire a extraer debe ser por lo menos igual al caudal inducido. 2.3.4.1 Campanas suspendidas sobre una fuente caliente Supongamos inicialmente una fuente ideal puntual (F) que entrega al medio una potencia calórica (H), expresada en vatios. La potencia calórica (H) calienta el aire del entorno de la fuente, lo que disminuye su densidad, y se produce el ascenso de éste; el espacio que deja libre el aire caliente que se eleva, es ocupado por aire frío del entorno y se reinicia el proceso de calentamiento; el resultado es una columna de aire caliente ascendente. La porción de aire caliente que se eleva produce, a su vez, una turbulencia que arrastra aire frío. Éste se mezcla con el aire caliente provocando un aumento progresivo del caudal en movimiento y una disminución, también progresiva, de la temperatura y de la velocidad. Esta corriente ascendente de aire adopta la forma de un cono de revolución con vértice en la fuente puntual y recibe el nombre de chorro convectivo (ver Figura 2.18). A una determinada altura, la velocidad de ascenso adquiere una magnitud tal que prácticamente coincide con las velocidades de las corrientes erráticas del lugar y entonces se produce la dispersión del chorro convectivo. Para analizar la situación planteada se utiliza el criterio de SUTTON y se utilizan las siguientes ecuaciones de cálculo: O
r
F, H (W)
Figura 2.18 El radio (r) expresado en metros (m), de la sección circular del chorro convectivo, a una altura genérica (z), también expresada en metros (m), es: r = 0,221 . z 0,88 (m) 21
(2.29)
La velocidad promedia, expresada en metros por segundo (m/s), con la que el aire atraviesa la sección circular es: v = 0,052 . H 1/3 . z - 0,29 (m/s)
(2.30)
con H expresado en vatios (W). Y el caudal inducido por la fuente caliente es: Q ind = v . A = v .
r 2 (m3 /s)
y reemplazando en esta ecuación los valores de la velocidad, ecuación (2.30), y el radio, ecuación (2.29), resulta: Q ind = 0,008 . H 1/3 . z 1,47
0,008 . H 1/3 . z 3/2 (m3
/s)
(2.31)
Se considera ahora una instalación real (ver Figura 2.19) donde: el diámetro (D h), corresponde al del horno, con su base apoyada sobre el suelo, la altura (h) es la distancia entre la boca de la campana y el plano superior del horno y la potencia calórica (H) es la que el horno entrega al medio. Estos valores son establecidos según las características y requerimientos del proceso. Para la situación planteada se desea calcular el caudal inducido (Q ind) por la fuente en el frente de la campana, y el radio ( r ch ) del chorro convectivo que se genera. Para ello se prolongan hacia abajo las generatrices del chorro convectivo formado entre el horno y la campana, para determinar la ubicación de la fuente. r ch
h
Q ind
H (W) Dh
Figura 2.19 puntual (F), que se encuentra por debajo de la fuente. Se ha pasado de un tronco de cono, de altura (h), a un cono de altura (z) con vértice en el punto F. Se considera entonces que la fuente puntual reemplaza al horno, emitiendo al medio la misma energía (H). El valor (z) se obtiene como suma de: 22
z = x + h (m)
(2.32)
donde, a su vez, (x) se obtiene a partir de la ecuación (2.29), en la cual se coloca como valor del radio de la sección circular, a la altura (x), al diámetro de la fuente dividido por dos (2), resultando: D h / 2 = 0,221 . x 0,88 (m) y despejando de esta expresión a (x) resulta: x = ( D h / 0,442 ) 1,136 x = 2,53 . D h 1.136 (m)
(2.33)
Conocido ahora el valor de (z), aplicando la ecuación (2.31) se calcula el caudal inducido en la boca de la campana por el horno. A partir de la ecuación (2.29), se obtiene el valor del radio del chorro convectivo (r ch), según la Figura 2.20: r ch = 0,221 . z 0,88 (m)
(2.34)
rc r ch
h
Δ
r ch
Dh
z x
F, H (W)
Figura 2.20 Dado que las corrientes erráticas del local provocan el desplazamiento del chorro convectivo en distintas direcciones, el radio de la campana (r c) debe ser superior al radio del chorro convectivo ascendente, para garantizar una captación total. Según lo recomendado por el Manual de Ventilación Industrial, el radio del chorro convectivo se incrementa en el valor: r ch = 0,4 . h El radio de la campana se calcula entonces utilizando la expresión: 23
r c = r ch + r ch = r ch + 0,4 . h (m)
(2.35)
donde: r c es el radio de la campana. El caudal a aspirar por la campana es entonces: Q = Q ind + Q exc (m3 /s)
(2.36)
donde: Q ind: caudal calculado según ecuación (2.31) Q exc: caudal de aire proveniente del entorno del ambiente de trabajo. Este caudal en exceso se obtiene utilizando la expresión: Q exc = v exc . A exc = v exc . (A c - A ch) (m3 /s)
(2.37)
donde: v exc : es la velocidad con la que el aire del entorno del local atraviesa la sección en exceso (A exc), A exc : es la diferencia entre el área de la campana (A c) y el área del chorro convectivo (A ch). El área de la campana es: A c = . r c 2 (m2)
(2.38)
con el radio de la campana obtenido según la ecuación (2.35). El área del chorro convectivo es: A ch =
. r ch 2 (m2)
(2.39)
Reemplazando en (2.37): Q exc = v exc . . (r c 2 - r ch 2) (m3 /s)
(2.40)
Si la campana es cuadrada el radio se convierte en la mitad del lado y: (m2)
Ac = (2 . rc )2
(2.41)
La potencia calórica (H) que entrega un horno al medio se determina como la diferencia entre la potencia recibida por el horno (P r) y la potencia utilizada en el mismo (P u): H = P r - P u (W) Conociendo la eficiencia ( h) del proceso (horno), es decir la relación entre la potencia utilizada (P u) en el proceso y la potencia recibida (P r) por el proceso, ( h P u / P r), se calcula el valor de la potencia calórica (H) utilizando la expresión: H =Pr - Pu =(1-
h
24
) . P r (W)
(2.42)
Para otros tipos de procesos se pueden plantear otras ecuaciones de balances de potencias térmicas. Ejemplo: Se tiene un horno eléctrico de 0,90 metros de diámetro. Éste recibe de la línea de alimentación una potencia de 15 kW. Se coloca una campana suspendida a una altura de 0,80 m sobre el plano superior del horno, que tiene a su vez una altura de 1,00 m. ¿Cuál será el caudal a aspirar por la campana y el diámetro de la misma? dc Q
Q ind
h = 0,8 m
Q exc
H = 15000 W
D h = 0,9 m
Figura 2.21 Según la Figura 2.21, la altura (h) es igual a 0,80 m y el diámetro del horno (D h) es igual a 0,9 m. Aplicando la expresión (2.31) resulta: x = 2,53 . D h 1.136 = 2,53. 0,9 1.136 = 2,24 m y según la expresión (2.30) resulta: z = x + h = 2,24 + 0.8 = 3,04 m Reemplazando a continuación en la expresión (2.29) se obtiene el caudal inducido por el horno: Q ind = 0,008 . H 1/3 . z 3/2 = 0,008.10000 1/3. 3,04 3/2 = 1,044 m3 /s Aplicando la ecuación (2.32) resulta: r ch = 0,221. z 0,88 = 0,221. 3,04 0,88 = 0,59 m El radio de la campana se calcula usando la ecuación (2.33): r c = r ch + 0,4. h = 0,59 + 0,4. 0,8 = 0,91 m 25
d c = 1,82 m El caudal en exceso (Q exc) se obtiene aplicando la ecuación (2.38) y adoptando una velocidad (v exc) de 0,5 m/s: Q exc = v exc . π. (r c 2 - r ch 2) = 0,5. π. ( 0,91 2 – 0,59 2) = 0,752 m3 /s y el caudal a aspirar, según la ecuación (2.34), es: Q = Q ind + Q exc = 1,044 + 0,752 = 1,80 m3 /s Q = 1,80 m3/s
26
NOTA: Las Tablas N° 2.1 a N° 2.6, las figuras 2.1 a 2.7, 2.10, 2.12, 2.13, 2.15 y 2.16, como así también el Apéndice 1, han sido obtenidas del libro VENTILACIÓN INDUSTRIAL - Generalitat Valenciana. Conselleria de Treball i Afers Socials. Direcció General de Treball. Paseo de la Alameda, 16 - 46010 Valencia. ESPAÑA. BIBLIOGRAFIA VENTILACION INDUSTRIAL Generalitat Valenciana. Conselleria de Treball i Afers Socials. Direcció General de Treball. Paseo de la Alameda, 16.46010 Valencia. ESPAÑA. INDUSTRIAL VENTILATION - A Manual of Recommended Practice. Committee on Industrial Ventilation. P. O. Box 16153. Lansing. Michigan 48901 USA. American Conference of Governmental Industrial Hygienist. 6500 Glenway Avenue, Bldg. D - 7. Cincinnati, Ohio 45211 USA. FUNDAMENTOS DE VENTILACION INDUSTRIAL V. V. BATURIN. Editorial LABOR S.A. Calabria, 235 - 239. Barcelona - 15. ESPAÑA. VENTILACION INDUSTRIAL - Descripción y diseño de los sistemas de ventilación industrial. Rubens E. POCOVÍ – Universidad Nacional de SALTA. Ediciones MAGNA PUBLICACIONES. Catamarca 285. San Miguel de Tucumán. República ARGENTINA
27
TABLA N° 2.2 DETERMINACIÓN DEL RIESGO POTENCIAL
Concentración máxima permisible Riesgo potencial
Gases o vapores Nieblas (ppm) (mg / m3) (ver Ley 19,587 y sus modificaciones)
0 - 10 11 - 100 101 - 500 > 500
A B C D
0 - 0,1 0,11 - 1 1,1 - 10 > 10
Punto de inflamación (°C)
(ver Apéndice 1)
< 40 40 - 90 > 90
TABLA N° 2.3 DETERMINACIÓN DEL GRADO DE GENERACIÓN
Grado de generación
Temperatura del líquido (° C)
1 2 3 4
> 90 65 - 90 35 - 65 < 35
Grados por relativa * debajo del punto Evaporación Tiempo para 100% de de ebullición evaporación (horas) (° C)
0 - 10 11 - 26 26 - 50 > 50
Rápida (0 - 3) Media (3 - 12) Lenta (12 - 50) Nula > 50
* Tiempo de secado relativo (ver Apéndice 1): < 5 : Rápido; 5 -15 : Medio; 15 - 75 : Lento; > 75 : Nulo o despreciable.
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TABLA N ° 2.4 Velocidad mínima de control (m/s) para locales sin corrientes de aire Clase: riesgo y grado (ver Tablas 2.2 y 2.3)
Cabina
Extracción lateral (ver Figura 2,15) (Nota 1)
Campanas suspendidas (ver Figura 2,13)
Un lateral abierto
Dos laterales abiertos
A-1 y A-2 (Nota 2)
0,5
0,75
0,75
A-3 (Nota 2), B-1, B-2 y C-1
0,375
0,50
0,5
0,625
0,875
B-3, C-2 y D-1 (Nota 3)
0,325
0,45
0,375
0,5
0,75
A - 4 (Nota 2) C - 3 y D - 2 (Nota 3)
0,25
0,37
0,25
0,375
0,625
Tres laterales abiertos
Cuatro laterales abiertos
No emplear
B-4, C-4 y D-3 (Nota 3) y D - 4 : Es suficiente con una adecuada ventilación general. Notas:1.Emplee la relación ancho / longitud para calcular el caudal; ver Tabla 2.6 para el cálculo. 2. No emplee campanas suspendidas cuando el grado de peligrosidad sea A.
TABLA N° 2.5 Velocidad mínima de control (m/s) en procesos típicos, con poco movimiento de aire
Operación
Contaminante
Velocidad de control para Riesgo Grado de extracción potencial generación lateral (ver Figura 2.15)
Agua caliente hirviendo Vapor de agua D 1 0,38 * Agua caliente no hirviendo Vapor de agua D 2 0,25 * Anodizado de aluminio Ácidos crómico y sulfúrico A 1 0,75 Aluminio, abrillantado Ácidos nítrico y sulfúrico A 1 0,75 Aluminio, abrillantado Ácidos nítrico y fosfórico A 1 0,75 Arranque de cobre Nieblas alcalinas y de cianuro C 2 0,38 Arranque de níquel Vapores nitrosos A 1 0,75 Cobreado Nieblas de cianuro C 2 0,38 Cromado Ácido crómico A 1 0,75 Decapado de acero Ácido clorhídrico A 2 0,75 Decapado de acero Ácido sulfúrico B 1 0,50 Limpieza de metales Nieblas alcalinas C 1 0,50 Soluciones salinas(bonderizado) Hirviendo Vapor de agua D 1 0,38 * No hirviendo Vapor de agua D 2 0,25 * * Cuando se desee un control completo del agua caliente, trátese como de la clase inmediata superior. 29
TABLA N° 2.6 CAUDAL A ASPIRAR ( m3 / s por m2 de tanque)
b/l ≤
0,10
> ≤
vc
0,25
0,375
0,50
0,75
0,10 0,25
> ≤
0,25 0,50
> ≤
0,50 1,00
1,00 ≤ 2,00 >
I
0,25
0,30
0,375
0,45
0,50
II
0,375
0,45
0,50
0,55
0,625
I
0,375
0,45
0,55
0,65
0,75
II
0,55
0,65
0,75
0,85
0,95
I
0,50
0,625
0,75
0,875
1,00
II
0,75
0,875
1,00
1,15
1,25
I
0,75
0,95
1,15
1,32
1,52
II
1,15
1,25
1,52
1,73
1,90
b (m) : ancho del tanque, si la captación es de un solo lado; mitad del ancho del tanque, si la captación se hace por ambos lados o siguiendo el eje del tanque. l (m) : largo del tanque. v c (m/s) : velocidad de control. Caso I : campana de aspiración apantallada o contra una pared. Caso II : campana de aspiración sin pantalla en el centro del local.
30
EFECTO DE LA DENSI DAD
LOS VAPORES DE DISOLVENTES EN CONCENTRACIONES PELIGROSAS PARA LA SALUD NO SON AP RECIABLEMENTE MÁS PESADOS QUE EL AIRE. LA EXTRACCIÓN A NIVEL DEL SUELO PROPORCIONA SÓLO PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS.
Figura 2.1
31
SITÚE LA CAMP ANA DE FORMA QUE EL CONTAMIN ANTE SEA ALEJADO DE LA ZONA RESPIR ATORIOA DEL OPERARI O
Figura 2.2
COLOQUE LA CAMPANA TAN CERCA COMO SEA POSIBLE DEL FOCO CONTAMINANTE. EL CAUDAL NECESARIO AUMENTA CON EL CUADRADO DE LA DISTANCIA AL FOCO.
Figura 2.3
32
ENCIERRE LA OP ERACIÓN TANTO COMO SEA P OSIBLE. CUANTO MÁS ENCERRADO ESTÉ EL FOCO, MENOS AI RE ES NECESARIO PA RA CONTROLAR LO
EXTRACCI ÓN DE SILOS
Figura 2.4
33
EXTRACCIÓN PAR A ELEVADOR DE CANGILONES
Figura 2.5
34
CABIN A DE LABORATORI O
Figura 2.6
35
CABIN AS PEQUEÑAS DE PIN TURA
Figura 2.7
36
Figura 2.10 37
Figura 2.12 38
Figura 2.13 39
Figura 2.15
40
Figura 2.16
41
APÉNDICE 1
42
