salas limpias
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Como es bien sabido, en el proceso de puesta enmarcha y validación de una instalación de aireacondicionado para una sala limpia es preciso cer-tificar que el caudal de aire que se introduce en ellocal coincide dentro de unos márgenes de errorcon el caudal de proyecto. La medida de este cau-dal se realiza según varios procedimientos, siendodos muy habituales la utilización de tubo de Pitotpara medir el caudal en los conductos y la utiliza-ción de anemómetro de hélice para medirlo a lasalida de los filtros absolutos. Dependiendo delprocedimiento seguido es habitual obtener valoresdistintos de este caudal; valores que, con relativafrecuencia, llegan a mostrar discrepancias aprecia-bles entre sí. En el caso particular de la utilizaciónde anemómetro y de tubo de Pitot, el caudal ob-tenido por el primer método suele conducir a va-lores del caudal mayores que los obtenidos por elsegundo procedimiento.
Considerando que la determinación del valor delcaudal mediante un anemómetro es más imprecisaque mediante un dispositivo de presión diferencialintercalado en el conducto y simulando las condi-ciones habituales de toma de datos en una sala lim-pia, hemos diseñado un experimento para estimarel error cometido cuando se emplea aquel primerprocedimiento.
Obtenemos como resultado, en condiciones de la-boratorio, que el caudal medido utilizando el ane-mómetro puede ser apreciablemente mayor que elcaudal real. Mostramos gráficas que cuantifican estadiscrepancia. Finalmente, discutimos cómo esteerror de medición puede conducir a un falseamien-to de la validación de la instalación haciendo no re-comendable, a nuestro juicio, la utilización del ane-mómetro de hélice para la determinación del cau-dal de aire impulsado en la sala limpia.
Validación de caudales de aire en salas
limpias
Antonio Estévez Manso* y Marco Fassina**
*Doctor en Ciencias Físicas. Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Madrid.
** Responsable Técnico de Aircommissioning
febrero 2011
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El objeto de este artículo es discutir la idoneidad del uso del
anemómetro de hélice para medir el caudal de aire a la salida
de un filtro absoluto, y en particular, la utilización de este ins-
trumento de medida en las labores de validación de una insta-
lación de acondicionamiento de aire para salas limpias
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Normativa aplicable al
proceso de validación de
una instalación
Además de ser de aplicación losprincipios básicos establecidosen la norma UNE-EN 12599 [1]que determina el procedimientode prueba y los métodos de me-dida para la puesta en marcha deuna instalación de ventilación yde acondicionamiento de aire decarácter general, la puesta enmarcha de la instalación de aireacondicionado de una sala limpiaestá regulada por la parte terce-ra de la norma UNE-EN ISO14644 [2], que enumera y detallael conjunto de pruebas y medi-ciones que se han de ejecutarpara validar la instalación.
En particular, y en lo que al flujode aire respecta, la norma indicaclaramente cuál es el propósitode estas pruebas (Ref. [2], pág.28):
B.4.1 Principio El objeto de este
ensayo es medir la velocidad y la
uniformidad del flujo de aire y del
caudal de aire impulsado en sales
y zonas limpias. Las mediciones de
la distribución de la velocidad son
necesarias en salas y zonas limpias
con flujo de aire unidireccional, y
del caudal de aire impulsado en
salas y zonas limpias con flujo de
aire no unidireccional. La medición
del caudal de aire impulsado se
efectúa con el fin de obtener el vo-
lumen de aire impulsado en la ins-
talación limpia por unidad de
tiempo y este valor puede ser utili-
zado para obtener las renovacio-
nes de aire por unidad de tiempo.
El caudal de aire impulsado se
mide bien aguas abajo de los fil-
tros terminales o bien en los con-
ductos de impulsión; ambos méto-
dos permiten obtener la medición
de la velocidad del flujo de aire
que atraviesa una superficie cono-
cida, siendo el caudal de aire el
producto de la velocidad por el
área. La elección del procedimien-
to debería acordarse entre el
cliente y el suministrador. Estos
ensayos son aplicables en los tres
estados de funcionamiento defini-
dos.
Entre otros controles, pruebas ymediciones, en esta norma sehace mención explícita del pro-cedimiento que se debe seguir yde los instrumentos de medidaque se deben utilizar para medirtanto el caudal de aire de sumi-nistro en los conductos como elcaudal de aire que se introduceen la sala a través de los filtrosabsolutos.
Así, en el Anexo A de la norma(Ref. [2], pág. 17) aparece cuálesson los instrumentos de medidaque pueden ser utilizados paramedir el caudal de aire que cir-cula por los conductos de sumi-nistro: medidor de Venturi, tubode Pitot, caudalímetro de placade orificio o campana de medi-ción con caudalímetro. Para lamedida del caudal a la salida delos filtros se permite la utiliza-ción de cualquiera de los ante-riores, excepto el medidor dePitot. Finalmente, para la medidade la velocidad del aire se permi-te la utilización de anemómetrode hilo caliente, anemómetro ul-trasónico, anemómetro de héli-ce o tubo de Pitot.
En la cuarta sección del Anexo B(B.4 Medición del flujo de aire,Ref. [2], pág. 28) se detalla elprocedimiento a seguir para rea-lizar las medidas del caudal y dela velocidad con los citados ins-
trumentos. En particular, expli-cita cómo calcular el caudal a lasalida del filtro a partir del valormedido para la velocidad delaire.
B.4.2 Procedimiento para el ensa-
yo en instalaciones con flujo de
aire unidireccional.
B.4.2.1 Generalidades. La veloci-
dad del flujo de aire unidireccional
determina las características de la
sala limpia con flujo de aire unidi-
reccional. La velocidad puede me-
dirse cerca de la superficie del fil-
tro terminal de impulsion o dentro
de la sala. Esto se realize definien-
do un plano de medición perpendi-
cular a la dirección del flujo de aire
impulsado y dividiéndolo en celdi-
llas de igual superficie [15].
B.4.2.2 Velocidad de impulsion
del aire. La velocidad del aire de-
bería medirse aproximadamente a
una distancia entre 150 mm a 300
mm de la superficie del filtro. El
número de puntos de medición de-
bería ser suficiente para obtener el
caudal de aire impulsado en la
sala y zonas limpias, y debería ser
la raíz cuadrada de 10 veces la su-
perficie en metros cuadrados pero
nunca inferior a 4. Como mínimo
debería medirse un punto para
cada salida de filtro o unidad de
filtro con ventilador. Puede utilizar-
se una Cortina para excluir las
perturbaciones que puedan afectar
al flujo de aire unidireccional.
El tiempo de medición en cada po-
sición debería ser suficiente para
asegurar lecturas repetibles. Se
deberían registrar los valores tem-
porales medios de las velocidades
medidas para varios puntos de me-
dición.
B.4.2.3 Uniformidad de la veloci-
dad dentro de la sala limpia. La
uniformidad de la velocidad debe-
ría medirse aproximadamente a
una distancia entre 150 mm a
300 mm de la superficie del filtro
y la subdivisión en celdillas debe-
ría definirse por acuerdo entre
cliente y suministrador.
Cuando los aparatos de produc-
ción y las mesas de trabajo están
instaladas, es importante confir-
mer la existencia de variaciones
importantes del flujo de aire. Por
lo tanto, la medición de la unifor-
midad de la velocidad no debería
realizarse en puntos junto a estos
obstáculos .
Es possible que los datos medidos
no indiquen las características de
la propia instalación de sala o
zona limpia. Los datos a tener en
cuenta para obtener la uniformi-
dad de la velocidad, es decir, la
distribución de la velocidad, debe-
rían acordarse entre el cliente y el
suministrador.
El tiempo de medición en cada po-
sición debería ser suficiente para
asegurar lecturas repetibles.
B.4.2.4 Caudal de aire impulsado
medido mediante la velocidad en
la superficie del filtro. El resulta-
do del ensayo de la velocidad del
flujo de aire realizado de acuerdo
con el apartado B.4.2.2 se puede
utilizar para calcular el caudal to-
tal de aire impulsado según lo
siguiente:
Q = ∑(Uc × Ac)
donde
Q es el caudal de aire total;
Uc es la velocidad del flujo de aire
en el centro de cada celdilla;
Ac es la superficie de cada una de
las celdillas, definida como el área
de la instalación dividida por el
número de puntos de medición;
∑ es la suma de todas las celdi-
llas.
B.4.2.5 Caudal de aire impulsado
en conductos. El caudal de aire
impulsado en conductos puede
medirse con caudalímetros volu-
métricos tales como placas de ori-
ficio, Venturis y anemómetros, re-
ferenciados en las Normas ISO
5167-1 a ISO 5167-4[19][20][21][22].
En el caso de mediciones con tubo
de Pitot y manómetros o anemó-
metros (térmicos o de hélice) en
conductos rectangulares, el plano
de medición en el conducto debe-
ría estar dividido en celdillas de
igual superficie, y la velocidad del
aire debería medirse en el centro
de cada una de ellas. El número de
celdillas ha de estar acordado en-
tre el cliente y el suministrador,
por ejemplo, 9 ó 16. El caudal de
aire volumétrico debería calcularse
tal como se indica en el apartado
B.4.2.4. Para conductos circulares,
puede medirse el caudal volumé-
trico con un tubo de Pitot según el
procedimiento que se describe en
la Norma EN 12599[10].
Procedimiento habitual de
validación de una instalación
El responsable de la puesta enmarcha y validación de la instala-ción de aire acondicionado ensalas limpias sigue un procedi-miento establecido y previamen-te acordado con el cliente quequeda bien establecido en las
normas UNE-EN 12599 y UNE-EN ISO 14644-3, como se acabade discutir en la sección anterior.En particular, será motivo deacuerdo, y así quedará claramen-te establecido, cuáles serán losprocedimientos que se emplea-rán para la medida del caudal deaire tanto a la salida de los filtrosabsolutos como en los conduc-tos de suministro, así como losinstrumentos de medida que seemplearán.
Una situación habitual es aquellaen la que el caudal de aire en losconductos se mide mediantetubo de Pitot y el caudal a la sali-da de los filtros mediante ane-mómetro de hélice. Ésta es pre-cisamente la situación en la quecentraremos nuestra atención.
Comenzaremos comentando laslíneas fundamentales del procesode medida del caudal a la salidade los filtros. En el mercado hayuna amplia variedad de modelosy de tamaños de filtros absolu-tos, siendo los utilizados más ha-bitualmente aquellos que tienenpor dimensiones: 600x300 mm,600x600mm y 1200x600mm. Elvalor del caudal de aire emitidopor el filtro se determina deigual manera en cada uno de lostres casos: se divide el área delfiltro en celdas y se mide la velo-cidad del aire en cada una de és-tas, utilizando para ello un ane-mómetro de hélice que se suelesituar a una distancia de unosveinte centímetros del filtro; se-guidamente se calcula la veloci-dad media y se toma como cau-dal el producto de ésta por elárea del filtro. El número de cel-das en que se debe dividir el fil-tro depende de varios paráme-tros (el tamaño del propio filtro,
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el número de repeticiones de lamedida y otros detalles del pro-ceso de medida en sí); los deta-lles para la determinación deeste número están claramenteexpuestos en las normas UNE-EN 12599 y UNE-EN ISO14644-3.
Una vez medido el caudal emiti-do por cada uno de los filtros, seasigna como valor del caudal to-tal de aire impulsado en la sala lasuma de los caudales individualesde cada filtro.
Por su parte, el valor del caudalimpulsado por la máquina en losconductos de suministro se midemediante tubo de Pitot situadoen el ramal principal, en caso deque éste no se ramifique antesde llegar al primer filtro. Si el ra-mal principal se bifurca en rama-les secundarios es costumbrecolocar tubos de Pitot en cadauno de ellos, lo cual sirve en par-ticular para comprobar y asegu-rar el equilibrado de la red. Eneste caso se asigna como valordel caudal impulsado por la má-quina, el valor de la suma de cau-dales para los distintos ramalessecundarios.
Teóricamente, el valor del caudalde aire introducido en la sala y elvalor del caudal impulsado por lamáquina en el ramal principal de-ben ser iguales.
Sin embargo, en los procesos depuesta en marcha de las instala-ciones y en las posteriores y pe-riódicas labores de manteni-miento, es habitual encontrarsecon discrepancias en los valoresde esos dos caudales, que debe-rían coincidir dentro de los már-genes de error. Es frecuente en-
contrar que el valor del caudalcalculado a la salida de los filtrosmediante el anemómetro excedahasta entre un veinte y un treintapor ciento al caudal calculadomediante los tubos de Pitot ins-talados en los conductos.
Entre los profesionales dedica-dos a la puesta en marcha y vali-dación de instalaciones se aceptacomúnmente que el procedi-miento de medida basado entubo de Pitot es más preciso queel basado en la utilización delanemómetro de hélice. De he-cho, en los casos en que es gran-de la discrepancia entre los valo-res del caudal calculados por am-bos procedimientos, habitual-mente se asigna como valor delcaudal el determinado mediantetubo de Pitot.
Sin embargo, en muchos casosde puesta en marcha, validacióno simples labores de manteni-miento de una instalación, sóloes posible determinar el caudalque se impulsa en la sala limpiamediante la medida del caudal ala salida de los filtros, utilizandopara ello un anemómetro de hé-lice. En estos casos el valor me-dido del caudal seguramentevenga afectado por un margende error elevado y en cualquiercaso será un caudal mayor alreal.
Este hecho tiene una implicaciónobvia e importante: se está false-ando el valor del caudal de aireque se introduce en la sala lim-pia, asignándole un valor mayoral real. Si se acepta este valor sinaplicar algún tipo de factor decorrección no se estará garanti-zando el número de renovacio-nes hora previstas y en conse-
cuencia puede verse afectada lacalidad del aire dentro de la salalimpia.
Motivados por lo anterior y conobjeto de cuantificar el error co-metido cuando se hace uso delanemómetro de hélice en la de-terminación de caudales en salaslimpias, diseñamos un experi-mento de laboratorio que inten-taba simular las condiciones rea-les en una instalación. Presenta-mos los detalles de este experi-mento en la sección siguiente.
Montaje experimental
Diseñamos un experimento delaboratorio sencillo que permitíaconocer con gran precisión elcaudal de aire suministrado a unfiltro absoluto y comparar estevalor con el obtenido medianteun anemómetro de hélice con elque se determinaba el caudal asu salida. En la medida de lo po-sible se trató de recrear las con-diciones que se dan habitual-mente en el proceso de toma dedatos en una sala limpia.
El montaje experimental, llevadoa cabo en el laboratorio de Físicade la E.U.I.T. Aeronáutica (Uni-versidad Politécnica de Madrid),se describe a continuación:
4 Un ventilador alimentado conuna fuente de tensión variableproporcionaba un flujo de airede caudal variable que era di-rigido hacia la caja de un filtroabsoluto a través de un con-ducto circular metálico rectilí-neo. Este conducto, de diáme-tro d=250 mm y de una longi-tud l=6 m, estaba hermética-mente sellado con siliconapara impedir fugas de aire.
4Con objeto de determinarcon precisión el valor del cau-dal de aire enviado al filtro, sediseñó y construyó un caudalí-metro de placa de orificio quese dispuso en el interior delconducto. Este caudalímetrose diseñó atendiendo a la nor-ma UNE-EN ISO 5167 (par-tes 1 y 2) [3,4]. Básicamenteconsistía en un enderezadorde flujo interpuesto entre elcomienzo del conducto (co-nexión del ventilador) y la pla-ca de orificio; la propia placade orificio, inserta en el con-ducto a una distancia d=4,5 mdel comienzo de éste, con unorificio de diámetro d=150mm; dos tomas de presión si-tuadas asimétricamente antesy después de la placa, consondas conectadas a un manó-metro diferencial calibrado ycertificado. Los valores delcaudal medidos con este cau-dalímetro se ven afectados deun error relativo inferior ae=0,5 % (cota de error cal-culada según la norma UNE-EN ISO 5167-2 [4]).
4Conectado mediante tubo fle-xible al extremo terminal delconducto se encontraba lacaja que contenía el filtro ab-soluto HEPA H14. Se trabajócon dos tamaños de filtro,600x300 mm y 600x600 mm.
4Debajo del filtro se situabauna estructura metálica sobrela cual apoyaba el anemóme-tro de hélice. Éste se disponíahorizontalmente, con el moli-nete orientado paralelamentea la superficie del filtro, a unadistancia d=20 cm. El anemó-metro podía desplazarse libre-mente en el plano horizontal
mediante un dispositivo dedoble guía anclado en la es-tructura. En el momento de latoma de datos el anemómetrose situaba justamente debajode cada una de las celdas enque era dividido el filtro, em-pleándose para determinar elvalor de la velocidad del aireen esa celda. El anemómetroempleado se encontraba cali-brado y certificado.
4Finalmente, se disponía unasonda de temperatura en elconducto, corriente abajo dela placa de orificio. El valor dela temperatura en el interiordel conducto permitía calcularla densidad del aire.
En cuanto al proceso de toma dedatos, y como se acaba de indi-car un poco más arriba, se reali-zaron medidas para dos filtrosabsolutos HEPA H14, uno rec-tangular de dimensiones 300x600 mm y otro cuadrado de ta-maño 600x600 mm. En amboscasos se tomaron medidas paraun conjunto de valores del cau-dal, o equivalentemente, para unconjunto de velocidades del airea la salida del filtro. En amboscasos, estas velocidades estabancomprendidas dentro delmargen v ≈ 0.3 - 0.9 m/s .
Cada uno de los filtros fue divi-dido imaginariamente en celdas,n = 10 celdas en el caso del fil-tro rectangular y n = 25 celdasen el caso del cuadrado. Se mi-dió el valor de la velocidad delaire justo debajo de cada una delas celdas, con el anemómetrosituado a d=20 cm de distancia.Estos valores se utilizaron paraobtener el valor del caudal de
aire según la siguiente expre-sión:
Qanemómetro
=3600VmS
donde:
QAnemómetro
caudal de aire(m3/h).
Vm =
velocidad media del aire a la sali-da del filtro (m/s).
nivelocidad del aire a la salida
de cada celda (m/s).
n número de celdas.
S área neta del filtro:: S=0.1595 m2 para el filtro
rectangular.
S=0.3364 m2 para el filtrocuadrado.
Simultáneamente a la medida delcaudal efectuada utilizando elanemómetro de hélice, se reali-zaba otra medida usando el cau-dalímetro. En este caso se medíala presión diferencial del aire alatravesar la placa de orificio(Δp). En términos de esta magni-tud, se calcula el caudal de airesegún la siguiente expresión (vé-ase la norma ISO 5167-2 [4]):
donde:
QCaudalímetro caudal de aire (m3/h).
C coeficiente de descarga delcaudalímetro (C.0.60 ennuestras condiciones).
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ε factor de expansibilidad del aire (ε .1en nuestras condiciones).
d diámetro del orificio (d=150 mm).
D diámetro del conducto (D=250mm).
b relación de diámetros (b = d/D).
r densidad del aire (corregida portemperatura y altitud).
Δp.presión diferencial en la placa deorificio.
Resultados
En las gráficas 1 y 2 se muestran los cau-dales medidos para cada uno de los dosfiltros HEPA 14. Se representan los cau-dales medidos por ambos procedimien-tos, con anemómetro y con caudalíme-tro de orificio, obtenidos para distintasvelocidades del aire a la salida del filtro.
A la vista de estos dos gráficos se ob-tiene la conclusión de que el valor delcaudal medido con el anemómetro dehélice es siempre mayor que el medidocon el caudalímetro de placa de orificio,en el intervalo de velocidades conside-rado. La diferencia entre ambos valoresdel caudal aumenta con la velocidad.
En el gráfico 3 mostramos la correla-ción entre ambos caudales (QCaudalímetro /QAnemómetro) en función de la velocidad ala salida del filtro.
Del análisis de esta gráfica se obtieneuna estimación del orden de magnitudde la diferencia de valor entre amboscaudales. Así, en la zona de interés parala velocidad, la diferencia entre amboscaudales está en el rango 15% a 20%para el filtro cuadrado (580x580 mm)mientras que lo está en el rango 20% a25% para el filtro rectangular (580x275mm).
Gráfico 1
Gráfico 2
Gráfico 3
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Conclusiones
Los resultados que hemos obte-nido confirman las dudas queplanteábamos al principio, estoes, que el anemómetro de héliceno es idóneo como instrumentopara medir el caudal de aire a lasalida de un filtro absoluto.
La medida mediante el anemóme-tro de hélice del caudal de aireemitido por un filtro absoluto con-duce a una sobreestimación delvalor que, en términos redondos,estimamos puede cifrarse en un15% a 25%. A nuestro juicio, estacifra es demasiado elevada paraque los valores obtenidos en elproceso de medida puedan ser to-mados como válidos.
Nuestra conclusión es que debedescartarse la utilización de este
instrumento de medida, debiendoser sustituido por la campana demedición con caudalímetro. Entodo caso, en aquellas situacionesen que por algún motivo deba uti-lizarse el anemómetro de hélicecon objeto de determinar el valordel caudal, su utilización deberíaser complementada con medidassimultáneas del caudal en el con-ducto realizadas mediante tubode Pitot, lo cual permitiría la apli-cación de un factor correctivo. Anuestro juicio, el anemómetro dehélice debería ser utilizado única-mente para medir la velocidad delflujo de aire y no para determinarel caudal (a menos que se apliqueun factor correctivo).
Bibliografía
[1] UNE-EN 12599:2001 Ventila-ción de edificios. Procedimientos de
ensayo y métodos de medición parala recepción de los sistemas de ven-tilación y de climatización instalados.
[2] UNE-EN ISO 14644-3:2006 Sa-las limpias y locales anexos controla-dos. Parte 3: Métodos de ensayo.
[3] UNE-EN ISO 5167-1:2003 Me-dición del caudal de fluidos median-te dispositivos de presión diferencialintercalados en conductos en cargade sección transversal circular. Parte1: Principios y requisitos generales.
[4] UNE-EN ISO 5167-2:2003 Me-dición del caudal de fluidos median-te dispositivos de presión diferencialintercalados en conductos en cargade sección transversal circular. Parte2: Placas de orificio.
Agradecimientos: expresamos nues-tro agradecimiento a la empresaGeneral Filter Italia por habernosproporcionado varios filtros absolu-tos HEPA 14.û