Criterios de cálculo y diseño de flujos laminares

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Tecnología Industrial
Criterios de cálculo
y diseño de flujos
laminares
Patrones de Flujo del Aire.
Condiciones de Flujo laminar
José Luis Jiménez Álvarez
Gerente / TCI, S.L.L.
Los patrones de flujo de
aire en las salas limpias
pueden dividirse en tres
tipos: unidireccionales,
no unidireccionales y
mixtos. Los patrones
del flujo de aire para las
salas limpias de la clase
ISO 5 (Grado A GMP)
son unidireccionales,
mientras que los no
unidireccionales y
mixtos son típicos para
las salas limpias de la
clase ISO 6 o inferiores.
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industria farmacéutica
El flujo unidireccional, bien sea horizontal o vertical, se basa en un suministro de
aire filtrado en el que las entradas de aire
y los retornos de aire son casi opuestos
los unos a las otras, de tal forma que las
líneas de corriente de aire se mantienen
paralelas unas a otras tanto como sea posible (flujo tipo pistón). La característica
más importante de este tipo de flujo es la
capacidad de asegurar que el patrón de
flujo de aire es perturbado lo menos posible en la zona central del proceso.
En un plano de trabajo perpendicular
al flujo de aire limpio, todas las posiciones ofrecen el mismo nivel de limpieza.
Las posiciones de trabajo inmediatamente anexas al suministro de aire limpio
ofrecen condiciones óptimas para el control de la contaminación.
En el flujo no unidireccional, el flujo de aire se impulsa desde las salidas de
filtro localizadas en múltiples posiciones
distribuidas en el plano de admisión y se
retorna a través de rejillas de retorno situadas en posiciones más alejadas.
Las salidas de filtro pueden estar
distribuidas a intervalos iguales en la sala limpia, o concentradas sobre la zona
central del proceso. Por otro lado, aunque las ubicaciones de las rejillas de retorno son menos críticas que en los flujos
unidireccionales, se deben distribuir de
tal manera que se minimicen las zonas
muertas en el interior de la sala limpia.
Los flujos mixtos se dan en salas limpias en las que se combinan flujo unidireccionales y no unidireccionales.
La Figura 1, da ejemplos que ilustran
los diferentes patrones de aire en salas
limpias.
Las operaciones críticas de alto riesgo
como por ejemplo, llenado, bandejas de
tapones, ampollas, viales abiertos y realización de conexiones asépticas, se realizan en salas limpias grado A GMP. Estas
condiciones se consiguen normalmente
en un flujo laminar. Los sistemas de flujo
laminar deben proporcionar una velocidad homogénea del aire en un intervalo
de 0,45 m/s +/-20% (0,36 – 0,54 m/s)
en el punto de trabajo concreto de estas
operaciones, siendo el patrón del flujo de
aire unidireccional.
En la Tabla 1, se muestran los requerimientos de concentración de partículas
en el aire para las normas EU GMP Mar.
2009 y EN ISO 14644-1.
De todo lo anterior, se desprende la
necesidad de diseñar y calcular correctamente los equipos necesarios para la
correcta instalación y cualificación de los
flujos laminares.
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Tecnología Industrial
Cálculo y selección de los equipos
de ventilación
Para seleccionar correctamente los
equipos de ventilación (ventiladores y
extractores), es necesario calcular correctamente los siguientes parámetros:
– Caudal de aire.
– Presión estática disponible en el ventilador.
– Potencia eléctrica de los motores.
El caudal de aire se calcula de la siguiente manera:
Donde:
Q: es el caudal de aire en m3/h
v: es la velocidad del aire en la zona de
trabajo, 0,45 m/s
A: es el área del flujo laminar en m2
f: es un factor de forma adimensional,
que tiene en cuenta la disposición de los
retornos y los obstáculos presentes
La presión estática disponible del
ventilador se puede calcular como suma de la pérdida de carga en conductos,
elementos de difusión de aire, retornos
de aire y filtros:
Figura 1
Tipos de patrones de flujo de aire
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Figura 2
Mejoras en flujo de aire a través de obstáculos
Figura 3
α: es un parámetro adimensional que
tiene en cuenta el material del conducto, 0,9 para acero galvanizado
Y en cada elemento singular es:
Punto de remanso
u
H
p
x
LO
L
La pérdida de carga en conductos se
puede expresar de la siguiente manera:
La pérdida de carga en cada tramo
recto es:
Es decir, como suma de la pérdida
de carga en cada tramo recto, más la suma de la pérdida de carga en cada elemento singular (codo, T,…).
Donde:
L: es la longitud del tramo en m
v: es la velocidad del aire en el tramo en
m/s
DH: es el diámetro hidráulico del tramo
en m
Donde:
ρ: es la densidad del aire en kg/m3
K: es el coeficiente de perdidas, que depende de la forma del elemento singular
La pérdida de carga en elementos de
difusión y rejillas de retorno, depende
del tipo de elemento. Estos elementos
pueden ser:
– Rejillas microperforadas
– Velos de elementos textiles
– Rejillas comerciales
En el caso de las rejillas microperforadas, la pérdida de carga se puede calcular de la siguiente forma:
Donde:
ρ: es la densidad del aire en kg/m3
kd: es el coeficiente de pérdidas
: es la relación entre el área de los orificios y el área total de la rejilla
Tabla 1. Requerimientos concentración partículas en el aire para grado A GMP
EN REPOSO
EN FUNCIONAMIENTO
MÁXIMO NÚMERO DE PARTÍCULAS
CLASE
A
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industria farmacéutica
ISO 5
0,5µ
5µ
0,5µ
5µ
3.520
20
3.520
20
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vd: es la velocidad del aire antes de la rejilla perforada en m/s
La pérdida de carga en los filtros, se
puede calcular como sigue:
La ubicación y
dimensiones de las
rejillas de retorno es un
factor muy importante
en el diseño de flujos
laminares
Donde:
Q: es el caudal de aire en m3/h
Ki: es el coeficiente de pérdida de carga
de cada etapa de filtración, considerando el filtro como sucio
La potencia eléctrica del ventilador
se puede calcular como sigue:
Perturbaciones en un flujo laminar
Donde:
Q: es el caudal de aire en m3/h
Pd: es la presión dinámica del ventilador
Ped: es la presión estática del ventilador
η: es el rendimiento del ventilador
ρ: es la densidad del aire en kg/m3
vv: es la velocidad de salida del aire en
el ventilador
Av: es la sección de salida del ventilador
En un flujo de aire unidireccional, los
obstáculos físicos tales como el equipamiento de proceso y los procedimientos
de operación, deben considerar los requisitos aerodinámicos necesarios para
prevenir turbulencias en las proximidades de las zonas críticas más sensibles a
la contaminación.
Estas perturbaciones, también afectan al cálculo del caudal del ventilador
a través del parámetro f. Este parámetro depende del número de Reynolds de
la corriente, Re, y del tamaño característico del obstáculo, Lo. Para obtener
valores característicos de éste factor de
forma, es necesario resolver las ecuaciones de Navier-Stokes para el campo
fluido, por ejemplo para el caso bidimensional:
Donde:
u, v: son las componentes del vector velocidad
x, y: son las coordenadas
P: es la presión
ρ: es la densidad
ν: es la viscosidad cinemática
La ecuación anterior, puede ser resuelta cerca del punto de remanso (punto en el cual la velocidad se hace cero,
tal y como se ve en la Figura 3), para
el caso incompresible y despreciando los
efectos de la viscosidad, mediante la función de corriente definida como sigue:
• Criterios de cálculo y diseño de flujos laminares
Foto 1
En la medida de lo
posible el nivel de ruido
en el flujo laminar debe
mantenerse por debajo
de los 65 dB
Flujo laminar
se por debajo de los 65dB. Para ello hay
dos posibles criterios de diseño:
– Alejar los ventiladores de la zona del
flujo laminar, incluso incluyendo silenciadores en los conductos.
– En el caso de ventiladores ubicados
directamente sobre los filtros, éstos se
han de sobredimensionar para que la
emisión sonora se mantenga por debajo de los 65 dB.
Por último, por temas de eficiencia
energética es muy recomendable la utilización de ventiladores de acoplamiento
directo electrónicamente conmutados
junto con la regulación PID en continuo del ventilador mediante una sonda
de velocidad y la actuación sobre el punto de trabajo del ventilador.
Conclusiones
Obteniéndose:
Donde:
U: es la velocidad de la corriente exterior
H: es la distancia al obstáculo en el cual
la corriente no es perturbada
El valor de H, es una función del número de Reynolds y de la dimensión característica del obstáculo:
Que se puede obtener resolviendo
las ecuaciones anteriores mediante
métodos numéricos o mediante
métodos experimentales. Para números
de Reynolds altos, Re>15.000, el orden
de magnitud de esta distancia es:
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industria farmacéutica
Es decir, mediante las ecuaciones
anteriores, podemos obtener el valor del
factor de forma, f. Por ejemplo, para un
plano de trabajo situado a 25 cm de un
obstáculo de 1 m, el valor del factor de
forma es 1,15.
Después de esta presentación técnica,
se hace evidente la importancia que
tiene no sólo la utilización de materiales de muy buena calidad para la construcción de los flujos laminares, sino la
utilización de correctas herramientas
de cálculo y diseño que garanticen la
idoneidad de los parámetros críticos:
limpieza del aire, presión, velocidad del
aire, etc.
Otros criterios de cálculo y diseño
Bibliografía
La ubicación y dimensiones de las rejillas
de retorno, es un factor muy importante
en el diseño de flujos laminares. En la
medida de lo posible, han de cumplirse
los siguientes criterios:
– Han de estar situadas en todo el perímetro del flujo laminar
– La altura de las rejillas, ha de ser inferior a la zona de trabajo para no afectar
al campo fluido en la zona más crítica
– La velocidad de paso ha de ser lo más
pequeña posible para no afectar al
campo fluido en la zona más crítica.
Valores de 1-1,5m/s son recomendables.
Otro parámetro a tener en cuenta, es
el nivel de ruido en el flujo laminar. En
la medida de lo posible ha de mantener-
[1] European Commission, Mar. 2009. “EU
Guidelines to Good Manufacturing Practice
Medicinal Products for Human and Veterinary Use”
[2] ISO Technical Committee, May. 1999.
“ISO 14644 Cleanrooms and associated controlled environments”
[3] Varios autores, Ene. 1999. “ISPE Baseline, Sterile Manufacturing Facilities”
[4] Varios autores, 2009. “ISPE Good Practice Guide, HVAC”
[5] McCABE W.H., Smith J.C., Harriott H.,
2007. “Operaciones unitarias en ingeniería
química”, Mc Graw Hill
[6] Landau L.D., Lifshitz E.M., 1991. “Mecánica de Fluidos”, Ed. Reverté.
[7] Idelchik I.E., 1993. “Handbook of
Hydraulic Resistance”, CRC Press. n
nº 175