VALIDACIÓN DE CAUDALES DE AIRE EN SALAS LIMPIAS Antonio Estévez Manso. Doctor en Ciencias Físicas. Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Madrid. [email protected] Marco Fassina. Responsable Técnico de AIRCOMMISSIONING. [email protected] 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 instrumento de medida en las labores de validación de una instalación de acondicionamiento de aire para salas limpias. Como es bien sabido, en el proceso de puesta en marcha y validación de una instalación de aire acondicionado para una sala limpia es preciso certificar que el caudal de aire que se introduce en el local coincide dentro de unos márgenes de error con el caudal de proyecto. La medida de este caudal se realiza según varios procedimientos, siendo dos muy habituales la utilización de tubo de Pitot para medir el caudal en los conductos y la utilización de anemómetro de hélice para medirlo a la salida de los filtros absolutos. Dependiendo del procedimiento seguido es habitual obtener valores distintos de este caudal; valores que, con relativa frecuencia, llegan a mostrar discrepancias apreciables entre sí. En el caso particular de la utilización de anemómetro y de tubo de Pitot, el caudal obtenido por el primer método suele conducir a valores del caudal mayores que los obtenidos por el segundo procedimiento. Considerando que la determinación del valor del caudal mediante un anemómetro es más imprecisa que mediante un dispositivo de presión diferencial intercalado en el conducto y simulando las condiciones habituales de toma de datos en una sala limpia, hemos diseñado un experimento para estimar el error cometido cuando se emplea aquel primer procedimiento. Obtenemos como resultado, en condiciones de laboratorio, que el caudal medido utilizando el anemómetro puede ser apreciablemente mayor que el caudal real. Mostramos gráficas que cuantifican esta discrepancia. Finalmente, discutimos cómo este error de medición puede conducir a un falseamiento de la validación de la instalación haciendo no recomendable, a nuestro juicio, la utilización del anemómetro de hélice para la determinación del caudal de aire impulsado en la sala limpia. 1. Normativa aplicable al proceso de validación de una instalación. Además de ser de aplicación los principios básicos establecidos en la norma UNE-EN 12599 [1] que determina el procedimiento de prueba y los métodos de medida para la puesta en marcha de una instalación de ventilación y de acondicionamiento de aire de carácter general, la puesta en marcha de la instalación de aire acondicionado de una sala limpia está regulada por la parte tercera de la norma UNE-EN ISO 14644 [2], que enumera y detalla el conjunto de pruebas y mediciones que se han de ejecutar para validar la instalación. En particular, y en lo que al flujo de aire respecta, la norma indica claramente cuál es el propósito de 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 volumen de aire impulsado en la instalación limpia por unidad de tiempo y este valor puede ser utilizado para obtener las renovaciones de aire por unidad de tiempo. El caudal de aire impulsado se mide bien aguas abajo de los filtros terminales o bien en los conductos de impulsión; ambos métodos permiten obtener la medición de la velocidad del flujo de aire que atraviesa una superficie conocida, siendo el caudal de aire el producto de la velocidad por el área. La elección del procedimiento debería acordarse entre el cliente y el suministrador. Estos ensayos son aplicables en los tres estados de funcionamiento definidos. Entre otros controles, pruebas y mediciones, en esta norma se hace mención explícita del procedimiento que se debe seguir y de los instrumentos de medida que se deben utilizar para medir tanto el caudal de aire de suministro en los conductos como el caudal de aire que se introduce en la sala a través de los filtros absolutos. Así, en el Anexo A de la norma (Ref. [2], pág. 17) aparece cuáles son los instrumentos de medida que pueden ser utilizados para medir el caudal de aire que circula por los conductos de suministro: medidor de Venturi, tubo de Pitot, caudalímetro de placa de orificio o campana de medición con caudalímetro. Para la medida del caudal a la salida de los filtros se permite la utilización de cualquiera de los anteriores, excepto el medidor de Pitot. Finalmente, para la medida de la velocidad del aire se permite la utilización de anemómetro de hilo caliente, anemómetro ultrasónico, anemómetro de hélice o tubo de Pitot. En la cuarta sección del Anexo B (B.4 Medición del flujo de aire, Ref. [2], pág. 28) se detalla el procedimiento a seguir para realizar las medidas del caudal y de la velocidad con los citados instrumentos. En particular, explicita cómo calcular el caudal a la salida del filtro a partir del valor medido para la velocidad del aire. B.4.2 Procedimiento para el ensayo en instalaciones con flujo de aire unidireccional. B.4.2.1 Generalidades La velocidad del flujo de aire unidireccional determina las características de la sala limpia con flujo de aire unidireccional. La velocidad puede medirse cerca de la superficie del filtro terminal de impulsion o dentro de la sala. Esto se realize definiendo un plano de medición perpendicular a la dirección del flujo de aire impulsado y dividiéndolo en celdillas de igual superficie [15]. B.4.2.2 Velocidad de impulsion del aire La velocidad del aire debería medirse aproximadamente a una distancia entre 150 mm a 300 mm de la superficie del filtro. El número de puntos de medición debería 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 superficie 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 utilizarse una Cortina para excluir las perturbaciones que puedan afectar al flujo de aire unidireccional. El tiempo de medición en cada posición debería ser suficiente para asegurar lecturas repetibles. Se deberían registrar los valores temporales medios de las velocidades medidas para varios puntos de medición. B.4.2.3 Uniformidad de la velocidad dentro de la sala limpia La uniformidad de la velocidad debería medirse aproximadamente a una distancia entre 150 mm a 300 mm de la superficie del filtro y la subdivisión en celdillas debería definirse por acuerdo entre cliente y suministrador. Cuando los aparatos de producción y las mesas de trabajo están instaladas, es importante confirmer la existencia de variaciones importantes del flujo de aire. Por lo tanto, la medición de la uniformidad 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 uniformidad de la velocidad, es decir, la distribución de la velocidad, deberían acordarse entre el cliente y el suministrador. El tiempo de medición en cada posición 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 resultado 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 total de aire impulsado según lo siguiente: Q = ∑(Uc × Ac) donde Q Uc es el caudal de aire total; 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 celdillas. B.4.2.5 Caudal de aire impulsado en conductos El caudal de aire impulsado en conductos puede medirse con caudalímetros volumétricos tales como placas de orificio, Venturis y anemómetros, referenciados 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 anemómetros (térmicos o de hélice) en conductos rectangulares, el plano de medición en el conducto debería 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 entre 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 volumétrico con un tubo de Pitot según el procedimiento que se describe en la Norma EN 12599[10]. 2. Procedimiento habitual de validación de una instalación. El responsable de la puesta en marcha y validación de la instalación de aire acondicionado en salas limpias sigue un procedimiento establecido y previamente acordado con el cliente que queda bien establecido en las normas UNE-EN 12599 y UNE-EN ISO 14644-3, como se acaba de discutir en la sección anterior. En particular, será motivo de acuerdo, y así quedará claramente establecido, cuáles serán los procedimientos que se emplearán para la medida del caudal de aire tanto a la salida de los filtros absolutos como en los conductos de suministro, así como los instrumentos de medida que se emplearán. Una situación habitual es aquella en la que el caudal de aire en los conductos se mide mediante tubo de Pitot y el caudal a la salida de los filtros mediante anemómetro de hélice. Ésta es precisamente la situación en la que centraremos nuestra atención. Comenzaremos comentando las líneas fundamentales del proceso de medida del caudal a la salida de los filtros. En el mercado hay una amplia variedad de modelos y de tamaños de filtros absolutos, siendo los utilizados más habitualmente aquellos que tienen por dimensiones: 600x300 mm, 600x600mm y 1200x600mm. El valor del caudal de aire emitido por el filtro se determina de igual manera en cada uno de los tres casos: se divide el área del filtro en celdas y se mide la velocidad del aire en cada una de éstas, utilizando para ello un anemómetro de hélice que se suele situar a una distancia de unos veinte centímetros del filtro; seguidamente se calcula la velocidad media y se toma como caudal el producto de ésta por el área del filtro. El número de celdas en que se debe dividir el filtro depende de varios parámetros (el tamaño del propio filtro, el número de repeticiones de la medida y otros detalles del proceso de medida en sí); los detalles para la determinación de este número están claramente expuestos en las normas UNE-EN 12599 y UNE-EN ISO 14644-3. Una vez medido el caudal emitido por cada uno de los filtros, se asigna como valor del caudal total de aire impulsado en la sala la suma de los caudales individuales de cada filtro. Por su parte, el valor del caudal impulsado por la máquina en los conductos de suministro se mide mediante tubo de Pitot situado en el ramal principal, en caso de que éste no se ramifique antes de llegar al primer filtro. Si el ramal principal se bifurca en ramales secundarios es costumbre colocar tubos de Pitot en cada uno de ellos, lo cual sirve en particular para comprobar y asegurar el equilibrado de la red. En este caso se asigna como valor del caudal impulsado por la máquina, el valor de la suma de caudales para los distintos ramales secundarios. Teóricamente, el valor del caudal de aire introducido en la sala y el valor del caudal impulsado por la máquina en el ramal principal deben ser iguales. Sin embargo, en los procesos de puesta en marcha de las instalaciones y en las posteriores y periódicas labores de mantenimiento, es habitual encontrarse con discrepancias en los valores de esos dos caudales, que deberían coincidir dentro de los márgenes de error. Es frecuente encontrar que el valor del caudal calculado a la salida de los filtros mediante el anemómetro exceda hasta entre un veinte y un treinta por ciento al caudal calculado mediante los tubos de Pitot instalados en los conductos. Entre los profesionales dedicados a la puesta en marcha y validación de instalaciones se acepta comúnmente que el procedimiento de medida basado en tubo de Pitot es más preciso que el basado en la utilización del anemómetro de hélice. De hecho, en los casos en que es grande la discrepancia entre los valores del caudal calculados por ambos procedimientos, habitualmente se asigna como valor del caudal el determinado mediante tubo de Pitot. Sin embargo, en muchos casos de puesta en marcha, validación o simples labores de mantenimiento de una instalación, sólo es posible determinar el caudal que se impulsa en la sala limpia mediante la medida del caudal a la salida de los filtros, utilizando para ello un anemómetro de hélice. En estos casos el valor medido del caudal seguramente venga afectado por un margen de error elevado y en cualquier caso será un caudal mayor al real. Este hecho tiene una implicación obvia e importante: se está falseando el valor del caudal de aire que se introduce en la sala limpia, asignándole un valor mayor al real. Si se acepta este valor sin aplicar algún tipo de factor de corrección no se estará garantizando el número de renovaciones hora previstas y en consecuencia puede verse afectada la calidad del aire dentro de la sala limpia. Motivados por lo anterior y con objeto de cuantificar el error cometido cuando se hace uso del anemómetro de hélice en la determinación de caudales en salas limpias, diseñamos un experimento de laboratorio que intentaba simular las condiciones reales en una instalación. Presentamos los detalles de este experimento en la sección siguiente. 3. Montaje experimental. Diseñamos un experimento de laboratorio sencillo que permitía conocer con gran precisión el caudal de aire suministrado a un filtro absoluto y comparar este valor con el obtenido mediante un anemómetro de hélice con el que se determinaba el caudal a su salida. En la medida de lo posible se trató de recrear las condiciones que se dan habitualmente en el proceso de toma de datos en una sala limpia. El montaje experimental, llevado a cabo en el laboratorio de Física de la E.U.I.T. Aeronáutica (Universidad Politécnica de Madrid), se describe a continuación: 1. Un ventilador alimentado con una fuente de tensión variable proporcionaba un flujo de aire de caudal variable que era dirigido hacia la caja de un filtro absoluto a través de un conducto circular metálico rectilíneo. Este conducto, de diámetro d=250 mm y de una longitud l=6 m, estaba herméticamente sellado con silicona para impedir fugas de aire. 2. Con objeto de determinar con precisión el valor del caudal de aire enviado al filtro, se diseñó y construyó un caudalímetro de placa de orificio que se dispuso en el interior del conducto. Este caudalímetro se diseñó atendiendo a la norma UNE-EN ISO 5167 (partes 1 y 2) [3,4]. Básicamente consistía en un enderezador de flujo interpuesto entre el comienzo del conducto (conexión del ventilador) y la placa de orificio; la propia placa de orificio, inserta en el conducto a una distancia d=4,5 m del comienzo de éste, con un orificio de diámetro d=150 mm; dos tomas de presión situadas asimétricamente antes y después de la placa, con sondas conectadas a un manómetro diferencial calibrado y certificado. Los valores del caudal medidos con este caudalímetro se ven afectados de un error relativo inferior a e=0,5 % (cota de error calculada según la norma UNE-EN ISO 5167-2 [4]). 3. Conectado mediante tubo flexible al extremo terminal del conducto se encontraba la caja que contenía el filtro absoluto HEPA H14. Se trabajó con dos tamaños de filtro, 600x300 mm y 600x600 mm. 4. Debajo del filtro se situaba una estructura metálica sobre la cual apoyaba el anemómetro de hélice. Éste se disponía horizontalmente, con el molinete orientado paralelamente a la superficie del filtro, a una distancia d=20 cm. El anemómetro podía desplazarse libremente en el plano horizontal mediante un dispositivo de doble guía anclado en la estructura. En el momento de la toma de datos el anemómetro se situaba justamente debajo de cada una de las celdas en que era dividido el filtro, empleándose para determinar el valor de la velocidad del aire en esa celda. El anemómetro empleado se encontraba calibrado y certificado. 5. Finalmente, se disponía una sonda de temperatura en el conducto, corriente abajo de la placa de orificio. El valor de la temperatura en el interior del conducto permitía calcular la densidad del aire. En cuanto al proceso de toma de datos, y como se acaba de indicar un poco más arriba, se realizaron medidas para dos filtros absolutos HEPA H14, uno rectangular de dimensiones 300x600 mm y otro cuadrado de tamaño 600x600 mm. En ambos casos se tomaron medidas para un conjunto de valores del caudal, o equivalentemente, para un conjunto de velocidades del aire a la salida del filtro. En ambos casos, estas velocidades estaban comprendidas dentro del margen v ≈ 0.3 - 0.9 m/s . Cada uno de los filtros fue dividido imaginariamente en celdas, n = 10 celdas en el caso del filtro rectangular y n = 25 celdas en el caso del cuadrado. Se midió el valor de la velocidad del aire justo debajo de cada una de las celdas, con el anemómetro situado a d=20 cm de distancia. Estos valores se utilizaron para obtener el valor del caudal de aire según la siguiente expresión: QAnemómetro = 3600 Vm S , donde: QAnemómetro caudal de aire (m3/h). Vm = 1 n n vi velocidad media del aire a la salida del filtro (m/s). i 1 vi velocidad 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 filtro cuadrado. Simultáneamente a la medida del caudal efectuada utilizando el anemómetro de hélice, se realizaba otra medida usando el caudalímetro. En este caso se medía la presión diferencial del aire al atravesar la placa de orificio (Δp). En términos de esta magnitud, se calcula el caudal de aire según la siguiente expresión (véase la norma ISO 5167-2 [4]): c QCaudalímetro = 1 4 4 d2 2 p donde: QCaudalímetro caudal de aire (m3/h). C coeficiente de descarga del caudalímetro (C 0.60 en nuestras condiciones). ε factor de expansibilidad del aire (ε 1 en nuestras condiciones). d diámetro del orificio (d=150 mm). D diámetro del conducto (D=250 mm). b relación de diámetros (b = d/D). r densidad del aire (corregida por temperatura y altitud). Δp presión diferencial en la placa de orificio. 4. Resultados. En las dos gráficas siguientes se muestran los caudales medidos para cada uno de los dos filtros HEPA 14. Se representan los caudales medidos por ambos procedimientos, con anemómetro y con caudalímetro de orificio, obtenidos para distintas velocidades del aire a la salida del filtro. A la vista de estos dos gráficos se obtiene la conclusión de que el valor del caudal medido con el anemómetro de hélice es siempre mayor que el medido con el caudalímetro de placa de orificio, en el intervalo de velocidades considerado. La diferencia entre ambos valores del caudal aumenta con la velocidad. En el gráfico siguiente mostramos la correlación entre ambos caudales (QCaudalímetro / QAnemómetro) en función de la velocidad a la salida del filtro. Del análisis de esta gráfica se obtiene una estimación del orden de magnitud de la diferencia de valor entre ambos caudales. Así, en la zona de interés para la velocidad, la diferencia entre ambos caudales está en el rango 15% a 20% para el filtro cuadrado (580x580 mm) mientras que lo está en el rango 20% a 25% para el filtro rectangular (580x275 mm). 5. Conclusiones. Los resultados que hemos obtenido confirman las dudas que planteábamos al principio, esto es, que el anemómetro de hélice no es idóneo como instrumento para medir el caudal de aire a la salida de un filtro absoluto. La medida mediante el anemómetro de hélice del caudal de aire emitido por un filtro absoluto conduce a una sobreestimación del valor que, en términos redondos, estimamos puede cifrarse en un 15% a 25%. A nuestro juicio, esta cifra es demasiado elevada para que los valores obtenidos en el proceso de medida puedan ser tomados como válidos. Nuestra conclusión es que debe descartarse la utilización de este instrumento de medida, debiendo ser sustituido por la campana de medición con caudalímetro. En todo caso, en aquellas situaciones en que por algún motivo deba utilizarse el anemómetro de hélice con objeto de determinar el valor del caudal, su utilización debería ser complementada con medidas simultáneas del caudal en el conducto realizadas mediante tubo de Pitot, lo cual permitiría la aplicación de un factor correctivo. A nuestro juicio, el anemómetro de hélice debería ser utilizado únicamente para medir la velocidad del flujo de aire y no para determinar el caudal (a menos que se aplique un factor correctivo). Bibliografía [1] UNE-EN 12599:2001 Ventilación de edificios. Procedimientos de ensayo y métodos de medición para la recepción de los sistemas de ventilación y de climatización instalados. [2] UNE-EN ISO 14644-3:2006 Salas limpias y locales anexos controlados. Parte 3: Métodos de ensayo. [3] UNE-EN ISO 5167-1:2003 Medición del caudal de fluidos mediante dispositivos de presión diferencial intercalados en conductos en carga de sección transversal circular. Parte 1: Principios y requisitos generales. [4] UNE-EN ISO 5167-2:2003 Medición del caudal de fluidos mediante dispositivos de presión diferencial intercalados en conductos en carga de sección transversal circular. Parte 2: Placas de orificio. Agradecimientos: expresamos nuestro agradecimiento a la empresa General Filter Italia por habernos proporcionado varios filtros absolutos HEPA 14.
