Laboratorios, Tecnología para Medición y Control de Flujo de Aire en Laboratorios

Los laboratorios demandan condiciones especiales de seguridad y el requerimiento de nuevas tecnologías, por ello, en este artículo nos enfocaremos a la medición precisa de flujo del aire.

Ing. Charles Clausen

El diseño de un laboratorio debe contemplar todas las pautas de seguridad permitiendo que las actividades se desarrollen de un modo eficaz y seguro. Es muy importante contar con los expertos en cada especialidad e ingeniería, ya sea en proyectos nuevos o remodelaciones de estos espacios de investigación y desarrollo, quienes deben contemplar en su diseño las normativas nacionales e internacionales que rigen para este tipo de instalaciones.

Generalmente al diseñar un sistema de aire acondicionado, se establecen variables en función de mantener condiciones interiores dentro de un rango establecido, las cuales típicamente son:

Temperatura, Humedad Relativa, Calidad de Aire (pureza), Nivel de Ruido, Velocidad del Aire.

Pero la mayoría de los laboratorios requiere mucha mayor seguridad y control para aplicaciones críticas o especiales. En estos sistemas es necesario mantener adicionalmente variables como son presión estática dentro del espacio por acondicionar, la velocidad de cara en las campanas de laboratorio equipadas con puertas de acceso modulantes o de flujo variable, ya que el parámetro más crítico a mantener y monitorear en las campanas de laboratorio es la velocidad de cara a través de su apertura, esto garantiza que los contaminantes generados en el proceso que se realiza dentro de la campana no escapen de la misma, y se dirijan hacia el área ocupada del laboratorio, afectando la salud del personal (ver figura 1).

El otro parámetro crítico en aplicaciones especiales es la presurización del ambiente, que puede ser negativa o positiva dependiendo de la aplicación.

Los laboratorios tienen diferentes requerimientos de diseño en los sistemas de aire, ya sea por las necesidades de aislamiento, contención o limpieza, por lo que, depende del nivel de seguridad que demande el laboratorio, se deberá usar tecnología especial para estos.

Los sistemas de contención manejan presiones diferenciales entre áreas adyacentes para permitir el aislamiento, evitan contaminaciones ambientales en los productos o en los operadores y garantizan la contención del área donde se llevan a cabo los procesos.

Las áreas destinadas a la elaboración de mezclas, comprimidos, fraccionamiento de mezclas, llenado de cápsulas, tendrán presiones diferenciales negativas con referencia a las adyacentes, de tal manera que presente una presión diferencial entre las áreas externas: precuartos, vestuarios y área de elaboración, para impedir cualquier tipo de contaminación.

El parámetro más crítico a mantener y monitorear en las campanas de laboratorio es la velocidad de cara a través de su apertura, esto garantiza que los contaminantes no escapen de la misma.

Las distintas áreas tendrán una adecuada ventilación y sistemas de control de los diferenciales de presión entre las áreas adyacentes, como también de la temperatura y humedad relativa de las áreas que correspondan.

Las áreas de elaboración de preparaciones asépticas necesitarán aire limpio de diferente calidad, según lo requiera cada proceso. El aire del laboratorio se tratará con un sistema de filtración que incluyan pre filtros y filtros de adecuada eficiencia, con normas nacionales e internacionales.

La manera más práctica y segura de controlar presión estática es mediante la medición precisa de los caudales de aire de suministro y extracción en un ambiente determinado, la magnitud del desbalance entre dichos caudales es lo que al final determinará si la presión estática será positiva (suministro mayor que extracción) o negativa (suministro menor que extracción) y la magnitud de dicha presión. La velocidad de respuesta del sistema de control de presión ante cambios súbitos en estas variables y la rápida acción oportuna, con dispositivos específicos, es el reto que deben afrontar diseñadores y fabricantes especializados.

Cada aplicación requiere un detallado análisis para determinar las variables a controlar, el rango de las mismas y en consecuencia los dispositivos de control a usar para conseguir los objetivos trazados.

Se deben evaluar las tecnologías disponibles para obtener el grado de control y de seguridad que aplique a cada necesidad, como laboratorios de alimentos, productos químicos, orgánicos, farmacéuticas, escuelas, vacunas, control de virus, nucleares.

En segundo término, se estudiarán las velocidades de respuesta y precisión, así como dónde ubicar cada una de ellas en el sistema, para finalmente seleccionar el mejor equipo para la aplicación. El reto es identificar la mejor tecnología aplicable acorde al proyecto.

Figura 2. Principio de funcionamiento del anemómetro térmico.

En lo referente a medición precisa de caudales de aire, las principales tecnologías disponibles en el mercado son:

• Dispersión Térmica (Hot wire)

• Tubo de Pitot o Presión de Velocidad

• Vortek Shedding (Resonancia por efecto Vortex)

Dispersión Térmica (Hot Wire)

Este tipo de tecnología está basada en la variación de calor disipado medido en una corriente de aire (ver figura 2). En la cual, la relación para determinar la precisión de las lecturas se basa en la fórmula que indica que la disipación de calor varía según el cuadrado del flujo de aire.

Comentarios en Aplicaciones
Ubicación		Aire Exterior		Fan inlets
Fortalezas		Lecturas de caudales bajos		Caída de presión baja
Debilidades		Agua, polvo e impurezas afectan las lecturas.		No es tan preciso a alta velocidad (ver figura 3).
Ubicación		Ductos		Flujo en Laboratorios
Fortalezas		Rango de flujo es estable		Rango de flujo es estable
Debilidades		Cuidado con la condensación.000		No existe pre-ingeniería para soluciones utilizando en  conjunto con válvulas.Hot Wire no es recomendado en laboratorios.

De lo anterior, se deduce un comportamiento estable en caudales relativamente bajos y conforme se incrementan la ecuación de control incrementa el nivel de error esperado. Tal como se muestra en la figura 3.

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Los termistores al estar en contacto con la corriente de aire, el polvo y la humedad, afectan las mediciones, lo que puede ocasionar falsas alarmas o lecturas fuera de rango. Los sensores tienen bulbos de cristal, los cuales al romperse no pueden ser reparados.

Tubo de Pitot o Presión de Velocidad

Este tipo de tecnología se utiliza cuando un fluido en movimiento es obligado a detenerse debido a que se encuentra un objeto estacionario, se genera una presión mayor que la presión de la corriente del fluido. La magnitud de esta presión incrementada se relaciona con la velocidad del fluido en movimiento.

El tubo pitot es un tubo hueco puesto de tal forma que los extremos abiertos apuntan directamente a la corriente del fluido. La presión en la punta provoca que se soporte una columna del fluido. El fluido en o dentro de la punta es estacionario o estancado y se llama punto de estancamiento.

Su construcción permite que esta lectura sea utilizada por un transductor para emitir posteriormente la señal hacia un dispositivo que interprete el pulso enviado, que típicamente es de  4-20 ma (ver figura 4).

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Y el sistema de colección de datos interpreta esta señal, utilizando la ecuación para un tubo Pitot, la cual está basada en la ecuación de continuidad y de energía (Bernoulli), que a continuación se presenta:

En donde el caudal queda expresado de la siguiente manera:

Para lo cual puede expresarse una gráfica en función de la velocidad y caída de presión de la siguiente manera (ver figura 5).

Fig. 5. Se muestra el diferencial de presión  de la estación del Pitot contra velocidad de flujo de aire.

»Ubicación  –  Aire Exterior.Fortalezas: Ninguna.Debilidades: Agua, polvo e impurezas pueden dañar los tubos. No es bueno para bajos caudales.»Ubicación  –  Fan inlets. Fortalezas: Caída de presión baja. Rango de flujo es estable. Debilidades: Ninguna / Buena Aplicación. »Ubicación  –  Ductos. Fortalezas: Estable en rango de caudal altos. Debilidades: Cuidado con la condensación y bajos flujos. »Ubicación  –  Flujo en Laboratorios. Fortalezas: Ninguno. Debilidades: Propensos a la suciedad en flujos bajos, preparación de la cama son un problemaTurndown.

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Estas condiciones permiten tener las ventajas de ser simple con una construcción robusta, costo relativamente bajo y fácil de entender. Sin embargo, dichas condiciones presentan desventajas como son, el tener baja precisión en lecturas con baja presión y velocidad.

Además, en este caso se requiere tener alta precisión en transmisores de presión diferencial. Para lograrlo es necesario el ajuste de señal para compensar errores (zero and span drift).

Por su construcción es susceptible a taparse con sólidos presentando incrustaciones en los orificios de lectura.

Vortek Shedding (Resonancia por efecto Vortex)

El principio de operación de ese instrumento aprovecha el efecto que forma el aire cuando este pasa por un cuerpo romo creando  corrientes en dos sentidos (Eddy Currents; corrientes de remolino); en este sistema la Frecuencia de los remolinos es proporcional a la Velocidad del Aire que pasa por dicha sección.

El ancho de los remolinos debe mantenerse constante para mantener la precisión (ver figura 6).

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Efecto Vortex

La manera en que el efecto Vortex se utiliza para medir los caudales de aire es que cada remolino generado después del cuerpo romo u obstrucción, crea una onda sonora (ruido), si logramos amplificar ese sonido (mediante el uso de un micrófono especial) y contar las veces que dicho sonido se repite en un intervalo fijo de tiempo (frecuencia) es fácil desarrollar una ecuación que calcule la velocidad del aire. Conociendo la velocidad del aire y sección transversal del ducto donde el dispositivo es instalado podemos calcular el caudal de aire en dicho ducto.

Esta tecnología mide directamente la cantidad de pulsos creados por presión de aire al formar remolinos en la parte posterior del cuerpo romo en el sentido del flujo del aire (ver figura 7).

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Estos detectores, se consideran “auto-limpiantes” ya que su localización en zonas de alta turbulencia hace que las impurezas del aire no se adhieran al sensor. Dentro de las ventajas de esta tecnología se encuentran que no es requerida compensación por cambios en la humedad, densidad o temperatura del aire. Al utilizar múltiples sensores se obtienen lecturas “reales”, la suciedad no afecta las lecturas debido al efecto antes mencionado de auto limpieza por el mismo efecto Vortex, además se requiere calibración en campo o ajustes posteriores, esto en conjunto representa menores costos para los usuarios.

Cuando se diseña un laboratorio, es necesario tener en cuenta los siguientes aspectos críticos:

Medición del flujo de aire. La medición de la cantidad de aire que se ingresa y expulsa del laboratorio es crítica, ya que esta relación determina el grado de presurización del espacio.

Contención de la presurización. La presurización de cualquier espacio sin medición del flujo de aire es peligrosa; en situaciones de supervivencia, el flujo de aire debe ser medido para poder grabarse y activarse las alarmas respectivas.

Flujo de aire a través de la campana de extracción. La velocidad en una campana abierta debe mantenerse constante para asegurar el apropiado desalojo de contaminantes. Así el monitoreo constante y exacto es crítico, pues las puertas de acceso pueden tener aperturas rápidas o parciales, y es necesario tener actuadores con igual velocidad de respuesta para cambios súbitos.

Zonas de presurización y control. La presurización en diferentes zonas de laboratorios debe manejarse independiente al resto del edificio.

Se recomienda que los baños no estén dentro de zonas controladas por sistemas de presurización.

Para prevenir riesgos de contaminación interna y externa derivados del funcionamiento del sistema de ventilación deben llevarse a cabo a intervalos periódicos, pruebas de hermeticidad, direccionalidad de flujo y chequeo del mantenimiento de presiones diferenciales para detectar oportunamente cualquier falla en los balances del sistema de ventilación evitando contaminaciones ambientales, en productos u operadores y garantizando la contención del área en cuestión. Existen equipos, software y empresas especialistas con experiencia en laboratorios con diferentes niveles de seguridad y aplicaciones.

Es imprescindible cumplir con los requisitos de medición, control y prevención de contaminación monitoreando y controlando el funcionamiento del sistema de ventilación e instalaciones a fin de prevenir los riesgos derivados de la pérdida de hermeticidad o funcionamiento de los equipos, direccionalidad de flujo y chequeo de presiones diferenciales, para detectar cualquier falla y evitar contaminación, garantizando la contención del área donde se llevan a cabo los procesos.

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