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Criterios de cálculo y diseño de flujos laminaresPatrones de Flujo del Aire. Condiciones de Flujo laminar

José Luis Jiménez ÁLvarez

Gerente / TCI, S.L.L.

Tecnología Industrial

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.

El flujo unidireccional, bien sea horizon-tal 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 po-sible (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 po-sible en la zona central del proceso.

En un plano de trabajo perpendicular al flujo de aire limpio, todas las posicio-nes ofrecen el mismo nivel de limpieza. Las posiciones de trabajo inmediatamen-te anexas al suministro de aire limpio ofrecen condiciones óptimas para el con-trol de la contaminación.

En el flujo no unidireccional, el flu-jo 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 si-tuadas en posiciones más alejadas.

Las salidas de filtro pueden estar distribuidas a intervalos iguales en la sa-la limpia, o concentradas sobre la zona central del proceso. Por otro lado, aun-que las ubicaciones de las rejillas de re-torno 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 lim-pias en las que se combinan flujo unidi-reccionales 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 reali-zación de conexiones asépticas, se reali-zan en salas limpias grado A GMP. Estas condiciones se consiguen normalmente en un flujo laminar. Los sistemas de flujo laminar deben proporcionar una veloci-dad 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 reque-rimientos 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 correc-tamente los equipos necesarios para la correcta instalación y cualificación de los flujos laminares.

Tecnología Industrial

FIgura 1

Tipos de patrones de flujo de aire

Cálculo y selección de los equipos de ventilaciónPara seleccionar correctamente los equipos de ventilación (ventiladores y extractores), es necesario calcular co-rrectamente los siguientes parámetros:– Caudal de aire.– Presión estática disponible en el ven-

tilador.– Potencia eléctrica de los motores.

El caudal de aire se calcula de la si-guiente manera:

Donde:Q: es el caudal de aire en m3/hv: es la velocidad del aire en la zona de trabajo, 0,45 m/sA: 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 su-ma de la pérdida de carga en conductos, elementos de difusión de aire, retornos de aire y filtros:

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La pérdida de carga en conductos se puede expresar de la siguiente manera:

Es decir, como suma de la pérdida de carga en cada tramo recto, más la su-ma de la pérdida de carga en cada ele-mento singular (codo, T,…).

La pérdida de carga en cada tramo recto es:

Donde:L: es la longitud del tramo en mv: es la velocidad del aire en el tramo en m/sDH: es el diámetro hidráulico del tramo en m

α: es un parámetro adimensional que tiene en cuenta el material del conduc-to, 0,9 para acero galvanizado

Y en cada elemento singular es:

Donde:ρ: es la densidad del aire en kg/m3

K: es el coeficiente de perdidas, que de-pende 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 microperfo-radas, la pérdida de carga se puede cal-cular 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 ori-

ficios y el área total de la rejilla

FIgura 2

Mejoras en flujo de aire a través de obstáculos

FIgura 3

Punto de remanso

Hp

u

x

LLO

Tabla 1. requerimientos concentración partículas en el aire para grado a gMP

EN rEPOSO EN FuNCIONaMIENTO

MÁXIMO NÚMErO DE ParTÍCuLaS

CLaSE 0,5µ 5µ 0,5µ 5µ

A ISO 5 3.520 20 3.520 20

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vd: es la velocidad del aire antes de la re-jilla perforada en m/s

La pérdida de carga en los filtros, se puede calcular como sigue:

Donde:Q: es el caudal de aire en m3/hKi: es el coeficiente de pérdida de carga de cada etapa de filtración, consideran-do el filtro como sucio

La potencia eléctrica del ventilador se puede calcular como sigue:

Donde:Q: es el caudal de aire en m3/hPd: es la presión dinámica del ventila-dorPed: es la presión estática del ventiladorη: es el rendimiento del ventiladorρ: es la densidad del aire en kg/m3

vv: es la velocidad de salida del aire en el ventiladorAv: es la sección de salida del ventilador

Perturbaciones en un flujo laminarEn un flujo de aire unidireccional, los obstáculos físicos tales como el equipa-miento de proceso y los procedimientos de operación, deben considerar los re-quisitos aerodinámicos necesarios para prevenir turbulencias en las proximida-des de las zonas críticas más sensibles a la contaminación.

Estas perturbaciones, también afec-tan al cálculo del caudal del ventilador a través del parámetro f. Este paráme-tro depende del número de Reynolds de la corriente, Re, y del tamaño caracte-rístico del obstáculo, Lo. Para obtener

valores característicos de éste factor de forma, es necesario resolver las ecua-ciones de Navier-Stokes para el campo fluido, por ejemplo para el caso bidi-mensional:

Donde:u, v: son las componentes del vector ve-locidadx, y: son las coordenadasP: es la presiónρ: es la densidad ν: es la viscosidad cinemática

La ecuación anterior, puede ser re-suelta cerca del punto de remanso (pun-to 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 fun-ción de corriente definida como sigue:

La ubicación y dimensiones de las rejillas de retorno es un factor muy importante en el diseño de flujos laminares

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Obteniéndose:

Donde:U: es la velocidad de la corriente exteriorH: es la distancia al obstáculo en el cual la corriente no es perturbadaEl valor de H, es una función del núme-ro de Reynolds y de la dimensión carac-terística 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:

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.

Otros criterios de cálculo y diseñoLa 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 perí-

metro del flujo laminar– La altura de las rejillas, ha de ser infe-

rior 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 recomenda-bles.

Otro parámetro a tener en cuenta, es el nivel de ruido en el flujo laminar. En la medida de lo posible ha de mantener-

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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 si-lenciadores 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 deba-jo de los 65 dB.

Por último, por temas de eficiencia energética es muy recomendable la utili-zación de ventiladores de acoplamiento directo electrónicamente conmutados junto con la regulación PID en conti-nuo del ventilador mediante una sonda de velocidad y la actuación sobre el pun-to de trabajo del ventilador.

ConclusionesDespués de esta presentación técnica, se hace evidente la importancia que tiene no sólo la utilización de materia-les de muy buena calidad para la cons-trucción 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.

Bibliografía[1] European Commission, Mar. 2009. “EU Guidelines to Good Manufacturing Practice Medicinal Products for Human and Veteri-nary Use”[2] ISO Technical Committee, May. 1999. “ISO 14644 Cleanrooms and associated con-trolled environments”[3] Varios autores, Ene. 1999. “ISPE Baseli-ne, Sterile Manufacturing Facilities”[4] Varios autores, 2009. “ISPE Good Prac-tice 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. “Me-cánica de Fluidos”, Ed. Reverté.[7] Idelchik I.E., 1993. “Handbook of Hydraulic Resistance”, CRC Press. n

en la medida de lo posible el nivel de ruido en el flujo laminar debe mantenerse por debajo de los 65 dB