Medición de flujo para mejorar los sistemas de monitoreo en salas limpias

Sensor (Fuente de la imagen: Schmidt Technology)

Fig. 1: Manifestación típica de una cascada de presión (Fuente de la imagen: Schmidt Technology).

Tabla 1

Fig. 2: Solo en el consumo de energía de los ventiladores se generan aproximadamente el 57% de los costos energéticos. (Fuente de la imagen: Schmidt Technology)

Fig. 3: Principio de medición de ajuste de la cantidad de aire (Fuente de la imagen: Schmidt Technology)

Abb. 4: Sensor con soporte de pared: aproximadamente 50 mm de diámetro son suficientes para medir con gran precisión la llamada sobrealimentación. (Fuente de la imagen: Schmidt Technology)

Abb. 5: Con un sensor de flujo bidireccional se puede identificar de manera confiable la dirección del flujo. (Fuente de la imagen: Schmidt Technology)

La seguridad del producto, proceso y empleado en salas limpias y entornos similares a salas limpias generalmente se garantiza mediante el mantenimiento de habitaciones de sobrepresión definidas y en cascada. Esto genera un flujo de aire desde áreas con mayor pureza hacia áreas con menor pureza (salvo en habitaciones de subpresión con requisitos opuestos). Cuando la medición de presión necesaria se complementa con la medición del flujo de aire y la dirección del flujo, se puede aumentar la seguridad operativa y, a menudo, también reducir los costos energéticos.

Introducción

Para garantizar la protección de ciertos productos contra la contaminación, causada por personas o condiciones ambientales, o viceversa, por ejemplo, para proteger a las personas y al medio ambiente frente a sustancias biológicas peligrosas, los procesos en salas limpias son muy diversos. Por lo general, estos se encuentran en la industria médica y farmacéutica, en áreas de semiconductores o en la industria alimentaria. También en otros sectores industriales aumenta la cantidad de procesos que deben realizarse en salas limpias. La clasificación de estas salas limpias y cómo separar finalmente las áreas limpias de las menos limpias se describe en la norma EN ISO 14644. Recomienda crear áreas denominadas impenetrables, lo cual en la práctica resulta muy difícil de realizar. Después de todo, las personas y el material deben poder entrar y salir. Otra opción es proteger las áreas limpias mediante un flujo desplazante que impida la contaminación desde áreas menos limpias. Para ello, se suele aplicar un concepto de diferencia de presión con sobrepresión regulada. Los sensores de presión se conectan a un sistema de monitoreo validado por GaiVlP y las presiones medidas se documentan continuamente.

Las sobrepresiones requeridas por la norma oscilan entre 5 y 20 pascales, lo cual se debe a las presiones que los sensores de diferencia de presión pueden medir con seguridad. La razón de esto es la resolución de los sensores de presión disponibles en el mercado. Por motivos de seguridad, en la práctica se utilizan generalmente presiones de aire en la sala medias o altas. Por ejemplo, en salas limpias farmacéuticas, estas suelen estar entre 15 y 30 pascales. Se determina una presión de referencia, a partir de la cual las presiones parciales de las áreas de pureza aumentan gradualmente. Toda la regulación del flujo de aire de suministro se basa en esta presión de referencia. Si hay fluctuaciones en el sensor de presión para la referencia, esto afecta a todo el sistema de climatización de la sala limpia. En ciertas situaciones, la medición de presión no siempre proporciona datos suficientes para demostrar objetivamente el riesgo de contaminación en el entorno del producto. Por ejemplo, al abrir puertas de esclusa, la presión en comparación con la zona de pureza adyacente puede disminuir lo suficiente como para ser medida. Aunque el aire fluye desde la zona limpia hacia la no limpia, esto no puede detectarse con precisión mediante medición. Como resultado, en esas situaciones, la seguridad del producto no puede demostrarse de forma completa.

Velocidad de flujo de 0,2 m/s es suficiente

Las diferencias de presión entre áreas de pureza, que no sean inferiores a 5 Pa, no son necesarias para mantener la pureza del aire en las distintas zonas. La norma EN ISO 14644-4 define una velocidad mínima de flujo de 0,2 m/s para delimitar áreas de pureza, lo que equivale a una diferencia de presión inferior a 0,1 Pa. En el mercado ya existen sensores de flujo capaces de medir con precisión y fiabilidad a velocidades de aire (WN) de 0,05 m/s. Esto está muy por debajo de una diferencia de presión de 0,01 Pa. Se puede deducir que, mediante tecnología adicional de medición de flujo con la precisión necesaria, las velocidades de flujo de 0,2 m/s desde una zona de pureza a otra pueden ser detectadas con seguridad, incluso en presencia de sobreflujos. Es decir, se pueden hacer afirmaciones sobre la función de protección o el posible riesgo de contaminación transportada por aire, incluso con bajos flujos de aire que no pueden detectarse con medición de presión convencional.

Fácil de instalar

Para instalar estos sensores de flujo, basta con pequeñas aberturas en la pared de aproximadamente 50 mm de diámetro, para medir con precisión la llamada sobreflujo, es decir, el aire que sale del interior de la sala limpia debido a la sobrepresión existente. Para evaluar los efectos de la presión del espacio en la velocidad de sobreflujo, se puede aplicar la ley de salida de Torricelli. Con aire ambiente a 20°C y una presión estándar de 1013,5 hPa, se observan las siguientes relaciones (Tabl. 1). Por lo tanto, incluso en una abertura de sobreflujo en la pared de una sala limpia, un sensor de flujo puede detectar con seguridad el sobreflujo, incluso con una diferencia de presión muy pequeña. Lo crucial es la dirección del flujo de aire en la sala limpia. Si el flujo va del área limpia hacia la no limpia, se garantiza la función de la sala y la seguridad del producto. Con valores de medición tan confiables, muchas partidas producidas pueden liberarse incluso ante una alarma del sensor de presión. Para garantizar esta seguridad, es decir, detectar las llamadas recirculaciones, hoy en día se pueden usar sensores de flujo capaces de medir la dirección del flujo de manera bidireccional. Estos sensores se basan en un termopilo (sensor de termopila), que mediante un elemento semiconductor calefactable detecta el enfriamiento causado por el flujo de aire. Esto también se denomina anemometría térmica, que se describe en http://sensorik.schmidttechnology-aktuell.de/ fakten/stromungsmessung-durch-erzwungene-konvektion-2/. Al conectar en paralelo dos de estos elementos semiconductores y determinar cuál de ellos está más caliente, se puede identificar con fiabilidad la dirección del flujo. Los sensores de flujo bidireccionales proporcionan datos objetivos incluso en caso de caída de presión, permitiendo cuantificar riesgos de contaminación transportada por aire. Cuando estos sensores se conectan a un sistema de monitoreo, los datos de medición son completos y fiables. Los sensores de flujo bidireccionales que cumplen con los estándares tecnológicos pueden integrarse fácilmente en sistemas de monitoreo existentes, por ejemplo, mediante una interfaz 4-20 mA. La incorporación de medición de la dirección del flujo amplía significativamente la utilidad de los datos de monitoreo. Hoy en día, también están disponibles calibraciones que cumplen con los requisitos elevados de la industria farmacéutica.

Ahorro energético como efecto adicional

Altas tasas de renovación de aire no solo generan costos muy elevados por la climatización del flujo de aire de suministro, sino también por el accionamiento de los ventiladores del sistema de ventilación (RLT).

La experiencia práctica demuestra que aproximadamente el 57% de los costos energéticos provienen del consumo de los ventiladores. A partir de esto, ajustar las cantidades de aire a la demanda representa un gran potencial de ahorro energético. Reducir la cantidad de aire suministrada en un 50% disminuye la sobrepresión en el sistema al 25% (25% de la sobrepresión que con un 100% de aire), lo que equivale a una reducción significativa en el consumo eléctrico, hasta un 12,5%. Esto significa que la energía eléctrica necesaria disminuye exponencialmente a solo 1/8. Aunque en aplicaciones en salas limpias este efecto solo puede aprovecharse parcialmente, sigue conduciendo a importantes ahorros energéticos. Para ello, por ejemplo, se puede reducir la sobrepresión del aire en la sala lo más cerca posible de los requisitos mínimos de la norma y mantenerla estable con la menor cantidad de aire de suministro posible, regulada con precisión mediante la potencia del ventilador del sistema RLT. Especialmente durante periodos de inactividad, como noches o fines de semana, esto resulta muy conveniente. Sin embargo, la seguridad de funcionamiento de la sala limpia, es decir, mantener una situación estable y las corrientes laminares necesarias, debe seguir garantizándose. El método debe cumplir con la norma y debe haber mediciones claras y documentación de estos valores. Solo con sensores de diferencia de presión, según el estado actual de la tecnología, esto resulta problemático. La instalación de sensores de flujo, en cambio, proporciona márgenes de reserva suficientes.

Conclusión

Demostrar y documentar los flujos de aire mediante sensores de flujo que miden de forma bidireccional aporta una seguridad adicional en salas limpias. Los sensores de flujo, fáciles de instalar y de integrar en sistemas de monitoreo existentes, también pueden añadirse rápidamente a salas limpias existentes o entornos similares. Como muestra la evaluación energética de los costos operativos de las salas limpias, reducir las tasas de renovación de aire a un mínimo seguro, cumpliendo con los requisitos normativos, ofrece un gran potencial de ahorro.