Ventilación Industrial: Fundamentos y Aplicaciones

La ventilación industrial es una disciplina técnica enfocada en garantizar condiciones ambientales saludables, higiénicas y seguras para los trabajadores en empresas e industrias. Su objetivo principal es prevenir intoxicaciones, tanto inmediatas como a corto y largo plazo, causadas por la exposición a contaminantes en el aire.

Ejemplos de Emisiones Contaminantes

  • Emisiones de monóxido de carbono (CO)
  • Emisiones de dióxido de azufre (SO2)
  • Emisiones de amoniaco (NH3)

Parámetros y Composición del Aire

Los parámetros del aire relevantes en ventilación industrial incluyen: composición química, temperatura seca, temperatura húmeda, punto de rocío, humedad absoluta, humedad relativa y entalpía del aire húmedo.

Para fines de ventilación industrial, se considera la siguiente composición del aire seco (aire atmosférico sin humedad):

  • Nitrógeno (N2): 79% en volumen, 77% en peso.
  • Oxígeno (O2): 21% en volumen, 23% en peso.

Las fórmulas para calcular los porcentajes en volumen y peso son:

  • % en volumen de X = (volumen de X * 100) / volumen total
  • % en peso de X = (peso de X * 100) / peso total

Ejemplos de Cálculo

Ejemplo 1: Porcentaje en Volumen

Una botella contiene 2000 ml de aire seco: 1580 ml de nitrógeno y 420 ml de oxígeno a 25 ºC. Calcular el porcentaje en volumen de cada componente.

Resolución:

  • %Nitrógeno = (1580 ml * 100) / 2000 ml = 79% vol/vol
  • %Oxígeno = (420 ml * 100) / 2000 ml = 21% vol/vol

Ejemplo 2: Porcentaje en Peso

Una botella de 2000 ml contiene 2356 mg de aire seco a 25 ºC: 1814 mg de nitrógeno y 542 mg de oxígeno. Calcular el porcentaje en peso de cada componente.

Resolución:

  • %Nitrógeno = (1814 mg * 100) / 2356 mg = 77% peso/peso
  • %Oxígeno = (542 mg * 100) / 2356 mg = 23% peso/peso

Ejemplo 3: Densidad del Aire Seco, Nitrógeno y Oxígeno

A partir de los datos de los ejemplos 1 y 2, calcular la densidad del aire seco, el nitrógeno y el oxígeno a 25 ºC.

Resolución:

D = m / v (Densidad = masa / volumen)

  • Aire seco: D = 2356 mg / 2000 ml = 1.178 mg/ml
  • Nitrógeno: D = 1814 mg / 1580 ml = 1.148 mg/ml
  • Oxígeno: D = 542 mg / 420 ml = 1.290 mg/ml

Ejemplo 4: Cálculo de Densidades con el Modelo de Gas Ideal

Recalcular las densidades del ejemplo 3 usando el modelo de gas ideal a baja presión (1 atm) y la fórmula: D = P * M / (R * T)

  • D: Densidad del gas (g/lt o mg/ml)
  • P: Presión absoluta (atm)
  • M: Peso molecular (g/mol)
  • T: Temperatura absoluta (K)
  • R: Constante Universal de los gases ideales (0.08206 atm*lt / (mol*K))

Resolución:

  • Aire seco (M = 28.82 g/mol): D = (1 * 28.82) / (0.08206 * 298.15) = 1.178 g/lt
  • Nitrógeno (M = 28.016 g/mol): D = (1 * 28.016) / (0.08206 * 298.15) = 1.145 g/lt
  • Oxígeno (M = 32.00 g/mol): D = (1 * 32.00) / (0.08206 * 298.15) = 1.308 g/lt

Conceptos Psicrométricos Clave

Temperatura Seca

Es la temperatura registrada por un termómetro en contacto directo con el aire, sin sustancias intermedias.

Temperatura Húmeda

Es la temperatura de equilibrio alcanzada por un termómetro que registra el efecto térmico de un proceso de enfriamiento evaporativo (aire y agua). Se representa por tw.

Si el aire está saturado de vapor de agua, la temperatura húmeda es igual a la temperatura seca.

Punto de Rocío

Es la temperatura de saturación que alcanza el aire mediante enfriamiento a presión constante. La humedad relativa (HR) aumenta hasta el 100%. Un enfriamiento adicional implica condensación del vapor de agua.

Humedad Absoluta (Y)

Es la relación entre la masa de vapor de agua y la masa de aire seco. Ejemplo: Y = 0.008 Kg de vapor de agua / Kg de aire seco.

Humedad Relativa (HR)

Es la relación entre la presión parcial de vapor de agua (pv) y la tensión de vapor de agua (Tv). Se expresa usualmente en porcentaje: HR = 100 * pv / Tv

Calor Específico del Aire Húmedo (c)

Es el calor necesario para elevar en 1 ºC la temperatura de 1 Kg de aire seco más el vapor de agua que contiene, a presión constante. Se calcula con: c (Kcal/(Kg*ºC)) = 0.24 + 0.46 * Y

Entalpía del Aire Húmedo (i)

Es la suma del calor sensible de 1 Kg de aire seco y el calor latente de vaporización del vapor de agua que contiene. Se calcula con: i (Kcal / Kg) = c * t(ºC) + 597.2 * Y = (0.24 + 0.46 * Y) * t(ºC) + 597.2 * Y

Ejercicios de Aplicación de Fórmulas Psicrométricas

Ejemplo 5: Cálculo de Temperatura para Humedad Relativa Específica

¿A qué temperatura debe mantenerse el aire de una bodega frigorífica para que su HR sea del 80% y la humedad absoluta sea de 4 g de vapor de agua/kg de aire seco (presión = 1 atm)?

Resolución:

  1. Calculamos pv: pv = P * Y / (0.62 + Y) = 1 * 0.004 / (0.62 + 0.004) = 0.0064 atm
  2. Calculamos Tv: Tv = 100 * pv / HR = 100 * 0.0064 / 80 = 0.0080 atm
  3. Usamos la ecuación de Tv (mm Hg) y despejamos t(ºC): t(ºC) = 3988.842 / (16.573 – Ln(0.0080 * 760 / 7.5)) – 233.62 = 4.1 ºC

Respuesta: t = 4.1 ºC

Ejemplo 6: Cálculo del Volumen Específico

Calcular el volumen específico del aire húmedo para las condiciones del ejemplo anterior.

Resolución:

Aplicamos: V (m3 AH / Kg AS) = (0.00283 + 0.00455 * Y) * T(K) / P(atm abs)

V = (0.00283 + 0.00455 * 0.004) * 277.25 / 1.0 = 0.79 m3 de aire húmedo por Kg de aire seco.

Respuesta: V = 0.79 m3 AH / Kg AS

Ejercicio 7: Resolución con Gráfico Psicrométrico (Ejercicio 5)

Intersectando la curva de HR = 80% con la recta de Y = 0.004 Kg VA/Kg AS, se obtiene una temperatura de bulbo seco de aproximadamente 4 ºC.

Respuesta: t ≈ 4 ºC

Ejercicio 8: Resolución con Gráfico Psicrométrico (Ejercicio 6)

En el recuadro superior del gráfico, con t = 4.1 ºC, se intersectan las curvas de aire seco y saturado, obteniendo 0.775 m3/Kg AS (aire seco) y 0.790 m3/Kg AS (aire saturado). Dado que HR = 80%:

V = 0.775 + (0.790 – 0.775) * 0.80 = 0.789 ≈ 0.79 m3/Kg AS

Respuesta: V ≈ 0.79 m3/Kg AS

Instrumentos de Medición

Los instrumentos de medición deben cumplir con parámetros de calidad como:

  • Rango adecuado
  • Buena resolución
  • Exactitud
  • Precisión

Termómetro de Bulbo Seco

Registra la temperatura mediante la dilatación y contracción de líquidos o sólidos.

Termómetro de Bulbo Húmedo

Registra la temperatura de equilibrio en un sistema de evaporación de agua.

Manómetro de Bourdon

Mide la presión basándose en la deformación de un elemento metálico.

Componentes del Aire

El aire está compuesto principalmente por:

  • Oxígeno
  • Nitrógeno
  • Argón
  • Dióxido de carbono
  • Neón

El peso molecular del aire seco es 28.97. El aire atmosférico normal es una mezcla de aire seco y vapor de agua.

Psicrometría

La psicrometría es el estudio de las propiedades termodinámicas del aire atmosférico. Considera dos componentes en fase gaseosa:

  • Aire seco (componente B)
  • Vapor de agua (componente A)