1

Diseo de un sistema de ventilacin exhaustiva para una

fbrica de bateras

Ing. Irina Ramrez Matamoros

Universidad del Norte

Divisin Ciencias de la Salud

Maestra en Salud Ocupacional

Barranquilla

2014

2

Diseo de un sistema de ventilacin exhaustiva para una

fbrica de bateras

Irina Ramrez Matamoros

Trabajo de investigacin para optar al ttulo de

Magister en Salud Ocupacional

Universidad del Norte

Divisin Ciencias de la Salud

Maestra en Salud Ocupacional

Barranquilla

2014

3

Diseo de un sistema de ventilacin exhaustiva para una

fbrica de bateras

Investigador

Ing. Irina Ramrez Matamoros

Director

Ing. Antonio Bula, PhD

Asesor Temtico

Ing. Francisco Mora

Asesor Metodolgico

Dra. Ana Mara Gutirrez

Universidad del norte

Divisin Ciencias de la Salud

Maestra en Salud Ocupacional

Barranquilla

2014

4

AGRADECIMIENTO

Con gratitud a todas aquellas

personas que contribuyeron

con su conocimiento al xito

de este proyecto.

5

TABLA DE CONTENIDO

Lista de tablas .................................................................................................................... 9

Lista de figuras ................................................................................................................ 10

Lista de anexos ................................................................................................................ 12

Glosario ........................................................................................................................... 13

RESUMEN ...................................................................................................................... 14

ABSTRACT .................................................................................................................... 15

INTRODUCCIN .......................................................................................................... 16

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................ 18

2. JUSTIFICACIN .................................................................................................... 20

3. OBJETIVOS ............................................................................................................ 22

3.1. General ................................................................................................................. 22

3.2. Especficos ........................................................................................................... 22

4. METODOLOGA .................................................................................................... 23

4.1. Tipo de proyecto .................................................................................................. 23

4.2. Variables .............................................................................................................. 23

4.3. Mtodos y tcnicas de recoleccin de informacin ............................................. 24

4.4. Tabulacin y anlisis de datos.............................................................................. 25

4.5. Aspectos ticos ..................................................................................................... 25

5. MARCO TERICO ................................................................................................ 26

5.1. La salud ocupacional en Colombia ...................................................................... 26

5.2. Evaluacin Integral de la exposicin ................................................................... 27

5.2.1. Evaluacin de la exposicin ............................................................................. 29

5.2.2. Bsqueda de informacin adicional ................................................................. 30

5.2.3. Control de riesgos ............................................................................................. 30

5.2.4. Reevaluacin .................................................................................................... 30

5.2.5. Comunicacin y documentacin ...................................................................... 31

5.3. Evolucin de los Sistemas HVAC ....................................................................... 31

5.4. Factores de riesgo ................................................................................................. 34

5.4.1. Factores de Riesgo Qumico ............................................................................. 34

5.5. Material particulado y velocidades ...................................................................... 36

6

5.6. Calidad de aire...................................................................................................... 40

5.6.1. Valores lmite permisible ................................................................................. 40

5.6.2. Calidad de aire interior ..................................................................................... 40

5.7. Plomo ................................................................................................................... 42

5.7.1. Propiedades fsico-qumicas ............................................................................. 42

5.7.2. Comportamiento de plomo ............................................................................... 42

5.7.2.1. Comportamiento en el medio ambiente ........................................................ 42

5.7.2.2. Comportamiento en el ser humano ............................................................... 43

5.7.3. Valor lmite permisible del plomo y sus compuestos ....................................... 45

5.8. Manufactura de bateras ....................................................................................... 45

5.8.1. Procesamiento de rejillas y xido ..................................................................... 46

5.8.2. Procesamiento de placas ................................................................................... 46

5.8.3. Ensamble de bateras ........................................................................................ 47

5.9. Fundamentos de Mecnica de fluidos .................................................................. 49

5.9.1. Fuerza de arrastre y sustentacin ...................................................................... 49

5.9.2. Presiones ........................................................................................................... 51

5.9.3. Definicin de caudal o flujo volumtrico ......................................................... 54

5.10. Sistemas de ventilacin .................................................................................... 55

5.10.1. Sistema de ventilacin general ......................................................................... 56

5.10.2. Sistema de ventilacin por dilucin ................................................................. 56

5.10.3. Sistema de ventilacin exhaustiva localizada .................................................. 57

5.10.3.1. Puntos de succin.......................................................................................... 58

5.10.3.2. Ductera ......................................................................................................... 60

5.10.3.3. Dispositivo de limpieza de aire ..................................................................... 62

5.10.3.4. Ventilador ..................................................................................................... 63

5.10.3.4.1. Categoras de los ventiladores ................................................................... 64

5.10.3.4.2. Punto de trabajo de un ventilador.............................................................. 66

5.10.3.5. Descarga de gases ......................................................................................... 67

5.11. Evaluacin de sistemas de ventilacin ............................................................. 69

5.11.1. Dimetro de ductos ........................................................................................... 69

5.11.2. Medicin del flujo volumtrico ........................................................................ 70

5.11.3. Medicin de presiones ...................................................................................... 71

7

5.11.3.1. Determinacin de presin esttica en ductos ................................................ 71

5.11.3.2. Determinacin de presin esttica en el dispositivo de limpieza de aire ...... 72

5.11.3.3. Determinacin de presin dinmica en ductos ............................................. 72

5.11.3.4. Determinacin de presin esttica en el ventilador ...................................... 74

5.12. Anlisis CFD en Solidworks ............................................................................ 74

5.12.1. Simulacin ........................................................................................................ 77

5.13. Recomendaciones de diseo y constructivas .................................................... 78

5.13.1. Codos ................................................................................................................ 78

5.13.2. Campanas ......................................................................................................... 78

5.13.3. Intersecciones ................................................................................................... 79

5.14. Clculo de prdidas .......................................................................................... 80

5.14.1. Mtodo de la longitud equivalente ................................................................... 80

5.14.1.1. Procedimiento de clculo .............................................................................. 80

5.14.2. Prdidas en puntos de succin .......................................................................... 84

6. EVALUACIN DEL SISTEMA ACTUAL ........................................................... 86

6.1. Mediciones de campo y evaluacin del sistema actual ........................................ 86

6.1.1. Evaluacin de puntos de succin ...................................................................... 86

6.1.2. Evaluacin de ductera ..................................................................................... 92

6.1.3. Medicin de presin dinmica y velocidad de transporte ................................ 95

6.1.4. Medicin de presin esttica .......................................................................... 100

6.1.5. Evaluacin de cadas de presin ..................................................................... 103

6.1.5.1. Cadas de presin en puntos de succin y ductera ..................................... 103

6.1.5.2. Cada de presin en filtro de aire ................................................................ 103

6.1.5.3. Cada de presin en ventilador .................................................................... 105

6.2. Simulacin ......................................................................................................... 107

7. DISEO ................................................................................................................. 120

7.1. Muestreo Ocupacional ....................................................................................... 120

7.1.1. Granulometra ................................................................................................. 121

7.2. Diseo de puntos de succin .............................................................................. 124

7.2.1. Campana para proceso caliente: soldado ........................................................ 124

7.2.2. Campana superior punto de cepillado en COS ............................................... 130

7.2.3. Campana de captacin de material particulado en COS ................................ 131

8

7.2.4. Punto de succin inferior en ensobradoras 1 y 3 ............................................ 132

7.2.5. Succin frontal ensobradora 1 y 3 .................................................................. 134

7.2.6. Succin inferior ensobradora 2 ....................................................................... 135

7.2.7. Cajas con semi-encerramiento ........................................................................ 137

7.3. Altura de chimenea de descarga ......................................................................... 138

7.4. Dimensiones de ductera y cadas de presin ..................................................... 140

7.5. Simulacin del sistema nuevo ............................................................................ 141

8. PRESUPUESTO .................................................................................................... 151

8.1. Anlisis de precios unitarios .............................................................................. 151

8.2. Especificaciones tcnicas del sistema nuevo ..................................................... 151

9. CONCLUSIONES ................................................................................................. 152

BIBLIOGRAFA .......................................................................................................... 154

ANEXOS ...................................................................................................................... 159

9

Lista de tablas

Tabla 1. Operacionalizacin de las variables .................................................................. 23

Tabla 2. Clasificacin de agentes de riesgo qumico ...................................................... 35

Tabla 3. Intervalo de velocidades de captura .................................................................. 60

Tabla 4. Velocidad de transporte de contaminantes........................................................ 61

Tabla 5. Tipos de captadores de polvo ............................................................................ 63

Tabla 6. Longitudes equivalentes .................................................................................... 82

Tabla 7. Factor de correccin para tuberas flexibles ..................................................... 82

Tabla 8. Valores de diseo para comparacin ................................................................ 86

Tabla 9. Mediciones de velocidades, flujo de aire en campanas .................................... 91

Tabla 10. Velocidad de transporte y PD en ramal principal ........................................... 97

Tabla 11. Medicin de velocidad en salida del ventilador chimenea ......................... 99

Tabla 12. Medicin presin esttica.............................................................................. 102

Tabla 13. Comparacin de valores medidos vs. valores calculados ............................. 102

Tabla 14. Cadas de presin crtica en lnea de ensamble #3 ........................................ 114

Tabla 15. Cadas de presin crtica en lnea de ensamble #2 ........................................ 116

Tabla 16. Cadas de presin crtica en lnea de ensamble #1 ........................................ 116

Tabla 17. Valores medidos vs. valores simulados en ramal principal .......................... 119

Tabla 18. Resultados muestreo personal ....................................................................... 120

Tabla 19. Determinacin cuantitativa tamao de partcula ........................................... 122

Tabla 20. Velocidades de asentamiento de plomo ........................................................ 123

Tabla 21. Comparacin sistema actual vs. sistema nuevo ............................................ 150

10

Lista de figuras

Figura 1. Estrategia para evaluar y gestionar exposiciones ocupacionales ..................... 28

Figura 2. Comportamiento del material particulado ....................................................... 36

Figura 3. Dimetros de partculas aerosoles ................................................................... 38

Figura 4. Proceso de fabricacin de bateras tipo cido-plomo ...................................... 48

Figura 5. Representacin de fuerzas de arrastre y sustentacin ...................................... 49

Figura 6. Esquema de presiones ...................................................................................... 52

Figura 7. Esquema de presiones en diferentes puntos de un sistema de ventilacin ...... 53

Figura 8. Representacin de ecuacin de la continuidad ................................................ 55

Figura 9. Componentes de un sistema de ventilacin exhaustiva localizada .................. 58

Figura 10. Tipos de campana ......................................................................................... 59

Figura 11. Ventilador de hlice ....................................................................................... 64

Figura 12. Ventilador axial ............................................................................................. 65

Figura 13. Ventilador centrfugo ..................................................................................... 65

Figura 14. Curva caracterstica de un ventilador ............................................................ 67

Figura 15. Altura de chimenea de descarga para evitar contaminacin .......................... 68

Figura 16. Medicin de velocidad de cara de elemento de captacin ............................. 70

Figura 17. Medicin de presin esttica en ductos ......................................................... 72

Figura 18. Puntos de medicin en ductos circulares ....................................................... 73

Figura 19. Codo con amplio radio de curvatura ............................................................. 78

Figura 20. ngulo de abertura de campana .................................................................... 79

Figura 21. Configuraciones de intersecciones ................................................................ 79

Figura 22. Termo-anemmetro ....................................................................................... 87

Figura 23. Campanas de captura ..................................................................................... 88

Figura 24. Distribucin de lneas de ensamble y sistema de ventilacin ....................... 90

Figura 25. Dimensiones generales del sistema de ventilacin existente ......................... 93

Figura 26.Distribucin del sistema de ventilacin existente ........................................... 94

Figura 27. Puntos de medicin de velocidad en ducto .................................................... 95

Figura 28. Configuracin del velmetro con tubo de pitot ............................................. 96

Figura 29. Puntos de medicin en un ventilador ........................................................... 100

11

Figura 30. Configuracin del velmetro con sonda de presin esttica ....................... 101

Figura 31. Filtro de cartuchos ....................................................................................... 103

Figura 32. Ventilador centrfugo .................................................................................. 105

Figura 33. Modelo en 3D del sistema de ventilacin existente..................................... 108

Figura 34. Definicin de superficies, volmenes y condiciones de frontera ............... 109

Figura 35. Grfica de resolucin de metas globales ..................................................... 111

Figura 36. Trayectoria de flujos y distribucin de presin ........................................... 113

Figura 37. Variacin de presin esttica y flujo en lnea de ensamble #3 .................... 115

Figura 38. Variacin de presin esttica y flujo en lnea de ensamble #2 .................... 117

Figura 39. Variacin de presin esttica y flujo en lnea de ensamble #1 .................... 118

Figura 40. Cassettes de muestreo .................................................................................. 120

Figura 41. Material particulado desprendido de las placas ........................................... 121

Figura 42. Dimensiones bsicas empleadas en diseo de campanas elevadas para focos

calientes ......................................................................................................................... 125

Figura 43. Posicin de campana para punto de soldado ............................................... 126

Figura 44. Campana punto cepillado COS .................................................................... 130

Figura 45. Campana frontal para succin de material particulado en COS .................. 131

Figura 46. Succin inferior ensobradoras 1 y 3 ............................................................ 133

Figura 47. Simulacin punto de succin inferior ensobradoras 1 y 3 ........................... 134

Figura 48. Campana frontal ensobradoras 1 y 3 ........................................................... 135

Figura 49. Succin inferior ensobradora 2 .................................................................... 136

Figura 50. Succin inferior ensobradora 2 .................................................................... 137

Figura 51. Caja de succin para auxiliares.................................................................... 137

Figura 52. Simulacin cajas de succin para auxiliares ................................................ 138

Figura 53. Esquema para instalacin de chimenea de descarga.................................... 140

Figura 54. Diagrama unifilar diseo nuevo sistema (No a escala) ............................... 142

Figura 55. Condiciones de frontera sistema nuevo ....................................................... 144

Figura 56. Metas solucionadas y estabilizadas ............................................................. 145

Figura 57. Resultados de simulacin ............................................................................ 147

Figura 58. Sistema nuevo completo .............................................................................. 148

Figura 59. Sistema nuevo completo .............................................................................. 149

12

Lista de anexos

Anexo 1. Acta de validacin tica ................................................................................ 160

Anexo 2. Coeficientes de prdidas por entrada en campanas ....................................... 165

Anexo 3. Punto de captura tipo Baffle con divisin ..................................................... 166

Anexo 4. Frmulas para clculo de caudal de acuerdo a la geometra de la campana . 167

Anexo 5. Tabla de Clculo de prdidas del sistema actual ........................................... 168

Anexo 6. Resultados de medicin ocupacional de plomo ............................................ 170

Anexo 7. Tabla de Clculo de prdidas del sistema nuevo ........................................... 172

Anexo 8. Anlisis de precios unitarios para implementacin del Sistema Nuevo ........ 176

13

Glosario

ACGIH: American Conference of Governmental Industrial Hygienists (Conferencia

Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales).

AIHA: American Industrial Hygiene Association (Asociacin Americana de Higiene

Industrial).

ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers

(Asociacin Americana de ingenieros en Calefaccin, Refrigeracin y Aire

Acondicionado).

BEI: Biological exposure index (ndice de exposicin biolgica)

CAD: Computer-aided design (Diseo asistido por computadora).

CFD: Computational Fluid Dynamics (Dinmica de fluidos computacional).

cfm: Pies cbicos por minuto (ft3/min)

ft: Pies

fpm: Pies por minuto (ft/min)

IARC: International Agency for Research on Cancer (Agencia Internacional para

Investigacin del Cncer)

In.W.C: Pulgadas de columna de agua.

OMS: Organizacin Mundial de la Salud

OSHA: Occupational Safety and Health Administration (Administracin de Seguridad

y Salud Ocupacional).

VLP: Valores Lmite Permibles (TLV Threshold Limit Values ACGIH)

() o in: Pulgadas

14

RESUMEN

En este proyecto se presenta el diseo de un sistema de ventilacin exhaustiva para una

planta de fabricacin de bateras con el fin de controlar los agentes contaminantes

generados (residuos de plomo). En primera instancia se establecieron las caractersticas

del material particulado como son: tamao y peso especfico. Posteriormente se

modelaron y simularon por medio de herramientas CFD los diferentes componentes con

el fin de determinar la cada de presin, las velocidades de captura en los puntos de

generacin, eliminacin de puntos de estancamiento, y verificacin de condiciones

fluido-dinmicas adecuadas. Para esta modelacin se utilizaron las ecuaciones de

Navier-Stokes bajo rgimen turbulento, usando el modelo de kappa psilon. Los

resultados muestran un sistema de ventilacin exhaustiva con capacidad adaptativa a las

condiciones trabajo cambiantes en la planta de procesamiento, con velocidades de

captura adecuadas, velocidades de flujo internas que no permiten asentamiento y

logrando una cada de presin adecuada. El uso de las herramientas CFD en el diseo

permiti tener una visualizacin de la operacin, logrando con ello mejoras en el diseo

y el desempeo del sistema.

Palabras clave: ventilacin exhaustiva, calidad de aire, simulacin,

15

ABSTRACT

This project presents the design of a local exhaust ventilation system for a battery

manufacturing factory in order to control the generated pollutants (lead residues). At

first, the characteristics of particulate matter were established such as size and specific

gravity. Subsequently, different components were modeled and simulated by CFD tool

in order to determine the pressure drop, capture velocity at generation points,

elimination of stagnation points, and verifying proper fluid-dynamic conditions. For this

modeling the Navier-Stokes equations under turbulent flow were used, using the model

of kappa - epsilon. The results show a local exhaust ventilation system with adaptive

capacity to work changing conditions in the processing plant, with appropriate capture

velocity, internal flow velocities that do not allow settlement and achieving adequate

pressure drop. Using CFD design tools, allowed display of the operation, thereby

achieving improvements in the design and performance of the system.

Keywords: exhaust ventilation, air quality, simulation,

16

INTRODUCCIN

Una de las bateras ms utilizadas para uso automotor, son las tipo cido plomo, stas

bateras en su proceso de fabricacin desprenden contaminantes en forma de aerosoles,

vapores y xidos de plomo.

Se conoce que, una exposicin continua y a largo plazo genera en aquellas personas

diversas afectaciones a los sistemas y rganos del cuerpo como, al sistema nervioso,

hematopoytico, cardiovascular, esqueltico, reproductivo, siendo una de sus

manifestaciones crnicas el saturnismo, catalogado como enfermedad profesional en la

legislacin colombiana.

Una empresa de fabricacin de ste tipo de bateras, al contar con un buen sistema de

ventilacin exhaustiva localizada, podr primeramente captar el material particulado y

vapores generados en la fuente, transportarlos, filtrarlos y expulsarlos al ambiente,

logrando un impacto positivo en la poblacin trabajadora que se encuentra directa e

indirectamente expuesta a los contaminantes antes mencionados, previniendo las

afectaciones causadas por la exposicin a plomo.

Adems, el correcto mtodo de filtrado y la posterior descarga de ese contaminante,

puede lograr que los niveles de inmisin ambiental sean aquellos que garanticen el

menor impacto a la comunidad circundante, flora y fauna.

El presente proyecto describir la situacin actual del funcionamiento del sistema de

ventilacin exhaustiva de una empresa que fabrica bateras tipo cido-plomo, que

determinar principalmente las presiones, velocidades, dimensiones y geometra del

sistema existente. Con base en aquellos valores, se disear un sistema que

17

contemplando las mismas variables, se determinen los valores ptimos para garantizar

la eficiencia del mismo.

Utilizando el software de diseo asistido por computadora (CAD) Solidworks con su

mdulo de dinmica de fluidos computacional (CFD) Cosmo FlowSilumation, se

recrear el escenario actual y se comparar con las variaciones del nuevo diseo,

simplificando el proceso de diseo. Si bien, los resultados de este proyecto no son

extrapolables a otras industrias, la metodologa si puede ser replicada y/o adaptada para

empresas de caractersticas similares.

18

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Una batera o acumulador tipo cido-plomo, est constituido de celdas positivas y

negativas recubiertas de xidos de plomo y plomo metlico. Para la fabricacin de estos

acumuladores se requieren diversos procesos, entre los cuales se utilizan los equipos de

ensobrado y Cast-On-Strap (COS), que de acuerdo a la Administracin de Seguridad y

Salid Ocupacional (OSHA), en estos equipos se requiere manipulacin de las placas por

parte del personal, por lo tanto estn expuestos a fuentes generadoras de material

particulado, y vapores de plomo debido a fundiciones (1). El plomo se deposita en

superficies o equipos, puede mantenerse suspendido en el aire y migrar a otras reas de

la planta.

Lo cual, se ha reflejado en un incremento de las concentraciones de plomo en el

ambiente de trabajo, superando el valor lmite permisible (TLV) definido por la

Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales (ACGIH) de 50

g/m3, establecido para 40 horas semanales de trabajo y de 39 g/m

3, el TLV ajustado

para 48 horas semanales laborales, proceso que adems contribuye a generar disconfort

en los trabajadores, por el uso durante toda su jornada laboral de los equipos de

proteccin personal, especialmente, los de proteccin respiratoria.

Como se puede apreciar, y conociendo que es de vital importancia un sistema de

ventilacin exhaustiva localizada en este tipo de empresas, existen parmetros a

considerar tanto para la evaluacin como para el diseo de un sistema optimado, que

son: presiones, velocidades, potencia, geometra y dimensiones. La variacin de alguna

19

de estas puede influenciar positiva o negativamente en la captura del contaminante y

principalmente en la salud de los trabajadores.

Segn la Organizacin mundial de la salud, la exposicin a plomo, en el 2004, fue

responsable de 143,000 muertes y 0,6% de la carga mundial de morbilidad (expresada

en aos de vida ajustados por discapacidad o AVAD), teniendo en cuenta el retraso

mental leve y los resultados cardiovasculares resultantes de la exposicin a plomo (2).

En el mbito nacional, una investigacin documental realizada a nivel pas en el 2003,

para relacionar los trabajadores afiliados a Administradoras de Riesgos Laborales

(ARL) privadas y los expuestos laboralmente a plomo, encontr que de la totalidad de

enfermedades profesionales diagnosticadas por estas ARP`s, un 3,7% corresponda a

saturnismo.(3)

Con base en estos antecedentes, es necesario disear el sistema de ventilacin

exhaustiva para una fbrica de bateras, que permita optimizar el existe para contribuir

al bienestar de la poblacin trabajadora, al control de los diferentes factores de riesgo

asociados a la contaminacin por plomo, a nivel laboral y ambiental, y fortalecer los

procesos de transferencia de tecnologa, mediante la respuesta a la pregunta, Cules

son las presiones, velocidades, potencia, geometra y dimensiones ptimas para el

sistema de ventilacin exhaustiva de la fbrica de bateras?.

20

2. JUSTIFICACIN

Una de las preocupaciones ms importantes con respecto a la salud de los trabajadores

en una fbrica de bateras, es el hecho de encontrarse expuestos a material particulado y

vapores de plomo, cuya principal va de ingreso al cuerpo es la va inhalatoria, de lo

cual se conoce que se puede absorber entre el 30% - 40%, segn Hoffman (4), y en caso

de no guardarse las normas de higiene, tambin podra ser ingerido.

Adems, la Agencia Internacional de Investigacin del Cncer (IARC) ha clasificado a

los compuestos inorgnicos de plomo como Sospechoso Cancergeno en Humanos,

colocndolos en el grupo 2B, significando esto que existe una limitada evidencia de

carcinogenicidad en humanos y suficiente evidencia de carcinogenicidad en animales

experimentales (5), adems ste metal es un conocido teratognico, que a su vez es

capaz de afectar a casi cualquier rgano del cuerpo, con manifestaciones a corto y largo

plazo.

Por tales motivos, en la empresa en estudio se determin que un 70,5% de la poblacin

trabajadora, labora en la planta de produccin, encontrndose todos estos expuestos de

manera directa e indirecta a plomo en forma de material particulado y vapores, teniendo

que utilizar los elementos de proteccin personal durante toda la jornada de trabajo.

Debido a los procesos en que se incurre para la fabricacin de bateras tipo cido-

plomo, es indispensable no solo la existencia de un sistema de ventilacin exhaustiva en

o cerca de la fuente generadora del contaminante, sino tambin que funcione de manera

eficiente considerando adems las condiciones de trabajo de los empleados con el fin de

21

prevenir enfermedades ocupacionales por plomo y sus compuestos txicos, que en el

Decreto 1477 de 2014 (6) de la legislacin colombiana, se encuentra clasificado en el

Grupo X de enfermedades del sistema digestivo y el hgado, el clico saturnino, cuyo

cdigo es K59.8, sin mencionar otras afectaciones a la salud causadas en menor tiempo

de exposicin.

Para la evaluacin de las condiciones actuales, como para el diseo del nuevo sistema,

se contemplar los parmetros de: presiones, velocidades, potencia, geometra y

dimensiones, siguiendo la metodologa del Manual de Ventilacin de ACGIH,

reconocido internacionalmente.

Con el diseo y funcionamiento ptimo de un sistema de ventilacin exhaustiva, es bien

conocido que los principales beneficiarios sern los trabajadores directa e

indirectamente expuestos a plomo, ya que extraer de manera eficiente y suficiente en

los lugares puntuales de generacin del contaminante, en sus diversas formas,

disminuyendo la exposicin a plomo, previniendo las diversas afectaciones en la salud

de los trabajadores.

Adems, el impacto ambiental negativo se podra reducir, ya que un buen mecanismo de

filtrado garantizara que las emisiones al ambiente (comunidad, flora y fauna) sern las

menores posibles.

Por ltimo, la metodologa de evaluacin y el proceso de diseo y seleccin de

elementos para un sistema de ventilacin exhaustiva ptimo, puede ser reproducido con

los debido ajustes, en empresas de similares caractersticas, teniendo en cuenta, que un

sistema de ventilacin no solo responde a la necesidad de controlar un factor de riesgo

qumico, sino que considera las necesidades y salvaguarda la salud del trabajador.

22

3. OBJETIVOS

3.1. General

Disear el sistema de ventilacin exhaustiva para una fbrica de bateras.

3.2. Especficos

Determinar las presiones, velocidades, potencia, geometra y dimensiones

del sistema de ventilacin exhaustiva existente.

Modelar en 3D el sistema actual, con las dimensiones obtenidas de la

medicin y realizar la simulacin de puntos crticos con la ayuda de un

software de dinmica de fluidos computacional (CFD).

Establecer las variables que optimizan el sistema de ventilacin exhaustiva

con base en la simulacin realizada.

Disear el sistema de ventilacin exhaustiva para la fbrica de bateras.

Comparar el sistema de ventilacin exhaustiva existente con el diseo

optimizado del sistema de ventilacin exhaustiva, con ayuda de un CFD.

Elaborar los planos del sistema de ventilacin exhaustiva optimizado.

Elaborar el presupuesto para el desarrollo del sistema de ventilacin

exhaustiva optimizado.

23

4. METODOLOGA

4.1. Tipo de proyecto

Se realizar un proyecto de tipo Desarrollo Tecnolgico que permitir mejorar el

funcionamiento del sistema de ventilacin industrial exhaustiva en la empresa de

fabricacin de bateras.

4.2. Variables

Tabla 1. Operacionalizacin de las variables

Variable Naturaleza Nivel de

medicin Criterio de clasificacin

Cantidad de material particulado

Cuantitativa - continua

Razn nmero (mg)

Tamao de material particulado

Cuantitativa - continua

Razn nmero (m)

Velocidad de Captura Cuantitativa

- continua Razn nmero (pies por minuto, fpm)

Posicionamiento de equipo de captura

Cuantitativa - continua

Razn nmero (pies, ft)

Velocidad en el interior de los ductos

Cuantitativa - continua

Razn nmero (pies por minuto, fpm)

Geometra (diseo geomtrico que evite puntos de estancamiento).

Cualitativa Nominal 1=circular, 2=rectangular, 3= rejilla, 4= otra

Presin del sistema Cuantitativa

- continua razn

nmero (pulgadas de agua. in.W.C)

Flujo volumtrico Cuantitativa

- continua Razn

nmero (pies cbicos por minuto, cfm)

Temperatura del aire Cuantitativa

- continua Razn nmero (F)

Potencia Cuantitativa

- continua Razn HP

24

4.3. Mtodos y tcnicas de recoleccin de informacin

Inspeccin del sistema existente y establecimiento de puntos de captura

localizada.

La recoleccin de datos, clculos para el diseo y evaluacin del sistema

existente se realizarn de acuerdo a las recomendaciones dadas por los

Manuales de Ventilacin de ACGIH y de ASHRAE.

Los instrumentos que se utilizarn para la recoleccin de informacin son:

Presin esttica: Instrumento manmetro

Lugar: Ducto de ingreso al ventilador

Velocidad en campanas: Instrumento: termo- anemmetro

Lugar: Cara de cada campana

Presin dinmica: Instrumento Tubo de pitot

Lugares: Al ingreso al ventilador y en el ducto principal, luego

del colector de polvo.

Potencia del motor: Datos de placa

Dimensiones de ductos y campanas: Cinta mtrica.

Clculos de cadas de presin y diseo del sistema nuevo, con el mtodo de

Longitudes Equivalentes, sugerido por ACGIH.

Simulacin del sistema existente, para determinacin de puntos crticos de

cada de presin, y para diseo de sistema nuevo, recrear al condiciones de

funcionamiento que demuestren la eficiencia del sistema, todo esto con la

ayuda de un software de Dinmica de Fluidos Computacional (CFD).

25

4.4. Tabulacin y anlisis de datos

Se utilizarn las siguientes ayudas computacionales:

Hoja de Clculo Excel

Herramienta de dinmica de fluidos computacional (CFD),

Solidworks 2012 con su complemento de simulacin Cosmo

FlowSimulation.

4.5. Aspectos ticos

De acuerdo al Art. 11, literal a), de la Resolucin N 008430 de 1993 del

Ministerio de Salud:

Investigacin sin riesgo: Son estudios que emplean tcnicas y

mtodos de investigacin documental retrospectivos y aquellos en

los que no se realiza ninguna intervencin o modificacin

intencionada de las variables biolgicas, fisiolgicas, sicolgicas o

sociales de los individuos que participan en el estudio, entre los que

se consideran: revisin de historias clnicas, entrevistas,

cuestionarios y otros en los que no se le identifique ni se traten

aspectos sensitivos de su conducta.

El presente trabajo cuenta con la validacin del COMIT DE TICA EN

INVESTIGACIN EN EL REA DE LA SALUD de la Universidad del Norte. (ver

anexo 1).

26

5. MARCO TERICO

5.1. La salud ocupacional en Colombia

De acuerdo a la Asociacin Americana de Higiene Industrial (AIHA) : La Higiene

Industrial se define como la ciencia y el arte de anticipar, reconocer, evaluar y controlar

los peligros o riesgos a la salud en el lugar de trabajo (7).

En Colombia, los temas de seguridad en el trabajo y enfermedades profesionales,

dejaron de ser desconocidos a inicios del siglo XX, con la Ley 57 de 1915 tambin

conocida como Ley Uribe, convirtindose en la primera ley relacionada con salud

ocupacional.

En los aos siguientes, le sucedieron otras leyes de trascendencia para el futuro de la

salud ocupacional en el pas, siendo una de las ms importantes la Ley 9 de 1979 donde

se tiene como real objetivo la proteccin de los trabajadores con respecto a su salud.

Como parte de este desarrollo, se crea el Ministerio de la Proteccin Social, Cdigo

sustantivo del trabajo. Adems a travs de la Ley 100 de 1993 y el Decreto 1295 de

1994, se crea el Sistema General de Riesgos Profesionales (8).

Tambin, con la resolucin 2400 de 1979, se establecen las disposiciones sobre

vivienda, higiene y seguridad en los establecimientos de trabajo, donde se abarcan

temas como: obligaciones de trabajadores y patronos, orden y limpieza, normas sobre

riesgos fsicos (temperatura, ventilacin, iluminacin, ruido y vibraciones, radiaciones),

qumicos y biolgicos en los lugares de trabajo, concentraciones mximas permisibles,

27

contaminacin ambiental, entre otras. Se puede apreciar que, las regulaciones que

platearon las leyes antes mencionadas, no solamente iban orientadas a proteger la salud

del trabajador sino tambin a regular el ambiente donde desempeaba su trabajo y los

entes que se encargaran de controlar estas condiciones. Se puede concluir, que ya

existen lineamientos para los factores de riesgos a los cuales pueden estar expuestas las

personas en sus establecimientos de trabajo.

Al igual que las normativas han ido evolucionando y con el avance tecnolgico, el lugar

de trabajo se ha hecho ms complejo y por lo tanto tambin la evaluacin del mismo. La

variedad de factores de riesgos ha incrementado, y ya no es solamente la primera

prioridad proteger la salud de los trabajadores, sino a todos los actores involucrados en

las organizaciones actuales, como son: propietarios, empleados, clientes, y la

comunidad donde la organizacin se encuentra localizada.

5.2. Evaluacin Integral de la exposicin

Con base en la anterior, la visin de la estrategia de evaluacin debe ser ms amplia y

cclica, partiendo desde la recoleccin de informacin que se encuentra fcilmente

disponible. Los resultados obtenidos de sta evaluacin inicial servirn para realizar la

priorizacin, establecer controles y seguimiento. En la figura 1, se observa un

flujograma de lo que debera ser una evaluacin integral, de manera genrica.

28

Figura 1. Estrategia para evaluar y gestionar exposiciones ocupacionales

Fuente: AIHA, 2010

Algunos pasos estratgicos a seguir para la evaluacin integral, de acuerdo a la AIHA

(9), son los siguientes:

a) Inicio

Establecimiento de metas de la evaluacin

b) Caracterizacin

Antes de tomar decisiones sobre qu herramienta aplicar para la evaluacin de la

exposicin ocupacional, se requiere caracterizar el lugar de trabajo, el capital humano y

los factores de riesgo. Para esto, primeramente se hace una visita al lugar para realizar

una inspeccin visual donde se recolectar informacin referente a: operaciones,

procesos, equipo de proteccin personal, controles de exposicin, agentes ambientales,

29

resultados de monitores ambientales pasados. Con esta informacin se pretende

responder a las siguientes preguntas:

Cules son los factores de riesgo presentes?

Qu efectos tienen sobre la salud?

Cules son los valores lmites permisibles para los agentes encontrados?

Cules son y donde se encuentran las fuentes potenciales de exposicin?

Existen y/o cuales son las medidas de control efectivas para ser aplicadas?

Para complementar esta informacin, se recomienda realizar una revisin de la literatura

con respecto a los procesos, agentes que intervienen en stos y las afectaciones en salud

que pueden provocar.

5.2.1. Evaluacin de la exposicin

En esta etapa se definen los grupos de exposicin similar (GSE), los factores de riesgo a

los que estn expuestos, materiales y procesos que se ejecutan.

Adems, en esta etapa, se realiza la clasificacin de las exposiciones, que pueden

establecerse en tres grupos:

a) Exposicin inaceptable: Prioridad para establecer y aplicar controles.

b) Exposicin incierta: Establecer qu otro tipo de informacin se requiere

recolectar.

c) Exposicin aceptable: Son documentadas y consideradas para re-evaluacin

peridica.

30

5.2.2. Bsqueda de informacin adicional

Implementacin de monitoreos para recolectar informacin adicional con el fin de tener

mayor confiabilidad en los datos para la toma de decisiones.

De acuerdo a las prioridades encontradas con respecto a los grados de exposicin, la

informacin adicional buscada debe ir orientada a los niveles de exposicin

encontrados.

Dependiendo de los niveles de exposicin y la toxicidad, se podrn hacer

consideraciones sobre la utilizacin de equipos de proteccin personal (EPP) o algn

otro tipo de control.

Esta informacin adicional puede ser obtenida con la ayuda de monitoreos de

exposicin ocupacional, dependiendo del tipo de factor de riesgo encontrado, pueden

ser: determinacin de nivel de presin sonora, muestreos de aire, u otra medicin

ambiental.

5.2.3. Control de riesgos

Implementar estrategias de control prioritario cuando se detecten exposiciones

inaceptables.

5.2.4. Reevaluacin

Determinacin del tipo de monitoreo requerido para verificar las exposiciones y

mantener un nivel aceptable. Esto se conoce como mejoramiento continuo.

31

5.2.5. Comunicacin y documentacin

Comunicar hallazgos de la evaluacin de la exposicin.

5.3. Evolucin de los Sistemas HVAC

Con respecto a los sistemas de ventilacin, la evolucin de los sistemas de calefaccin,

ventilacin y aire acondicionado, o ms conocidos por sus siglas en ingls HVAC, no

han evolucionado de manera constante hacia sistemas que sean ideales para las

condiciones de hoy. Por el contrario, los sistemas HVAC evolucionaron en respuesta a

las condiciones que existan en diversos momentos del pasado.

Los sistemas HVAC contemporneos comenzaron su evolucin hace unos 120 aos,

cuando los ventiladores centrfugos se introdujeron en los primeros grandes edificios de

estructura de acero para hacer circular el aire exterior con propsitos de enfriamiento,

eliminacin de olores y prevencin de enfermedades infecciosas. Estos sistemas de

ventilacin adquirieron funciones y requisitos adicionales, que con cada nuevo

requisito, se intentaron variaciones de los mtodos existentes, generando tambin

nuevos problemas.

Se aadieron los serpentines de calefaccin de vapor, creando calefaccin de aire

forzado. Estos introdujeron el control de la temperatura para espacios individuales, que

se unieron con reguladores manuales.

Para la dcada de los 60`s, los problema de comodidad parecan estar resueltos.

Mientras tanto, otras funciones como: filtracin, recirculacin de aire, supresin de

32

humo, control de presin, recuperacin de calor y almacenamiento de energa, se

incorporaron en el esquema de los diseos de sistemas centralizados.

Desde sus inicios, los sistemas centralizados tambin crearon problemas en el diseo de

los edificios que no guardaban relacin con su funcin de acondicionamiento. Mucho

ms tarde se reconoci que el sistema de climatizacin en s poda causar una variedad

de problemas de salud, comnmente denominado sndrome del edificio enfermo (10).

La ventilacin es una funcin de los sistemas HVAC, y en algunos mbitos industriales

operan alejados de sus puntos ideales debido al desconocimiento de nuevas tcnicas,

tales como dampers motorizados y ventiladores con variadores de velocidad, que

permitan ajustar la operacin a los requerimientos. En el pasado, un buen control del

sistema de ventilacin requera un arreglo de tres dampers: admisin, alivio y

recirculacin. Sin embargo, los dampers de control desperdiciaban la energa del

ventilador al operar exclusivamente bajo el principio variacin de flujo por medio de

variacin de la cada de presin.

La remocin de contaminantes en el aire de un determinado espacio, ha tenido mejoras

debido al desarrollo de sensores para control de la ventilacin en respuesta a los

contaminantes generados internamente. Para aplicaciones especializadas, se contina el

desarrollo de sistemas de filtrado y biocidas para minimizar el coste, tamao y

resistencia del flujo de aire.

Los sistemas HVAC optimizados hacen del damper como elemento exclusivo de

control, un componente obsoleto. El flujo de aire es controlado primordialmente por la

modulacin del ventilador, que se basa en la medicin de flujo de aire. El desarrollo de

33

motores de velocidad variable, eficientes y pequeos, hacen que sea econmico

explotar el campo de los ventiladores de flujo variable.

El diseo de sistemas HVAC ha recibido ayuda por computadoras y softwares. El

primer software de HVAC era casi exclusivamente para desarrollar clculos de cargas

de manera automtica (11). Estos software eran difciles de utilizar y lentos, pero aun

as, ahorraban tiempo en comparacin con el clculo manual.

Con la introduccin del diseo asistido por computadora (CAD), no solo se facilitara el

dibujo de sistemas terminados, sino que se adicionaron mejoras que permitiran el

dimensionamiento de ductos.

No solamente se utilizan para el clculo de carga y dimensionamiento de ductos, sino

tambin a la especificacin y seleccin de equipos, diseo de tuberas, anlisis

psicromtrico, entre muchas otras opciones.

Algunos softwares utilizados en la actualidad son:

Solidworks con su mdulo de HVAC, que es un producto que puede evaluar

eficientemente el movimiento de un gas y su temperatura y el impacto del flujo de un

fluido (12) a travs de la dinmica de fluidos computacional (CFD). AutoCAD MEP,

permite disear ductos, sistemas de tuberas, y modificar dimensiones y conectar

componentes (13), entre muchos otros.

Sin embargo, la informacin sistemtica disponible sobre la tecnologa de ventilacin

industrial, es escasa. Existen algunos manuales como el de la Conferencia Americana de

Higienistas Industriales Gubernamentales (ACGIH) y el de la Sociedad Americana de

34

Aire acondicionado, Refrigeracin y calefaccin (ASHRAE), pero no hay un libro que

sea internacionalmente aceptado, validado y disponible.

5.4. Factores de riesgo

De acuerdo a la Organizacin Mundial de la Salud (OMS); un factor de riesgo es

cualquier rasgo, caracterstica o exposicin de un individuo que aumente su

probabilidad de sufrir una enfermedad o lesin (14), este concepto proviene desde una

visin de salud pblica.

Desde la ptica de la salud ocupacional, un factor de riesgo son todas aquellas

condiciones de: ambiente, tareas, organizacin u otras que encierran dao potencial, sea

a la salud de los trabajadores o a la empresa de manera negativa, esto de acuerdo al

Ministerios de Proteccin social en Colombia (15).

Estos se clasifican en; factores de riesgo fsico, qumico, biolgico, ergonmico,

psicosocial y de seguridad.

5.4.1. Factores de Riesgo Qumico

Un contaminante qumico, es una o varias sustancias, en diferentes formas y estados que

al ser liberadas en el ambiente laboral, pueden causar problemas de ndole higinico y

de seguridad.

35

5.4.1.1. Clasificacin de los contaminantes qumicos

A continuacin se representa de manera general, la clasificacin de los contaminantes

qumicos por su presentacin fsica. Los efectos que produzcan en la salud dependern

del tiempo de exposicin y grado de concentracin de dicho contaminante.

Tabla 2. Clasificacin de agentes de riesgo qumico

Fuente: Gua tcnica exposicin factores de riesgo ocupacional, 2011

5.4.1.2. Definicin de agentes de riesgo por divisin

Polvo: Slidos formados por desintegracin. Estas partculas son rplicas

pequeas del material donde provienen, cuyo tamao puede ser microscpico o

sub-microscpico.

Humos. Slidos producidos por reacciones fsico-qumicas como la combustin,

sublimacin y destilacin. El xido de plomo es tpicamente un humo de

metalurgia. Estas partculas son mucho ms pequeas que las partculas de polvo

(menores a 1g de dimetro).

36

Brumas y neblinas. Son partculas producidas por la desintegracin de un lquido

o de condensacin de vapor. Estas son gotas esfricas suficientemente pequeas

para flotar en corrientes de aire moderada.

Aerosol. Un aerosol es una suspensin de partculas slidas o lquidas en un gas,

como coloide.

5.5. Material particulado y velocidades

El tamao de los aerosoles es usualmente referido en trminos de micrmetros (m) o

micrones. El rango del tamao de los aerosoles vara desde 10-2

m a 102 m. Los

dimetros de aerosoles > 10m, son los inspirables, 4 10 m, torcicos, y < 4m, los

respirables. En la figura 2, se observa que dependiendo del dimetro aerodinmico de la

partcula se puede determinar la eficiencia con la cual se depositar en una superficie.

Figura 2. Comportamiento del material particulado

Fuente: ASHRAE Handbook Fundamentals, 2009

37

Adems, una vez determinado el dimetro de las partculas del contaminante, se puede

hallar la velocidad de asentamiento de las mismas, a continuacin se ilustra la relacin

entre el dimetro de las partculas y sus velocidades de asentamiento (16), en la figura 3.

38

Figura 3. Dimetros de partculas aerosoles

Fuente: Patty`s Industrial Hygiene, 2011

39

La velocidad de asentamiento es determinada por el balance entre el arrastre y las

fuerzas externas que actan en la partcula.

De acuerdo a la Ley de Stokes, la fuerza de arrastre ejercida por un fluido contino e

incompresible sobre una partcula que se asienta libremente a una velocidad pequea,

relativa a la del fluido (el fluido alrededor de la partcula es laminar), se puede

determinar con la ecuacin [1]:

( )

Ecuacin [1]

Donde:

Vt: velocidad de asentamiento, m/s.

D: dimetro de partcula, m.

g: gravedad, m/s2.

dp: densidad de la partcula, kg/m3.

dm: densidad del medio (aire), kg/m3.

: viscosidad cinemtica del fluido, m2/s.

40

5.6. Calidad de aire

5.6.1. Valores lmite permisible

La ACGIH define los valores lmites permisibles (VLP) o por sus siglas en ingls

(TLV), de acuerdo a dos criterios, a largo plazo y corto plazo. El lmite a largo plazo,

referido como TLV-TWA; es una concentracin promedia en el tiempo, para una

jornada laboral convencional de 8 horas diarias y/o 40 horas por semana, en la cual se

cree que casi todos los trabajadores pueden estar expuestos repetidamente, da tras da, y

tener una vida laboral sin efectos adversos.

El lmite de exposicin para periodos cortos o TLV-STEL, es una concentracin

promedia de aire en 15 minutos, o la exposicin continua de los trabajadores a periodos

cortos de tiempo sin sufrir irritacin o dao tisular crnico o irreversible, narcosis, etc.,

y que no exceda el TLV-TWA diario.

Otras instituciones tienen sus propios lmites establecidos como: La OSHA cuenta con

los PEL`s, denominados Lmites de Exposicin Permitida. La NIOSH cuenta con los

REL`s, denominados Lmites de Exposicin Recomendados.

De todos estos, los VLP`s de ACGIH son los aplicables en Colombia de acuerdo a la

Resolucin 2400 de 1979 (17).

5.6.2. Calidad de aire interior

La calidad de aire interior comprende aquellos aspectos de: la salud humana y la

enfermedad, que son determinados en el interior de ese ambiente. La prctica de la salud

41

ambiental interior requiere consideraciones de los riesgos de ndole: qumico, biolgico,

fsico y ergonmico.

Es esencial que se tenga conocimiento sobre fundamentos de calidad de aire interior

debido a que el diseo, operacin y mantenimiento de un sistema de ventilacin afecta

significativamente la salud de aquellos que se encuentren en el interior del recinto.

De acuerdo a la ASHRAE: el rea ms claramente definida de la calidad de aire interior,

es la salud ocupacional, en particular lo que respecta a los contaminantes

aerotransportados en el lugar de trabajo (18).

El ambiente interior de un recinto es el resultado de la interaccin entre el sitio

propiamente, clima, materiales y forma de construccin (diseo original y

modificaciones), fuentes de contaminacin (humedad, procesos, actividades en el

interior y exterior del recinto) y los ocupantes / trabajadores.

Los siguientes cuatro elementos estn envueltos en el desarrollo de problemas de

calidad de aire interior:

Fuente: existencia de una fuente de contaminacin o disconfort.

HVAC: El sistema de ventilacin, no es capaz de controlar los contaminantes

del aire existente.

Vas: Una o ms rutas de contaminantes conectan la fuente de contaminacin

con los ocupantes, con ayuda de una fuerza que mueve los contaminantes a lo

largo de las vas.

Ocupantes: Presencia de ocupantes en el recinto.

Por lo cual, es de gran importancia comprender el rol que cada uno de estos factores

puede desempear en la prevencin, investigacin y resolucin de problemas de calidad

de aire interior.

42

5.7. Plomo

5.7.1. Propiedades fsico-qumicas

El plomo es un metal pesado de ocurrencia natural y es miembro del grupo 14 de la

tabla peridica. ste elemento no es particularmente abundante pero sus yacimientos

son fcilmente accesibles y ampliamente distribuidos en todo el mundo. Sus

propiedades como la resistencia a la corrosin, densidad y bajo punto de fusin, hacen

que sea un material conocido en tuberas, soldaduras, pesos y bateras de acumulacin.

El plomo es un metal brillante de color gris-azulado. Es muy suave y altamente

maleable, dctil, y un conductor de la electricidad relativamente pobre. Es muy

resistente a la corrosin pero se oscurece cuando se expone al aire. Los istopos de

plomo son al final productos de cada una de las tres series de elementos radioactivos de

ocurrencia natural.

5.7.2. Comportamiento de plomo

5.7.2.1. Comportamiento en el medio ambiente

El plomo no se degrada, sin embargo, los compuestos de plomo son transformados por

la luz solar, el aire y el agua. Cuando se libera al aire (debido a combustin de gasolina

con aditivos de Pb o por contaminacin de industrias) puede ser transportado largas

distancias antes de sedimentar en el suelo; una vez que cae a la tierra, generalmente se

adhiere a partculas en el suelo, generando sales de plomo, bromuros, xidos.

De acuerdo al tamao de las partculas, unas se precipitarn al suelo y otras

permanecern en la atmsfera.

43

Estas partculas se las puede subdividir en; fraccin gruesa: con dimetro menor a 10

micrones, puede llegar hasta los pulmones. La fraccin fina, con dimetros menores a 1

micra, puede ingresar hasta los alveolos y difundirse hasta el torrente sanguneo (19).

Adems, debido a que tambin existe en forma de vapor, a temperaturas de 550C y

650C, emite vapores muy txicos que en contacto con el aire se transforma en oxido de

plomo (20).

El movimiento del plomo desde el suelo a aguas subterrneas depender del tipo de

compuesto del plomo y de las caractersticas del suelo.

Adems, puede acumularse en organismo acuticos, suelo, llegando a la cadena

alimenticia.

5.7.2.2. Comportamiento en el ser humano

a) Vas de ingreso

El plomo puede ser absorbido/penetrar al cuerpo por inhalacin e ingestin, el plomo

inorgnico no se absorbe a travs de la piel, pero los compuestos de plomo orgnico s.

b) Cintica

Absorcin: La absorcin gastrointestinal es menos eficiente que la pulmonar.

Los adultos absorben un estimado de 10 15% de plomo en la comida, mientras

que los nios tienen una mayor taza de absorcin, de 40 50%. La absorcin

global promedia de plomo inhalado es de 30-40%, mientras que la absorcin

cutnea es muy baja.

44

El plomo puede ser inhalado y absorbido a travs del sistema respiratorio o

ingerido y absorbido por el tracto gastrointestinal; la absorcin percutnea del

plomo inorgnico es mnima, pero el plomo orgnico si se absorbe bien por esta

va.

Distribucin: El plomo absorbido ingresa al torrente sanguneo donde al menos

el 99% se une a los eritrocitos. Poco despus de que el plomo entra al cuerpo, la

sangre lo distribuye a rganos y tejidos (por ejemplo, el hgado, los riones, los

pulmones, el cerebro, el bazo, los msculos y el corazn). Despus de varias

semanas, la mayor parte del plomo se moviliza hacia los huesos y los dientes. En

adultos, aproximadamente 94% de la cantidad total de plomo en el cuerpo se

encuentra en los huesos y los dientes. Cierta cantidad de plomo puede

permanecer en los huesos durante dcadas. Sin embargo, bajo ciertas

condiciones parte del plomo puede abandonar los huesos e ingresar nuevamente

a la sangre y a los tejidos y rganos (durante el embarazo y la lactancia, cuando

se fractura un hueso y en la vejez) (21).

Eliminacin: El plomo absorbido que no es retenido, es eliminado

principalmente por la orina (aprox. 65%) y la bilis, heces (aprox. 35%). La vida

media biolgica del plomo se estima de la siguiente manera: en sangre (adultos)

25 das (nios bajo exposicin natural), 10 meses; tejidos blandos (adultos bajo

corta exposicin), 40 das, huesos (lbil, trabecular), 90 das, (cortical, estable),

10 20 aos.

45

5.7.3. Valor lmite permisible del plomo y sus compuestos

De acuerdo a la ACGIH, el valor lmite permisible de plomo (TWA) y sus compuestos

inorgnicos, actualizado al 2013, es de 0,05 mg/m3 (22). Este metal est catalogado

como cancergeno confirmado en animales sin relevancia en humanos por esta

institucin. Adems, la Agencia Internacional de Investigacin del Cncer (IARC) ha

clasificado a los compuestos inorgnicos de plomo como Sospechoso Cancergeno en

Humanos, colocndolos en el grupo 2B, significando esto que existe una limitada

evidencia de carcinogenicidad en humanos y suficiente evidencia de carcinogenicidad

en animales experimentales (23), adems ste metal es un conocido teratognico.

5.8. Manufactura de bateras

Debido a su bajo costo y otros beneficios, la batera de cido sulfrico plomo es el

tipo de acumulador ms utilizado en el presente.

El plomo es el mayor peligro para la salud asociado a la fabricacin de bateras. La

principal ruta de exposicin es la inhalatoria, pero tambin podra ingerirse en caso de

no prestarse suficiente atencin a la higiene personal. La exposicin a plomo ocurre en

todas las etapas de produccin.

La Administracin de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) describe de manera

genrica el proceso de manufactura de este tipo de bateras (24) y los divide en;

procesamiento de rejillas y xido, procesamiento de placas, ensamble de bateras.

46

5.8.1. Procesamiento de rejillas y xido

El xido de plomo est hecho de plomo refinado, ste luego se lo convierte en una pasta

mezclndose con agua, cido y otros qumicos. En un proceso paralelo al de la

produccin de la pasta, las rejillas son fundidas en moldes a partir de aleacin de plomo.

La pasta y las rejillas son luego combinadas en el proceso de empaste.

Produccin de xidos: El xido de plomo que se utiliza para la creacin de la

pasta utilizada en las placas de la batera, este xido puede ser producido por

procesos llamados Ball Mill o Barton-Like.

Mezcla de la pasta: Durante el proceso de mezcla para crear la pasta, el xido de

plomo, cido y otros qumicos son mezclados hasta formar una pasta espesa.

Produccin de las rejillas (partes fundidas): Para la produccin de las rejillas,

lingotes de plomo son fundidos, luego vertidos en moldes.

5.8.2. Procesamiento de placas

El procesamiento de las placas combina la pasta de xido y las rejillas para preparar las

placas y ser ensambladas en grupos.

Empastado de rejillas: Durante el proceso de empastado, la pasta de xido de

plomo es aplicada a las rejillas en una mquina empastadora para llenar los

espacios de las rejillas.

Secado: Las placas empastadas son colocadas en racks dentro de una cmara que

controla la temperatura y humedad para su respectivo curado.

47

Ensobrado: El ensobrado requiere ubicar una placa positiva dentro de una

membrana porosa. La mayor fuente de exposicin resulta de la liberacin de

xido de plomo al ser manipuladas las placas, de acuerdo a la Organizacin

Internacional del Trabajo (OIT) (25).

5.8.3. Ensamble de bateras

El ensamblaje de la batera comprende: las placas, el contenedor y otras partes para el

funcionamiento de la misma.

Apilado: Las placas son apiladas de tal manera que las placas positivas y

negativas se encuentran alternadas y aisladas por un separador entre ellas.

Fundido por grupos: Despus que las placas son apiladas, se las une con un

conector pequeo y se los suelda para formar una celda o grupo. Esta operacin

es conducida por un equipo denominado Cast-On-Strap (COS). La mayor fuente

de exposicin a plomo proviene de los humos y vapores de plomo.

Soldado de intercelda: Despus que los trabajadores ubican los grupos en la

carcasa de la batera, los bornes son fusionados.

Formacin: En el proceso de carga seca, el primer paso consiste de placas

ubicadas en un tanque y barras de plomo siendo fundidas. Las placas de la

batera son cargadas en tanques. La formacin hmeda (carcasa) no incluye

ninguna asociacin con exposicin a plomo durante la formacin, porque las

bateras son ensambladas y luego llenadas con cido antes de ser cargadas.

48

En la figura 4, se aprecia de manera resumida el proceso de fabricacin de ste tipo de

bateras.

Figura 4. Proceso de fabricacin de bateras tipo cido-plomo

Fuente: OIT, 1998

49

5.9. Fundamentos de Mecnica de fluidos

La mecnica de fluidos estudia el comportamiento de stos, sea que estn en reposo o en

movimiento, de donde; fluido es aquella sustancia que, debido a su poca cohesin

intermolecular carece de forma propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene

(26), estos pueden ser gases o lquidos.

Por otra parte, la hidrodinmica, es el estudio del movimiento de un fluido en el interior

de un ducto o alrededor de un contorno.

5.9.1. Fuerza de arrastre y sustentacin

Todo cuerpo que est inmerso en la corriente de un fluido est sometido a fuerzas que

dependen de la forma y orientacin del cuerpo con respecto al flujo (27), ver figura 5.

Figura 5. Representacin de fuerzas de arrastre y sustentacin

Fuente: Cengel, 2009

La fuerza que un fluido que fluye, ejerce sobre un cuerpo en la direccin del fluido

(paralela) se denomina fuerza de arrastre o simplemente arrastre.

La fuerza de arrastre que acta sobre un objeto esfrico, se la determina con la ecuacin

[2.]

50

Ecuacin [2]

Donde:

CD: Coeficiente de arrastre

: Densidad del fluido

V: Velocidad

A: rea proyectada frontal de contacto

El CD depende de la forma del cuerpo, el nmero de Reynolds y la rugosidad de la

superficie, principalmente.

El coeficiente de arrastre para una esfera, con base en el rea frontal, ser:

Si el flujo es laminar, el CD ser igual a 0,5, y si el flujo es turbulento, el CD ser igual a

0,2.

Por otro lado la sustentacin, es una fuerza generada sobre un cuerpo que se desplaza a

travs de un fluido, de direccin perpendicular a la velocidad de la corriente incidente

(28), y se la determina con la ecuacin [3].

Ecuacin [3]

Adems, para conocer el tipo de flujo que se tendr en el interior de la ductera, se

requiere conocer el nmero de Reynolds, el cual es un nmero adimensional que se

utiliza para caracterizar el movimiento de un fluido, como se observa en la ecuacin [4].

Ecuacin [4]

51

Donde:

V: Velocidad del fluido

: dimetro de la partcula

: Viscosidad cinemtica del fluido

El nmero de Reynolds en el cual el flujo se convierte en flujo turbulento es llamado

Nmero de Reynolds Crtico. Este valor es diferente para diferentes figuras geomtricas

y condiciones de flujo, para flujo interno en una tubera circular, este valor

generalmente es .

Flujo laminar

Flujo de transicin

Flujo turbulento

5.9.2. Presiones

Un fluido siempre circula desde las regiones de mayor presin a las de menor presin.

Esta masa de aire en movimiento tiene tres presiones, como se observa la en la figura 6,

que aunque son distintas, se las relaciona matemticamente con la ecuacin [5].

Ecuacin [5]

Donde:

PT: Presin total

PE: Presin esttica

52

PD= Presin dinmica (tambin conocida como Presin de Velocidad o VP)

Figura 6. Esquema de presiones

Fuente: Manual de Ventilacin Industrial ACGIH, 1992

La presin esttica, es aquella que tiende a hinchar el ducto. sta acta de manera

perpendicular a la pared del ducto. Se expresa en pulgadas de columna de agua o

in.W.C (w.c). Con respecto a la presin atmosfrica local, sta presin puede ser

negativa o positiva, ver ecuacin [6].

La presin dinmica, es la presin que se requiere para acelerar el aire desde cero hasta

una velocidad Vx.

(

)

Ecuacin [6]

En la figura 7, se aprecia las diferentes figuras y su comportamiento en el interior de un

ducto.

53

Figura 7. Esquema de presiones en diferentes puntos de un sistema de ventilacin

Fuente: Extraccin localizada, 2014

La ecuacin [6] es aplicable solo en caso de que las condiciones bajo las cuales se

realizan las mediciones, sean las estndar; es decir: a 20C (70F) de temperatura,

1 atmsfera de presin, por lo tanto la densidad del aire es 0,075 lbm/ft3. Cuando la

temperatura, la presin o la humedad son distintas, deben efectuarse correcciones y la

ecuacin [7] muestra la frmula para el clculo de la velocidad.

Ecuacin [7]

Finalmente, la presin total es la suma de estas dos presiones, y cuyo resultado puede

ser positivo o negativo con respecto a la presin atmosfrica.

La presin siempre va descendiendo a medida que avanza el aire por los ductos, en el

nico caso en que aumenta, es cuando pasa a travs de un ventilador.

54

5.9.3. Definicin de caudal o flujo volumtrico

Representado con la letra Q, es el volumen de fluido por unidad de tiempo que pasa a

travs de una seccin transversal a la corriente, como se observa en la ecuacin [8].

Ecuacin [8]

Donde:

Q: caudal, cfm.

A: rea o seccin transversal, ft2

V: velocidad, fpm

Principio de conservacin de la masa

En dos puntos de un ducto, de diferente seccin, por el que circula aire se cumple la

relacin representada en la ecuacin [9]:

Ecuacin [9]

Lo cual quiere decir, que el volumen de aire que pasa en la unidad de tiempo por la

seccin 1, es el mismo volumen de aire que pasa por la seccin 2, como se observa en la

figura 8.

55

Figura 8. Representacin de ecuacin de la continuidad

Fuente: http://www.aplusphysics.com/courses/honors/fluids/continuity.html

5.10. Sistemas de ventilacin

La ventilacin industrial es un mtodo de control primario de ingeniera disponible para

reducir la exposicin de los trabajadores a sustancias qumicas txicas llevadas por el

aire, extrayendo el aire contaminado fuera del rea de trabajo y reemplazndolo con aire

limpio. Estos contaminantes del aire pueden ser partculas, gases, vapores o una

combinacin de estos.

Tpicamente es utilizada a nivel industrial para remover humos de soldadura, vapores de

solventes, neblinas o polvos.

Para determinar si se utiliza un sistema de ventilacin exhaustiva localizada para

controlar la exposicin de los trabajadores, se recomienda tener en cuenta estas

consideraciones:

Cuando los niveles del contaminante son peligrosos, por encima de los VLP.

Cuando se supera el lmite inferior de explosividad de los vapores inflamables.

Cuando el nivel de oxgeno cae por debajo de 20% en el aire.

http://www.aplusphysics.com/courses/honors/fluids/continuity.html

56

Dependiendo de la aplicacin, existen tres tipos de sistemas de ventilacin: general, por

dilucin y localizado. Cabe recalcar que ningn sistema de ventilacin es 100% efectivo

en la captura y/o dilucin de contaminantes (29).

5.10.1. Sistema de ventilacin general

La ventilacin general es primordialmente utilizada con fines de confort, como control

de temperatura, humedad, y olores, tambin se refiere a sistemas de aire acondicionado

y calefaccin (30).

5.10.2. Sistema de ventilacin por dilucin

La ventilacin por dilucin, consiste en diluir el aire contaminado suministrando gran

cantidad de aire no contaminado en el lugar de trabajo, mezclndose entre ellos, con el

fin de reducir la concentracin bajo un nivel establecido, para controlar sustancias

peligrosas para la salud o algn contaminante que se encuentre en el aire.

La ventilacin general por dilucin es aplicable para los siguientes casos:

Cantidades pequeas de contaminante (sean estas en forma de vapor o gases),

pues en caso contrario se necesitaran cantidades excesivas de aire.

Los trabajadores se encuentran suficientemente alejados del foco de generacin

o la dispersin que se produce es lo bastante baja, de forma que la exposicin de

los trabajadores no supere los valores lmite.

La toxicidad del contaminante debe ser baja y su dispersin, uniforme.

57

5.10.3. Sistema de ventilacin exhaustiva localizada

Un sistema de ventilacin exhaustiva localizada o tambin conocido como sistema de

extraccin localizada es utilizada para controlar un contaminante del aire capturndolo

en o cerca de la fuente de generacin (31), en contraste con el mtodo de ventilacin por

dilucin, que permite que el contaminante se esparza por todo el recinto, para luego

diluirlo. La extraccin localizada es por lo general la va ms efectiva para controlar

sustancias txicas antes de que stas lleguen a la zona de respiracin del trabajador (32).

Este tipo de sistema se considera un mtodo de control apropiado si:

Al muestrear el aire se obtiene que el contaminante es peligroso para la salud.

Las fuentes de emisin son grandes en magnitud.

Las fuentes de emisin se encuentran cerca de la zona de respiracin del

trabajador.

Los sistemas de ventilacin exhaustiva localizada estn conformados por cinco

componentes bsicos, como se aprecia en la figura 9.

58

Figura 9. Componentes de un sistema de ventilacin exhaustiva localizada

Fuente: Health and Safety Executive, 1998

5.10.3.1. Puntos de succin

La campana es el punto de succin donde el aire que contiene los contaminantes,

ingresa al sistema. Su propsito es el de direccionar el flujo de aire de manera apropiada

para las condiciones presentadas en el punto de generacin del contaminante.

Se pueden describir tres tipos de campanas. Las campanas de captura crean una

corriente de aire dirigida con velocidad suficiente para arrastrar el contaminante desde

el exterior hacia ella. Las campanas para encerramientos rodean la fuente de generacin

del contaminante de manera completa o casi completa. Y las campanas de recepcin son

situadas y tienen una forma que permite la recepcin del contaminante mientras ste es

expulsado por la fuente de generacin.

59

*Campana A, de recepcin tipo canopy. Campana B, tipo captura. Campana C, tipo encerramiento

Figura 10. Tipos de campana

Fuente: (http://courses.durhamtech.edu/ehst/rsrcehs/vent/ventnotes.html)

El concepto central de la prctica de la ventilacin contempornea en el control de

partculas es la velocidad de captura, definida como la mnima velocidad de aire

inducida en la campana, necesaria para capturar y transmitir el contaminante. Esta

velocidad ser el resultado del flujo de aire en la campana y la configuracin de la

misma.

El valor numrico de la velocidad de captura est en funcin del material a ser

removido. La tabla 3. muestra los rangos de valores recomendados por la ACGIH.

Cuando se ha seleccionado la velocidad de captura, se puede luego escoger la forma

ms adecuada que deba tener la campana y el flujo volumtrico.

http://courses.durhamtech.edu/ehst/rsrcehs/vent/ventnotes.html

60

Tabla 3. Intervalo de velocidades de captura

Condiciones de dispersin del

contaminante Ejemplos

Velocidad de

captura, fpm

(m/s)

Liberado esencialmente sin

velocidad en aire quieto.

Evaporacin de tanques,

desengrasado, chapado

50 100

(0,25 0,5)

Liberado a baja velocidad en aire

moderadamente quieto.

Llenado de contenedores,

soldadura

100 200

(0,5 1)

Generacin activa en zona de aire

en movimiento. Trituracin, sacudida

200 500

(1 2,5)

Liberacin a alta velocidad en

zona de aire en movimiento

rpido.

Rectificado, limpieza abrasiva,

sacudida

500 2000

(2,5 10)

Fuente: Adaptado de ASHRAE - Fundamentals, 2013

5.10.3.2. Ductera

La ductera es una red de ductos que se encarga de transportar el aire contaminado fuera

del lugar de trabajo hacia su disposicin final. La meta principal en el diseo de ductera

es la de mantener una velocidad de aire suficiente en los ductos y minimizar la

resistencia al flujo creada por la uniones, cambios de seccin, etc. Dentro del sistema de

ductera se pueden describir varios componentes: ductos rectos, accesorios (codos, tee`s,

reducciones), dispositivos de control de flujo y soportes.

Al transportar material particulado contaminante, es necesario mantener la velocidad de

aire, ya que si sta velocidad cae por debajo del valor determinado en el diseo, el

61

material particulado se depositar en las superficies internas de los ductos e impedir el

flujo de aire, aumentando la energa necesitada por el sistema, debido a la resistencia

que presenta. Por tales motivos, tambin se encuentran establecidas las velocidades

mnimas de transporte. Estas velocidades son las requeridas para transportar las

partculas sin que se asienten. En la tabla 4, se enumeran de manera general las

velocidades de transporte mnimas aceptadas en funcin a la naturaleza de los

contaminantes.

Tabla 4. Velocidad de transporte de contaminantes

Naturaleza del contaminante

Ejemplos Velocidad mnima de transporte, fpm

(m/s)

Gases, vapores Todos los vapores y gases. 1000 2000

(5 10)

Humos Soldadura. 2000 2500 (10 12,5)

Polvo, fino y ligero Pelusa de algodn, polvo de madera y litografa

2500 3000 (12,5 15)

Polvos secos Polvo fino de caucho, polvo de algodn, virutas, polvo de jabn, virutas de cuero.

3000 4000 (15 20)

Polvo industrial promedio

Polvo de rectificado, pulido, granos de caf, polvo de granito, polvo de slice, corte de ladrillos, polvo de arcilla, fundicin en general.

3500 4000 (17,5 22,5)

Polvo pesado Aserrn, limaduras de metal, polvo de chorro de arena, bloques de madera, virutas de metas, polvo de plomo.

4000 4500 (20 22,5)

Polvo pesado y hmedo

Polvo de plomo con pequeas virutas, polvo hmedo de cemento, trozos de asbesto, polvo de cal viva.

Mayor a 4500 (> 22,5)

Fuente: Adaptado de ASHRAE - Fundamentals, 2013

62

La ductera puede ser fabricada en plstico o metal dependiendo de las caractersticas

del contaminante y de las condiciones de cada de presin para evitar que colapse.

Adems, en trminos de construccin, la ductera puede ser rgida o flexible.

Lo ms importante a tener en consideracin al momento de disear el sistema de ductos

es reducir las prdidas de energa que afectaran al flujo de aire contaminado en el

ducto. Esta reduccin de flujo en el ducto puede causar asentamientos de polvo

resultando en problemas de taponamientos y reduccin de la tasa de succin en la

campana.

Los ductos redondos son preferidos sobre los rectangulares debido a que los

rectangulares presentan mayores cadas de presin y generan puntos de estancamiento

sobre los vrtices.

5.10.3.3. Dispositivo de limpieza de aire

El dispositivo para la limpieza de aire, se encarga de remover el contaminante capturado

despus que el aire extrado sea descargado. Los colectores pueden estar configurados

desde un simple colector centrfugo como un cicln, hasta filtros muy elaborados de

acuerdo al contaminante presente. Estos dispositivos de limpieza tambin adicionan

resistencia al sistema.

La seleccin del dispositivo de limpieza de aire depender de la concentracin del

contaminante, eficacia requerida, caractersticas del contaminante, forma de recoleccin

del contaminantes, entre otras.

En la tabla 5, se detallan algunos tipos de captadores de polvo con su funcionamiento.

63

Tabla 5. Tipos de captadores de polvo

5.10.3.4. Ventilador

Es una turbo mquina que proporciona la energa para acelerar el aire cuando ingresa a

las campanas y vencer la friccin y prdidas dinmicas. Dentro de lo posible, el

ventilador es colocado, con respecto al dispositivo de limpieza, en la corriente de aire

descendente, para prevenir el depsito de contaminantes en las aspas del ventilador o

daos debido al contacto con contaminantes corrosivos.

Principalmente consta de un motor de accionamiento que por lo general es elctrico y

un propulsor giratorio que transmite la energa al estar en contacto con el aire. El aire

fluye debido a la diferencia de presin que existe entre sus extremos.

64

5.10.3.4.1. Categoras de los ventiladores

Existen cinco categoras generales de ventiladores

De hlice

Axiales

Centrfugos

Extractor turbo

De movimiento de aire impulsado por aire comprimido

A continuacin se detallan las caractersticas generales de cada uno de ellos:

Los ventiladores de hlice son regularmente utilizados en sistemas de ventilacin

general o por dilucin. Son livianos y econmicos con respecto a la compra y puesta en

marcha, con un amplio rango de flujo de aire, ver figura 11. Sin embargo, no producen

grandes presiones y operan bien ante bajas resistencias.

Figura 11. Ventilador de hlice

Fuente: Health and Safety Executive, 2011

Ventiladores axiales, no son adecuados para polvos, ver figura 12. Son compactos, no

desarrollan altas presiones y no son capaces de vencer la resistencia al flujo de aire que

en las aplicaciones industriales se requiere.

65

Figura 12. Ventilador axial

Fuente: Health and Safety Executive, 2011

Los ventiladores centrfugos, ver figura 13, son los ms comnmente utilizados en los

sistemas de v