SOCIEDAD NUCLEAR ESPAÑOLA. 40ª Reunión Anual. Juan José Sierra Muñoz (TECNATOM)

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1 SOCIEDAD NUCLEAR ESPAÑOLA. 40ª Reunión Anual Título: Aplicación de la instrucción técnica del CSN sobre medidas de caudal y Autor: Juan José Sierra Muñoz (TECNATOM) Avda. Montes de Oca, San Sebastián de los Reyes. Madrid Tel Fax INTRODUCCIÓN Tras la observación de discrepancias entre medidas de caudal proporcionadas por la instrumentación fija instalada en los sistemas de ventilación, y la instrumentación portátil empleada durante las pruebas periódicas de los sistemas, el CSN emitió una instrucción técnica con el objeto de clarificar las características de las medidas de caudal, y de la prueba de equilibrado, de los sistemas relacionados con la seguridad y de todos los sistemas de ventilación con filtración de partículas radiactivas. Para el cumplimiento de dicha instrucción se requirió a las plantas un análisis con el siguiente alcance: 1) frecuencia y método utilizado en la medida de caudal, incluyendo un estudio de idoneidad de la sección elegida para la medida de caudal, y de aplicabilidad de las correcciones de la densidad del aire por altitud, temperatura y humedad. 2) frecuencia y método utilizado para el equilibrado. MOTIVACIÓN Y ANÁLISIS DE LA INSTRUCCIÓN TÉCNICA La normativa ASME N510, de pruebas de aceptación y periódicas de sistemas de tratamiento de aire, requiere comprobar in situ que el caudal que circula a través del sistema se encuentra dentro del +/- 10% respecto del nominal. Esta práctica se ha venido implantando de manera generalizada en todas las instalaciones en los últimos años, habiéndose empleado anteriormente la instrumentación fija en conducto en alguna de ellas para tal fin. La instrumentación fija de planta se calibra periódicamente en presión diferencial (diferencia entre presión total y presión estática para medir la presión de velocidad). Sin embargo, el ensuciamiento del elemento, y de las celdas de rigidizadores de flujo empleados en ocasiones, provoca errores importantes en la medida final de caudal. De ahí la importancia de una 1

2 comprobación periódica in situ empleando instrumentación portátil, como mínimo, antes de cada serie de pruebas de fugas de los filtros, a realizar cada 18 ó 24 meses en función de la revisión de la Guía Reguladora aplicable. A la hora de medir velocidades de aire en una sección de conducto (treverse), es necesario tener en cuenta, y definir correctamente, los siguientes aspectos, tomando como referencia principal el Industrial Ventilation: A Manual of Recommended Practice de la ACGIH: Longitudes de tramos rectos de conducto y distancias mínimas entre traverse y elementos perturbadores del flujo, tanto aguas arriba como aguas abajo. Distribución de puntos a emplear. Número de puntos en el traverse. Instrumentación a emplear: entre otros aspectos, cabe destacar la imposibilidad de diferenciar el sentido de paso del aire cuando se realizan medidas con anemómetro de hilo caliente. Esto es especialmente importante cuando no existen buenas secciones de medida, de forma que las existentes pueden presentar perfiles con velocidades positivas y negativas. En estos casos, se requiere el uso de tubos de Pitot. Condiciones de medida: la instrucción del CSN indica los valores a partir de los cuales debe considerarse corregir la medida por densidad, atendiendo a temperatura (diferencia superior a 16ºC respecto a condiciones estándar), humedad (humedad específica superior a 0,02 kg agua / kg aire) y altitud (por encima de 300 metros sobre el nivel del mar). De esta forma, se pretende generalizar el uso de caudales en condiciones locales, en lugar de condiciones estándar. En relación al equilibrado de caudales, se requiere su comprobación periódica en sistemas relacionados con la seguridad, tal como se indica en ASME N511 In-service testing of Nuclear Air Treatment Systems, Heating, Ventilating and Air Conditioning Systems, y como incluyó el CSN en su Guía de Seguridad 1.16 basándose en dicha norma. En ambos casos, la periodicidad establecida es de 10 años, e incluye tanto sistemas de filtrado como de refrigeración. Adicionalmente, se requiere igualmente el equilibrado de aquellos sistemas de extracción de aire con filtración, incluyendo los no relacionados con la seguridad. En este sentido, el balance de estos sistemas influye directamente en su capacidad para conseguir depresiones adecuadas en edificios con riesgo de contaminación, así como garantizar que los flujos de aire dentro de los edificios siguen el criterio de paso de zonas menos contaminadas hacia zonas más contaminadas. 2

3 Como documentación de referencia para establecer los requisitos de equilibrado de sistemas de ventilación se puede indicar la siguiente: EPRI Technical Report HVAC Testing, Adjusting, and Balancing Guideline. SMACNA HVAC Systems Testing, Adjusting & Balancing. NEBB Procedural Standards for Testing, Adjusting and Balancing of Environmental Systems. Estas tres referencias abarcan tanto al equilibrado de la red de aire, como el del circuito hidrónico de refrigeración. SMACNA y NEBB son de aplicación general, mientras el documento de EPRI está orientado a centrales nucleares. VALIDACIÓN DE SECCIONES DE MEDIDA DE CAUDAL DE AIRE EN CONDUCTOS La precisión de una medida de caudal está muy influenciada por la correcta localización del traverse de medida en relación a los componentes del sistema que provocan perturbaciones de flujo, por ser necesario un perfil de velocidades uniforme en la sección de medida en el conducto. Para garantizar una distribución uniforme del perfil de velocidades, el Industrial Ventilation. Manual of recommended practice. recomienda que el traverse de medida se encuentre situado 7 diámetros aguas abajo y 1 diámetro aguas arriba de elementos que podrían distorsionar el flujo. Hay que indicar, que en función de la documentación consultada, estas distancias recomendadas pueden variar entre los 5 y 10 diámetros aguas arriba del traverse. Otro factor determinante en la precisión de la medida, es la densidad de puntos en el traverse. El Industrial Ventilation establece una distancia máxima entre puntos adyacentes de 8 pulgadas (200mm), respetándose un número mínimo de 25 puntos en conductos rectangulares, y de 8 puntos en tres diámetros, o 10 puntos en dos diámetros, para conductos circulares. Un tercer factor a tener en cuenta, es la distribución de los puntos en el traverse. Siendo habitual el uso de la distribución de áreas iguales; las últimas revisiones de la documentación consultada hacen referencia a las distribuciones de Log-Tchebycheff y Log-Linear, siendo las primera de ellas la de más sencilla aplicación. La diferencia fundamental respecto al método de áreas iguales es la consideración de velocidades más bajas en las proximidades de la pared del conducto. 3

4 Una vez aplicados estos criterios, podemos referirnos a la Norma AMCA (R2011) de pruebas en campo para sistemas de ventilación. Esta norma es referenciada de manera generalizada en el resto de documentación con alguna puntualización que se analizará a continuación. El AMCA (R2011) establece que la distribución de velocidad debería ser uniforme a través del plano de localización del traverse. La uniformidad de dicha distribución se considerará aceptable cuando más del 75% de las medidas de presión de velocidad son mayores que 1/10 del valor máximo de las medidas. En la tabla adjunta se muestran 6 perfiles típicos de velocidades que se pueden encontrar en un sistema de ventilación en función de la posición de la sección de medida en relación a los elementos perturbadores del flujo (codos, ventiladores, compuertas, etc..). En cada una de las figuras se aplica el criterio basado en dicho parámetro para poder definir una sección de medida como aceptable. Figura 1. AMCA (R2011). Perfiles típicos de velocidad. 4

5 También podemos hacer referencia a lo indicado en el apartado del EPRI Technical Report: Para determinar si un traverse (rectangular o circular) se encuentra en una posición adecuada, se deberá en primer lugar, encontrar la velocidad más elevada en pies cúbicos por minuto, o la presión de velocidad más elevada en pulgadas de columna de agua. Se deberá dividir este número por 10. De todas las lecturas combinadas, el 75%, o más, deberán ser iguales o superiores a dicho número. Si el traverse no cumple con éstos criterios, no deberá ser utilizado para las medidas de caudal y se deberá buscar otro punto de medida. La reubicación del traverse de medida podría requerir que se necesitará localizar más de un traverse en varios ramales del sistema. En el momento de su publicación, dicho texto se encontraba todavía en revisión. La nueva propuesta indica lo siguiente: El 80-90% del total de las medidas de velocidad, tendrán que ser mayores que el 10% del valor máximo de velocidad para cualquier traverse. Por tanto, la tendencia es hacer el criterio más restrictivo. Mientras que en la norma AMCA únicamente se hace referencia a los valores de presión dinámica, el EPRI Technical Report hace referencia tanto a velocidades como a presiones dinámicas, siendo este último más restrictivo. Como conclusión: El hecho de validar el traverse de medida mediante el análisis del perfil de velocidades, no exime del cumplimiento de otros factores relativos a su localización, requiriéndose de igual forma que se encuentre aguas abajo de un tramo largo y recto, y en una sección uniforme de conducto, para garantizar una medida de caudal aceptable. En función de la configuración de la red de conductos, habrá que analizar la conveniencia de realizar varios traverse de medida para poder definir el caudal global. CORRECCIÓN DE CAUDALES POR DENSIDAD Si bien las medidas en condiciones estándar permiten comparar caudales en diferentes momentos, con condiciones diferentes, y así comprobar que no ha habido cambios en la regulación del sistema, las condiciones locales dan un indicativo del volumen de aire movido (renovaciones de aire) y de la velocidad real, parámetro fundamental en la filtración. Se plantea la conveniencia de aumentar la periodicidad de las medidas en aquellos sistemas en los que las condiciones del aire (temperatura) varían sustancialmente a lo largo del año. 5

6 De acuerdo con Industrial Ventilation la corrección a realizar por densidad incluye los conceptos de: presión estática en conducto, temperatura, humedad y altitud. En la práctica, la presión estática y la altitud se computan en un único parámetro de presión. Q L = Q S P P S L T T L S 1+ ω 1+ 1,607ω Donde: Q L = Caudal en condiciones locales. Q S = Caudal en condiciones estándar. P S = Presión estándar (1013 mbar). P L = Presión absoluta local. T S = Temperatura estándar (21,1 C = 294,25 K). T L = Temperatura local. ω = Humedad específica. EQUILIBRADO DE CAUDALES El objetivo del equilibrado de sistemas HVAC es establecer o restaurar los parámetros del sistema a condiciones de diseño, y es una herramienta para la diagnosis de degradaciones en el funcionamiento del mismo, tales como, funcionamiento inadecuado de ventiladores, desgaste o daños en rigidizadores de flujo, funcionamiento y estado de compuertas, pérdida de frontera de presión, obstrucciones, degradación de instrumentación fija, ensuciamiento, daño o pérdida en dispositivos de distribución de aire, cambios inadvertidos en la configuración del sistema, cambios en las condiciones ambientales, etc Las instalaciones españolas han venido realizando trabajos de este tipo con alcances muy dispares en cuanto a cantidad de sistemas probados y profundidad del equilibrado. Para afrontar el equilibrado de caudales se tendrán en cuenta los siguientes aspectos: En la fase inicial del proyecto se recopilará la documentación existente referente a parámetros de funcionamiento de los equipos, catálogos de fabricante, datos eléctricos, datos de fabricante de dispositivos de distribución de caudal para el uso del factor K (área efectiva) durante la medida de velocidades, control del sistema y manuales de equipos. 6

7 Se realizará un estudio previo considerando: medios para regular caudales en el sistema, datos de funcionamiento y factores de corrección (altitud, temperatura), existencia de filtros, criterios de mantenimiento de presión/depresión en áreas, interferencias con otros sistemas, instrumentación requerida, controles, época del año en la que realizar el equilibrado, accesos para medida y ajustes. Se comprobará el balance teórico, se revisarán las pruebas preoperacionales y se identificarán los puntos de medida. Si el sistema dispone de varios modos de operación, el balance se realizará en el modo más crítico, comprobándose posteriormente el balance para el resto de modos de operación. Si el suministro es afectado por el equilibrado del retorno o extracción, éstos deben equilibrarse antes que el suministro. En sistemas con filtración de aire y/o serpentines de agua, se realizará un primer balance en modo limpio, seguido de un balance simulando filtro sucio y/o serpentines mojados, comprobándose finalmente de nuevo en modo limpio. En cada fase se realizarán los ajustes necesarios de manera iterativa. Los diferentes caudales se medirán preferiblemente mediante traverse en conducto, pero en función de las posibilidades reales, se deberá considerar la correlación de balance de caudales, medidas en rejillas, balance de temperaturas, y en el caso de ventiladores, atender a parámetros de presión total, velocidad de giro y consumo eléctrico, junto con la curva de funcionamiento (analizando las desviaciones derivadas de efectos de sistema provocados por la configuración de la aspiración y la impulsión). También hay que tener en cuenta que las medidas deben realizarse en el menor tiempo posible para evitar cambios en las condiciones ambientales, y de configuración del sistema y de envolventes de edificios. Las dos metodologías que se contemplan para el ajuste de los caudales son las siguientes: o Método proporcional: este método se basa en el cálculo del porcentaje de caudal respecto del nominal por cada rama, empezando la regulación por aquella que presenta un caudal relativo más bajo. o Método paso a paso: este método se basa en regular primero los caudales de ramas principales, empleando para la regulación 7

8 medidas de presión estática en conducto, empezando por la de mayor caudal relativo. Este método busca en primer lugar el equilibrado de zonas. El criterio de aceptación para caudales principales se mantiene en el +/- 10% habitual en medidas de caudal de aire. Para las medidas en los tramos más alejados y rejillas, el criterio se amplía a un +/- 20%. CONCLUSIONES Se continúa con el refuerzo de la supervisión y mantenimiento de sistemas HVAC, el control de su configuración, y de los parámetros fundamentales de operación. Se recalca la importancia de medir, con la precisión necesaria, caudales de aire que, por su función de seguridad, o por ser filtrados, mantienen condiciones ambientales adecuadas para el correcto funcionamiento de sistemas, o evitan la emisión de contaminación al medio ambiente mediante el establecimiento de diferencias de presión entre áreas. En los próximos años, las plantas españolas deberán ejecutar un amplio programa de balance de caudales, aumentando el alcance de las actividades que venían realizando en el área HVAC. REFERENCIAS 1. Instrucción Técnica del CSN sobre medida de caudal y equilibrado en sistemas de ventilación. 2. Guía de Seguridad del CSN 1.16, Pruebas periódicas de los sistemas de ventilación y aire acondicionado en centrales nucleares 3. ASME N , Testing of Nuclear air treatment systems. 4. ASME N , In-service testing of nuclear air treatment, heating, ventilating, and air conditioning systems. 5. Industrial Ventilation A Manual of recommended practice. 6. EPRI Technical Report HVAC Testing, Adjusting, and Balancing Guideline. 7. SMACNA HVAC Systems Testing, Adjusting & Balancing. 8. NEBB Procedural Standards for Testing, Adjusting and Balancing of Environmental Systems. 9. AMCA (R2011) Field Performance Measurement of Fan Systems. 8

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