Ciencias económicas y empresariales
Artículo de investigación
Sistema
de extracción de humos de soldadura en la industria
Welding fume extraction system in industry
Sistema de extração de fumaça de soldagem na indústria
Correspondencia: itspem.rmunoz@gmail.com
*Recibido: 23
de junio 2021 *Aceptado: 20 de julio
de 2021 * Publicado: 30 de agosto de
2021
I.
Docente del
Instituto Superior Tecnológico Paulo Emilio Macías, Grupo de investigación
inter carreras Tecnología Superior en Electromecánica, Tributación y
Construcciones.
II.
Docentes del Instituto Superior
Tecnológico Paulo Emilio Macías, Grupo de investigación inter carreras
Tecnología Superior en Electromecánica, Tributación y Construcciones.
III.
Docentes del
Instituto Superior Tecnológico Paulo Emilio Macías, Grupo de investigación
inter carreras Tecnología Superior en Electromecánica, Tributación y Construcciones.
IV.
Docentes del
Instituto Superior Tecnológico Paulo Emilio Macías, Grupo de investigación
inter carreras Tecnología Superior en Electromecánica, Tributación y
Construcciones.
V.
Docentes del Instituto Superior
Tecnológico Paulo Emilio Macías, Grupo de investigación inter carreras
Tecnología Superior en Electromecánica, Tributación y Construcciones.
Resumen
La
investigación se centra en el diseño de un sistema de extracción localizado de
gases de soldadura, generados de los diversos procesos de la industria
metalmecánica, para contribuir a las condiciones del medio ambiente de trabajo,
mejorando la calidad del aire de la planta. Como metodología se hizo uso del
enfoque cuantitativo y diseño experimental de campo, fuentes primarias y
secundarias de información aplicadas al taller de soldadura de la carrera de
Electromecánica, la guía de ventilación y aire acondicionado, la carta
psicométrica a presión barométrica a nivel del mar, el diagrama de ASHRAE y el
manual técnico de ventilación de Soler Palau. Como
resultados se obtuvo una velocidad de captura de acuerdo a la aplicación en
sistemas de extracción – ventilación industrial de 75 Ft/min, un rango de
velocidad de transporte de gases y humos en sistemas de extracción –
ventilación industrial de 1800 Ft/min, condiciones de diseño mecánico del
sistema de extracción de gases estableciendo criterios y parámetros como la
potencia efectiva del ventilador en 0,3 HP y las especificaciones técnicas del
sistema de extracción que evidencian un consumo energético de 0,29 Kw-h trabajando a una temperatura exterior promedio de 32.5
°C. Se pudo concluir que el diseño del sistema de extracción de humos para la
industria metalmecánica es de bajo consumo energético, amigable con el entorno
medioambiental y con su ciclo de vida contribuyendo a un buen ambiente laboral.
Palabras claves: Gases; humos; energía;
extracción; industria metalmecánica.
Abstract
The research focuses on the design of a localized
extraction system for welding gases, generated from the various processes of
the metalworking industry, to contribute to the working environment conditions,
improving the air quality of the plant. The methodology used was the
quantitative approach and experimental field design, primary and secondary
sources of information applied to the welding workshop of the Electromechanical
career, the ventilation and air conditioning guide, the psychometric chart at sea
level barometric pressure, the ASHRAE diagram and the Soler
Palau ventilation technical manual. As results, a capture rate was obtained
according to the application in extraction systems - industrial ventilation of
75 Ft / min, a range of gas and smoke transport speed in extraction systems -
industrial ventilation of 1800 Ft / min, conditions mechanical design of the
gas extraction system establishing criteria and parameters such as the
effective power of the fan at 0.3 HP and the technical specifications of the
extraction system that show an energy consumption of 0.29 Kw-h working at an
average outdoor temperature 32.5 ° C. It was concluded that the design of the
smoke extraction system for the metalworking industry is low energy
consumption, friendly to the environment and with its life cycle contributing
to a good working environment.
Keywords: Gases; fumes; energy; extraction; metalworking industry.
Resumo
A pesquisa tem como foco o
projeto de um sistema de extração localizada de gases de soldagem, gerados a
partir dos diversos processos da indústria metal-mecânica, para contribuir com
as condições do ambiente de trabalho, melhorando a qualidade do ar da planta. A
metodologia utilizada foi a abordagem quantitativa e projeto experimental de
campo, fontes primárias e secundárias de informação aplicadas à oficina de
soldagem da carreira eletromecânica, o guia de ventilação e ar condicionado, a
carta psicométrica de pressão barométrica ao nível do mar, o diagrama ASHRAE e
o Soler Manual técnico da ventilação Palau. Como resultados, uma taxa de
captura foi obtida de acordo com a aplicação em sistemas de extração -
ventilação industrial de 75 Ft / min, uma faixa de velocidade de transporte de
gás e fumaça em sistemas de extração - ventilação industrial de 1800 Ft / min,
condições de projeto mecânico do gás sistema de extração estabelecendo
critérios e parâmetros como a potência efetiva do ventilador a 0,3 HP e as
especificações técnicas do sistema de extração que mostram um consumo de
energia de 0,29 Kw-h trabalhando a uma temperatura externa média de 32,5 ° C.
Concluiu-se que o projeto do sistema de extração de fumos para a indústria
metalúrgica é de baixo consumo de energia, amigável ao meio ambiente e com seu
ciclo de vida contribuindo para um bom ambiente de trabalho.
Palavras-chave: Gases;
vapores; Energia; Extração; indústria metalúrgica.
Introducción
Las operaciones específicas de soldadura están
ampliamente extendidas dentro del ámbito industrial (Castejón & Renóm, 1982). Como consecuencia de estas operaciones, el
soldador está frecuentemente expuesto a gases de soldadura que en su
composición se manifiestan como óxidos
de hierro, cobre, cromo, níquel, manganeso, cobalto, aluminio, molibdeno,
titanio, tungsteno y el vanadio, entre otros, pues el origen de estos
contaminantes se encuentra en el material soldado (material base o su posible
recubrimiento), el material aportado (metal de aporte, escorificantes,
fundentes, desoxidantes, gas de protección), y en el aire que constituye el
entorno de la zona de soldadura (origen en parte de los gases nitrosos, ozono y
monóxido de carbono).
Así mismo el potencial como riesgo para la salud del
trabajador está asociado a las sustancias presentes en el aire como el VLA, lo
que determina valores de concentración de una sustancia a la que los
trabajadores pueden exponerse varias veces a lo largo del tiempo (Sandoval,
2013), de allí que, la importancia del sistema de extracción de gases en la
industria, con base en la soldadura, radica en el mejoramiento de las condiciones
del entorno laboral del trabajador, pues al implementar un sistema se mejoraría
las condiciones ambientales del aire en el área de trabajo permitiendo
desarrollar con normalidad las actividades diarias de la producción y
garantizando la salud del hombre y mejorando la productividad de la empresa
(Social, 1986).
Por otra parte, el estudio sobre diseños de estos
sistemas de control implica el contar con parámetros técnicos necesarios para
absorber la mayor cantidad de caudales de gases con la eficiencia esperada
considerando la velocidad de captura y la velocidad de transporte cuyas
variables permiten retirar o remover y transportar gases con el consumo de
energía mínima requerida y por consiguiente menor cantidad de CO2 a la
atmósfera, apegándose a la eco eficiencia y cuidado del medio ambiente. La
aplicación de estos sistemas de ventilación-extracción localizada se hace
necesario en espacios como las cocinas, talleres de electromecánica o
metalmecánica, entre otros, siendo la extracción en origen la forma más
efectiva de capturar y reducir la mayor cantidad del humo o gases del recinto
laboral (Méndez, 2015).
A nivel mundial las ciudades son uno de los factores
que contribuyen al cambio climático, el consumo de energía esta alrededor del
78%, produciendo más del 60 % de emisiones de gases de efecto invernadero de
acuerdo a un informe del Panel intergubernamental del cambio climático, por sus
siglas en inglés (IPCC, 2019) citando el incremento del 1,5°C (Unidas, 2018),
así mismo el sector de la Industria ha ido evolucionando en función a las
necesidades de las ciudades y con ello el incremento de maquinarias por
aumentar la producción y que a su vez se debe llevar por obligación el cumplimiento de legislaciones y
normativas vigentes con respectos al cuidado de la salud ocupacional del
personal de las empresas que generan alteraciones en el medio como el
incremento de temperatura, humedad, velocidad e intercambio de aire de los
diversos procesos sean estos por procedimientos de soldaduras, gases calientes
por cocción, casetas de pintura (Malaganes, 2011),
así como otras gases nocivas para el ser humano y para el ambiente (Cooper
& Alley, 2013) como el óxido de hierro,
manganeso, cromo, níquel, cobre, zinc, monóxido
y dióxido de carbono, entre otros (Vasco, 2009).
Ante lo expuesto, el objetivo de la investigación
consiste en el diseño de un sistema de extracción localizada de gases de
soldadura derivados de los procesos de producción en la industria
metalmecánica, como una contribución al mejoramiento de la calidad de aire del
galpón industrial, que debido al encierro y la baja renovación ocasiona que se
contamine el recinto laboral y dificulte realizar las actividades de
producción.
Metodología
Se aplicó el método experimental, de campo,
cualitativo y cuantitativo del sistema, (Roberto Hernández Sampieri,
2014), basados en las variables de tipos de gases a extraer por parte de la
industria y sus efectos contaminantes a la salud.
La fuente primaria de información ha sido adquirida
por colaboradores del taller de Soldadura de la carrera de Electromecánica del
Instituto Superior Tecnológico Paulo Emilio Macías; y para la fuente secundaria
se utilizó la guía de ventilación y aire acondicionado (Engineer,
Refrigerating and Air Conditioning,
1959), carta Psicométrica a presión barométrica a nivel del mar y el diagrama de ASHRAE (American Society of heating, Refrigerating and Air-Conditoning
Enginers (Ashrae, 2004) y
el manual técnico de ventilación de Soler Palau (Palau, 2021).
Diseño
del sistema de extracción de gases de soldadura
Para el diseño del sistema de extracción de gases de
soldadura en procesos productivos de metalmecánica se procede a evaluar los
criterios de ingeniería como el tipo de ventilación, tipo de campana,
aplicación en la Industrial, necesidad por reducción de calor y gases nocivos
para la salud, velocidad de captura de gases, velocidad de transporte, manejo
de caudal Total, tipos de gases a extraer y selección de motor de alta eficiencia
(Sandoval, 2013). Para lograr este objetivo de diseño, se seleccionó los
siguientes materiales (www.acerocomercial.com, 2020), (Siemens, AG, 2003),
(Siemens, 2011):
Tabla 1. Tipo de campana de extracción a diseñar
|
Tipo de campana |
Descripción |
Factor de forma W/L |
Caudal |
|
|
Campana elevada |
Adaptada a la operación |
Q= 1,4 PVH |
Fuente: Muñoz, Macías, Hernández, Chinga y Mejía (2021)
Tabla 2. Materiales y equipos para la elaboración del
prototipo del sistema de extracción
|
Descripción |
Cantidad |
|
Plancha galv.1220x2440x0.90mm |
3 |
|
Plancha galvanizada
1.220x2.440x0.7 |
2 |
|
Ventilador Inducido
½ Hp 220 V |
1 |
|
Ventoleras 1/8 X L |
32 |
|
Auxiliares de contactores |
2 |
|
Contactores de 9 amp
de 220v |
2 |
|
Interruptor termomagnetico 9 amp de 220v |
2 |
|
Relé térmico de regulación de intensidad rango 6-12 Amp. |
2 |
|
Pulsadores de marcha y paro |
3 |
|
Sensor de temperatura y humedad interior |
1 |
|
Sensor de temperatura y humedad exterior |
1 |
|
Logo versión 8 |
1 |
|
Módulo de entrada para sensores de temperatura |
2 |
|
Selector |
1 |
|
Luces piloto encendido/apagado |
3 |
|
Displey 6” HDMI |
1 |
|
Caja para Gabinete de control y Fuerza |
1 |
|
Cable #12 para gabinete contactores, relé
térmico |
10mts |
|
Cable #14 para gabinete, pulsadores, luces piloto, auxiliares |
5 mtrs |
|
Cable de datos |
10 mtrs |
|
Silicona |
2 |
|
Lana de vidrio |
5 |
Fuente: Muñoz, Macías, Hernández, Chinga y Mejía (2021)
Diseño
mecánico del sistema de extracción de gases
En función a los criterios de diseño de ingeniería
se diseña por medio de software Autocad 2020 el
prototipo mecánico del sistema de extracción con sus respectivas medidas de
cada sección que conforma el equipo de control.
El sistema de extracción consta de un ducto central medular que conecta
la parte superior donde se encuentra el ducto de salida de gases y el motor
eléctrico, en la parte inferior se deriva en dos ramales por medio de 2
reductores de sección y en los extremos de los ramales se encuentra las
campanas de extracción, así mismo el sistema fue aislado térmicamente para
evitar la transferencia de calor de los gases calientes de soldadura (Cobos,
2018).
Para la asignación de datos de diseño del sistema,
se consideró el caudal total manejado más el 10% por factor de seguridad del
sistema en función a la velocidad de captura y de transporte bajo la generación
del contaminante y la aplicación dados en (Ft/min), posterior a esto, se
desarrolló el diámetro hidráulico (Dh), considerando
la siguiente ecuación:
Así mismo se determinó la velocidad de presión,
respecto a la nueva velocidad con la ecuación (2), a continuación:
Como el fluido
tratante es el aire, el peso de la columna de aire es significante, el cabezal
Z respecto a la altura es despreciado, quedando la ecuación con los cabezales
dinámicos y estáticos representados por la ecuación (3) siguiente:
Con el nuevo CFM y el
diámetro hidráulico, se obtuvo la pérdida por fricción en pulgadas de agua por
100 Ft. (he), a partir de este método de cálculo se determinaron todas las
perdidas tanto por accesorios, ramales, y campana dando una sumatoria ∑▒he.
Por otra parte, la presión
estática está en función a la velocidad de presión y a la sumatoria de he. Para
la selección del motor del sistema de extracción de gases de soldadura se
precisó realizar un balance de energía en base a la siguiente ecuación (4):
Para hallar
los caballos fuerza del motor HP, se utilizó la ecuación (5):
El
prototipo en vista frontal en 2D, se muestra en la figura (1) a continuación:
Figura 1.
Vista frontal del sistema de extracción de gases
Fuente: Muñoz, Macías, Hernández, Chinga y Mejía (2021).
Consecuentemente, se puede observar al
prototipo en vista superior en la figura (2) siguiente:
Figura 2. Vista superior del sistema de extracción de gases.
Fuente: Muñoz, Macías, Hernández, Chinga y Mejía (2021).
Resultados
y discusión
En el marco del diseño bajo criterios de ingeniería
en ventilación y aire acondicionado industrial se detallan los siguientes datos
a continuación:
Resultados
Los resultados obtenidos muestran la velocidad de
captura de acuerdo a la aplicación en sistemas de extracción – ventilación
industrial, el rango de velocidad de transporte de gases y humos en sistemas de
extracción – ventilación industrial, las condiciones de diseño mecánico del
sistema de extracción de gases y las especificaciones técnicas del sistema de
extracción.
Tabla 3. Velocidad de captura de acuerdo a la aplicación en
sistemas de extracción – ventilación industrial.
|
Generación de contaminantes |
Aplicación |
Velocidad de captura |
|
Alta velocidad |
Limpiado abrasivo, gases de soldadura, desgaste de
tambores rotativos, etc. |
75 Ft/min |
Tabla 4. Rango de velocidad de transporte de gases y humos
en sistemas de extracción – ventilación industrial.
|
Generación de contaminantes |
Aplicación |
Velocidad de captura |
|
Vapores y humos |
Limpiado abrasivo, gases de soldadura, desgaste de
tambores rotativos, etc. |
1800 Ft/min |
Fuente: Muñoz, Macías, Hernández, Chinga y Mejía (2021)
Tabla 5. Condiciones de diseño mecánico del sistema de
extracción de gases.
|
Criterio de Diseño |
Parámetros |
|
Tipo de extracción |
Localizada tipo campana elevada |
|
Aplicación |
Talleres de
metalmecánica Industrial |
|
Tipo de difusión |
Por mezcla - difusores lineales |
|
Tipo de ventilador seleccionado |
centrífugo |
|
Coeficiente por pérdida de carga |
0,20 VP |
|
Caudal manejado por el sistema |
827 ft3/min. |
|
Relación ducto W/D |
1:1 |
|
Velocidad de captura de gases |
75 FPM |
|
Velocidad de transporte |
1800 FPM |
|
Diámetro hidráulico ducto principal |
16" pulg |
|
Diámetro hidráulico ducto por ramal |
9 " pulg. |
|
Velocidad Q/A |
1,400 ft/min. |
|
Presión de velocidad (VP) |
0,20" col. H2O |
|
Presión estática (SP) |
0,61" col. H2O |
|
Pérdida de presión total (He) |
0,81" col. H2O |
|
Cabezal de aire (Ha) |
44,36 Ft |
|
Potencia efectiva del ventilador (HP) |
0,3 HP |
Fuente: Muñoz, Macías, Hernández, Chinga y Mejía (2021)
Tabla 6. Especificaciones
técnicas del sistema de extracción
|
Descripción |
Parámetros |
|
Altitud de diseño |
100 msnm |
|
Temperatura exterior promedio |
32.5 °C |
|
Consumo energético |
0,29 Kw-h |
|
Voltaje |
220 V |
|
Nivel de presión acústica |
85 dBA |
|
Tipos de gases a extraer |
Gases a extraer: Óxido de Hierro,
Manganeso, cromo, níquel, cobre, Zinc, monóxido y dióxido de carbono |
Fuente: Muñoz,
Macías, Hernández, Chinga y Mejía (2021)
Discusión
En función a la importancia de desarrollar sistemas
de extracción para el correcto manejo de contaminantes (Arroyo, 2018) que se
pueden dar en diversos procedimiento productivos por parte de la industria
particularmente se ha citado en otros estudios características de
funcionamiento así como criterios técnicos presentados por trabajos de la
Universidad Central en la facultad de la ingeniería mecánica de Caracas -
Venezuela (Astele, Dante, Pérez, & Miguel, 2003),
considerando el diseño de campana para fuentes calientes, velocidad de captura
del contaminante así como el de transporte, caudal manejado por el sistema pérdidas de carga en el sistema, condiciones
del área laboral, entre otros, cuyos parámetros de selección se refleja en el
estudio presente en talleres de metalmecánica en Portoviejo – Ecuador como el
caso de la velocidad de captación de gases de soldadura en rango de 50 a 100
ft/min, y la velocidad de transporte por contaminantes o equivalente en el
rango de 1400 a 2000 ft/min.; además, en cuanto a la selección del ventilador,
ambos estudios consideran los valores de caudales y la pérdida de presión total
que se genera en el interior del sistema de extracción localizada.
Por otra parte, constatan con otros estudios en
generar estudios de ventilación en los procesos industriales para el
mejoramiento de calidad de aire a través de la entrega de aire limpio,
humidificado y bajo temperatura controlada de manera directa en el área de
producción por parte de los trabajadores según lo expuesto por (Zhou & Kim, 2012).
Conclusión
Se pudo obtener datos de mayor precisión ajustados a
las condiciones ambientales y laborales para el diseño y eficiencia, en
respuesta al mejoramiento laboral y atendiendo a la normativa del decreto 2393
expedido por el comité Interinstitucional de Seguridad e Higiene del Trabajo
del Instituto Ecuatoriano de Seguridad Social (IESS). El diseño ingenieril
establecido en el estudio, es un sistema que consume lo requerido estrictamente
en consumo de energía, lo cual significa que es un sistema amigable en su fase
de producción y utilización a lo largo de su ciclo de vida.
Es un sistema amigable con el medio ambiente, de
bajo consumo energético, que coadyuva a mejorar la calidad de aire del recinto
reduciendo las concentraciones y temperatura. Su nivel de presión acústica está
alrededor de los 85 dBA acorde con la legislación
ecuatoriana permisible durante 8 horas continuas. El sistema mejora las
condiciones laborales, pudiendo incrementar la productividad, y contribuye a la
garantía de las condiciones laborales hacia el trabajador en el cuidado de la
salud.
Referencias
1. Arroyo,
F. V. (2018). Salud y Seguridad Laboral en ambientes. Madrid España: Escuela
Técnica Superior de Ingenieros Industriales.
2.
Ashrae, S.
(2004). Ventilation for Acceptable Indoor Air Quaility.
Atlanta - USA: American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditionong Engineers, Inc.
3. Astele, V.,
Dante, R., Pérez, V., & Miguel, A. (2003). DISEÑO DE UN SISTEMA DE
CAPTACIÓN DE HUMOS DE LOS. Caracas: Universidad Central de Venezuela.
4. Castejón,
E., & Renóm, J. (1982). NTP 7: Soldadura.
Prevención de Riesgos Higiénicos. https://www.insst.es/documents/94886/326853/ntp_007.pdf/4adef842-6037-4634-898c-5e91a5aa128a
5. Cobos,
N. J. (2018). Diseño de un sistema de extracción de polvo y viruta de madera
para la carpintería de la fundación Salesiana. Cuenca- Ecuador: Universidad
Politécnica Salesiana .
6. Cooper,
C., & Alley, F. (2013). Air pollution
control- fourth edition.
New York - Estados Unidos.
7. Ecodesign pilot corporation. (2020). Seitenan fang diseño y derechos
reservado de Vienna TU Instituo
para Diseño Ingenieril - ECODISEÑO. http://pilot.ecodesign.at/pilot/ONLINE/ESPANOL/INDEX.HTM
8. Engineer, Refrigerating and Air Conditioning. (1959).
Guía de Ventilación Industrial y Aire Acondiconado.
Estados Unidos.
9. Malaganes, M. D.
(2011). Medio Ambiente y Contaminación. ISBN: 978-84-615-1145-7, 119.
10. Mendez, J.
(2015). Extractores de Soldadura de Humo en Espacios Confinados. http://sentryairsystemsmexico.blogspot.com/2015/08/extractores-de-soldadura-de-humo-en.html
11. Palau, S.
(2021). Manual práctico de ventilación. Mexico D.F.
12. Roberto
Hernández Sampieri, C. F. (2014). Metodología de la
investigación 6 ta. Edición. México DF: McGRAMW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES S.A DE C.V.
13. Sandoval,
J. A. (2013). Sistema de ventilación por extracción localizada.
14. Siemens.
(2011). Control Industrial. USA: División Digital Factory.
15. Siemens,
AG. (Junio de 2003). Logo. www.siemens,com/logo/
16. Social,
I. E. (1986). Seguro General de Riesgo en el Trabajo. Quito Ecuador.
17. Unidas,
O. d. (2018). Calentamiento Global . USA-CHINA-GRAN BRETAÑA: Grupo
Intergubernamental de eertos sobre el Cambio
Climático.
18. Vasco,
O. I.-O. (2009). El Soldador y los Humos de Soldadura. VASCO-BRASIL: Helvética
Publicidad S.L.
19. www.acerocomercial.com.
(2020). http://acerocomercial.com/productos/genéricos/tubería-y-accesorios
20. Zhou, J.,
& Kim, C. (2012). Efecto de la ventilación personalizada en la calidad del
aire interior para un ocupante interior con emisión de COV de la alfombra.
Revista de ciencia y tecnología mecánica, 12.
©2021
por los autores. Este artículo es de acceso abierto y distribuido según los términos y
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