Criterios para Presurización de Subestaciones Eléctricas
Ignacio Domínguez
Saludos,
Ignacio Domínguez
Alguien me comentó que es un tema del área de HVAC, pero no estoy seguro de eso. Aunque sea así, creo que debe haber algún criterio en alguna parte referente a la diferencia entre la presión en el interior de la subestación y la presión en el exterior de la misma, al igual que en lo que se refiere al flujo de aire y a los requisitos de renovación del aire dentro de la subestación.
Ignacio Domínguez
Hola Ignacio Buenas noches. Pf revisa la siguiente información. Puede darte una referencia para este caso.Para garantizar la seguridad de los empleados y los equipos ubicados en áreas peligrosas (clasificadas) a menudo se requiere mantener el área libre de gases peligrosos, polvo o fibras que puedan filtrarse a través de puertas, ventanas u otras aberturas en la habitación. Una forma de hacer esto es presurizando el área con aire protector de acuerdo a los lineamientos de la NFPA 496, Standard for Purged and Pressurized Enclosures for Electrical Equipment.
El funcionamiento de este sistema se define en dos etapas, la presurización del cuarto eléctrico y la purga.
NFPA define la presurización como “El proceso de suministrar un gabinete con una protección gas con o sin flujo continuo a presión suficiente para evitar la entrada de un gas o vapor inflamable, un polvo combustible o una fibra inflamable” (NFPA 496 Chapter, 1 - 1.4 Definitions) Ver anexo 1. En el caso de presurizar una habitación o edificio, NFPA agrega que el gas protector puede ser "Aire" que está "esencialmente libre de contaminantes o materias extrañas" y que "contiene no más de trazas de vapor o gas inflamable” (NFPA 496 Chapter 7 - Pressurized Analyzer Rooms Containing a Source of Flammable Gas, Vapor or Liquid) Ver anexo 2.
Figura 1. Proceso de presurización
La purga se define como "el proceso de suministrar un gabinete con un gas protector a un flujo suficiente y presión positiva para reducir la concentración de cualquier material inflamable gas o vapor inicialmente presente en la edificación a un nivel aceptable ".
Figura 2. Proceso de purga
Según NFPA 496 Chapter 2 - 2.3.1 Pressurizing System) Ver anexo 3. La presión del recinto debe mantenerse a un nivel de al menos 25 Pa (0,1 pulg. w.c.) con todas las aberturas cerradas. El equipo de purga debe "proporcionar un mínimo de 0,305 ms (60 pies / min) a través de todas las aberturas capaces de ser abiertas en uso normal”.
Durante el funcionamiento normal con las puertas cerradas (Figura 1), la unidad presuriza la habitación, forzando aire seguro y no explosivo dentro del área y salir a través de las grietas, hendiduras y costuras.
Para determinar la cantidad de aire que se requiere compensar, primero se calcula el área efectiva de escape y posteriormente la velocidad de expulsión del aire para producir la presión dinámica requerida. Una vez obtenidos estos valores, se podrá conocer la cantidad de aire expulsado a través de la puerta y otras ranuras, y con esto asegurar el diferencial de presión dentro espacio a presurizar, se considera una única puerta que estará en servicio en condiciones normales que es la puerta de acceso peatonal.
La Figura 2 muestra el funcionamiento durante un ciclo de purga, en este caso una puerta abierta. Después de un minuto de una caída de presurización por debajo de un nivel preestablecido (generalmente 0,1 pulg. de agua), los componentes del sistema hacen que el o los ventiladores se encienden automáticamente, trayendo aire seguro y forzando a que el aire potencialmente peligroso salga de la edificación o PCR.
1. CÁLCULO DE FLUJOS DE OPERACIÓN
Cálculo del flujo requerido para la presurización
Para el primer modo de operación, la presurización, se considera la cantidad de flujo de aire que el sistema debe generar para compensar las fugas a través de los bordes de las puertas, este flujo debe ser suficiente para mantener el cuarto a la presión indicada por la NFPA 496 que es de 25 Pa. NFPA 496 Chapter 2 - 2.3.1 Pressurizing System) Ver anexo 3
Para esto se considera las dimensiones de las puertas peatonal y de equipos.
Figura 3. Dimensiones de puertas peatonal y equipos.
Características de las puertas:
Puerta Peatonal
[H1] Altura de la puerta: 2.5 metros
[L1] Ancho de la puerta: 1.1 metros
[e1] Rendija o ranura: 3 milímetros
Presión requerida: 25 Pa = 2.5 milímetros de columna de agua
Puerta Acceso de Equipos
[H2] Altura de la puerta: 2.5 metros
[L2] Ancho de la puerta: 2 metros
[e2] Rendija o ranura: 3 milímetros
Presión requerida: 25 Pa = 2.5 milímetros de columna de agua
PUERTA PEATONAL
Área efectiva de escape por las ranuras:
A1 = [ (2x H1) x e1 + (2XL1) x e1]
A1 = [ (2x 2.5) x 0.003 + (2x 1.1) x0.003] m²
A1 = [0.015 + 0.0066] m²
A1 = 0.0216 m²
Velocidad de expulsión:
v=4 √∆p (velocidad del aire por la diferencia de presión)
donde:
v = Velocidad del aire [m/s]
∆p = Presión dinámica [mm c.a]
Entonces:
v=4 √2.5
v= 6.3 m/s
Flujo de aire expulsado:
Q = v × A
donde:
Q1 = Flujo de Aire [m3/s]
A = Área [m²]
v = velocidad [m/s]
Q1 = 6.3 × 0.0216 m²
Q1 = 0.13608 m3/s (288,34 [CFM])
Qt (dos puertas peatonales) = 288,34 [CFM] x 2 = 576,674 [CFM]
Este es el flujo requerido por las dos puertas peatonales.
PUERTA ACCESO DE EQUIPOS
Área efectiva de escape por las ranuras:
A2 = [ (2x H2) x e2 + (2XL2) x e2]
A2 = [ (2x 2.5) x 0.003 + (2x 2) x0.003]
A2 = [0.015 + 0.012] m²
A2 = 0.027 m²
Velocidad de expulsión:
v=4 √∆p (velocidad del aire por la diferencia de presión)
donde:
v = Velocidad del aire [m/s]
∆p = Presión dinámica [mm c.a]
Entonces:
v=4 √2.5
v= 6.3 m/s
Flujo de aire expulsado:
Q = v × A
donde:
Q2 = Flujo de Aire [m3/s]
A = Área [m²]
v = velocidad [m/s]
Q2 = 6.3 × 0.027 m²
Q2 = 0.1701 m3/s (360,421 [CFM])
FLUJO TOTAL
Para el flujo total se considera la suma de Q1+Q2 que son de las dos puertas que contiene el cuarto.
Q(total) = Q1 + Q2
Q(total) = 576,674 [CFM] + 360,421 [CFM] = 937,10 [CFM]
CÁLCULO DEL FLUJO REQUERIDO PARA LA PURGA
Para el segundo modo de operación, la purga, se considera la cantidad de flujo de aire que el sistema debe generar para compensar la salida de aire por una puerta peatonal temporalmente abierta.
Puerta Peatonal
[H1] Altura de la puerta: 2.5 metros
[L1] Ancho de la puerta: 1.1 metros
[e1] Rendija o ranura: 3 milímetros
Área efectiva de escape por la abertura de la puerta:
A3 = [H1 x L1]
A3 = [2,5 x 1,1] m²
A3 = 2,75 m²
Velocidad de expulsión o purga
Por norma la velocidad es 0,305 [m/s]
Flujo de aire expulsado:
Q = v × A
donde:
Q2 = Flujo de Aire [m3/s]
A = Área [m²]
v = velocidad [m/s]
Q2 = 0.305 × 2,75 m²
Q2 = 0.83875 m3/s (1777,21) [CFM]
2. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Según los datos obtenidos del cálculo del flujo requerido para la presurización y cálculo de flujo requerido para la purga y debido a que el cuarto en su interior no es catalogado como un área clasificada se realizó en análisis de los valores mencionados.
Aunque el sistema de aire acondicionado también aporta con una cantidad de aire tratado nuevo en el caso de pérdida de presión, el control de la presión se puede hacer por medio de un equipo independiente dedicado a mantener la presión del aire en el interior del espacio acondicionado, o a través del ajuste en las revoluciones del motor eléctrico, esto es, del ventilador de inyección del equipo.
Para el caso de los cuartos donde se requiere una presión positiva, el estándar 496 de la National Fire Protection Association (NFPA) clasifica los espacios que requieren ser presurizados en función del contenido de gases, contaminantes, vapores y líquidos que puedan provocar la ignición de un incendio e, incluso, una explosión. Esto según su apartado sobre purga y presurización del sistema eléctrico. (NFPA 496 Chapter, 1 - 1.4 Class I, Division 2) Ver anexo 4.
Para los cuartos de control, se recomienda mantener una presión constante de 25 Pa, con puertas cerradas y una velocidad mínima de escape a través de las ranuras, la cual deberá ser de 0.3048 metros por segundo, de manera simultánea, a través de las ranuras, de acuerdo con el estándar ya mencionado de la NFPA. NFPA 496 Chapter 2 - 2.3.1 Pressurizing System) Ver anexo 3
Unidad de presurización, es imperativo considerar dos parámetros. En primer lugar, se deben considerar los pies cuadrados de todas las aberturas que se usan para la entrada y la salida y, si están equipados, los edificios con puertas que normalmente se usan solo para el movimiento poco frecuente de equipos dentro y fuera del edificio deben estar debidamente etiquetados e identificados como puertas normalmente permanecen sellados, por lo que pueden excluirse del cálculo requerido para lograr una velocidad de aire de 60 pies por minuto a través de lo que NFPA 496 define como “todas las aberturas que se pueden abrir”.
3. CONCLUSIONES
Debido a que el cuarto con sus puertas cerradas necesita un caudal de 937,10 CFM para llenado, considerando un factor de 25% de seguridad el caudal necesario para presurizar el interior del cuarto con las puertas cerradas es de 1171,369 CFM. En el modo purga cuando se considera solo una puerta peatonal abierta se necesita un caudal de 1777,21 CFM. De tal modo según lo indica la NFPA 496, 5-4.1 “Para los cuartos de control, se recomienda mantener una presión constante de 25 Pa, con puertas cerradas.
4. DOCUMENTOS DE REFERENCIAS
· Standard for Purged and Pressurized Enclosures for Electrical Equipment. (NFPA 496:2017).
5. ANEXOS
1. Standard for Purged and Pressurized Enclosures for Electrical Equipment. (NFPA 496:2017 (NFPA 496 Chapter, 1 - 1.4 Definitions)
2. Standard for Purged and Pressurized Enclosures for Electrical Equipment. (NFPA 496:2017 (NFPA 496 Chapter 7 - Pressurized Analyzer Rooms Containing a Source of Flammable Gas, Vapor or Liquid)
3. Standard for Purged and Pressurized Enclosures for Electrical Equipment. (NFPA 496:2017 (NFPA 496 Chapter 2 - 2.3.1 Pressurizing System)
4. Standard for Purged and Pressurized Enclosures for Electrical Equipment. (NFPA 496:2017 (NFPA 496 Chapter, 1 - 1.4 Class I, Division 2)
Anexo 1
Standard for Purged and Pressurized Enclosures for Electrical Equipment. (NFPA 496:2017 (NFPA 496 Chapter, 1 - 1.4 Definitions)
Anexo 2
Standard for Purged and Pressurized Enclosures for Electrical Equipment. (NFPA 496:2017 (NFPA 496 Chapter 7 - Pressurized Analyzer Rooms Containing a Source of Flammable Gas, Vapor or Liquid)
Anexo 3
Standard for Purged and Pressurized Enclosures for Electrical Equipment. (NFPA 496:2017 (NFPA 496 Chapter 2 - 2.3.1 Pressurizing System)
Anexo 4
Standard for Purged and Pressurized Enclosures for Electrical Equipment. (NFPA 496:2017 (NFPA 496 Chapter, 1 - 1.4 Class I, Division 2)
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Edgardo Silva
La presurización consiste en mantener una presión de aire ligeramente superior dentro del cuarto de máquinas en comparación con el exterior. Esto crea una barrera que impide la entrada de contaminantes y ayuda a mantener un ambiente controlado.
Los objetivos principales son:
Evitar la entrada de polvo y partículas: Vital para proteger equipos electrónicos, relés, interruptores y transformadores, ya que el polvo puede causar sobrecalentamiento, arcos eléctricos, cortocircuitos y fallas de aislamiento.
Mantener la calidad del aire: Reducir la presencia de contaminantes corrosivos o humedad.
Optimizar la temperatura y el flujo de aire: Asegurar que el aire acondicionado (si existe) sea más efectivo y que el aire fresco no deseado no altere las condiciones internas.
Criterios para la Presurización y Climatización Óptima
a. Selección del Sistema de Ventilación y Filtración
Aire Acondicionado con Ventilación y Filtración Integrada (HVAC): En muchos cuartos de máquinas, se utiliza un sistema HVAC dedicado que no solo enfría, sino que también maneja la ventilación y la filtración del aire.
Unidades de Presurización Dedicadas (o "Pressurization Units"): Son sistemas diseñados específicamente para introducir aire filtrado y presurizar un espacio, a menudo en conjunto con un sistema de enfriamiento separado o para complementar un HVAC existente.
Filtros de Alta Eficiencia: Utiliza filtros con clasificación MERV (Minimum Efficiency Reporting Value) alta, idealmente MERV 11 o superior, para atrapar partículas finas de polvo. Para ambientes extremadamente polvorientos o con contaminantes corrosivos, considera filtros HEPA (High Efficiency Particulate Air) o filtros químicos.
b. Diseño del Flujo de Aire y Presión Positiva
Presión Positiva Diferencial: El objetivo es mantener una presión positiva de al menos 0.05 a 0.1 pulgadas de columna de agua (WC) (aproximadamente 12.5 a 25 Pascales) dentro del cuarto de máquinas en relación con el exterior. Esta ligera sobrepresión es suficiente para repeler la entrada de polvo.
Suministro de Aire Limpio: El aire de suministro debe ser filtrado y acondicionado (enfriado o calentado según sea necesario) antes de introducirse al cuarto. Debe ser introducido a través de ductos y difusores que aseguren una distribución uniforme y eviten "puntos muertos" o zonas de baja presión.
Extracción de Aire (Opcional/Pasiva): Generalmente, el exceso de aire presurizado se escapará por las aberturas más pequeñas del cuarto (sellos de puertas, pequeñas grietas). Sin embargo, en cuartos grandes o con equipos que generen mucho calor, puede ser necesario un sistema de extracción controlado por dampers de alivio que se abran solo cuando la presión interna excede un límite. Esto asegura que el aire caliente sea removido eficientemente y no se "luche" contra la presurización.
c. Control de Temperatura y Humedad
Puntos de Ajuste (Setpoints):
Temperatura: Mantén la temperatura dentro del rango recomendado por los fabricantes de los equipos. Un rango común para equipos electrónicos y de control es entre y ( y ), con límites máximos que no excedan los () en operación continua. La estabilidad de la temperatura es tan importante como el valor absoluto.
Humedad Relativa: Controla la humedad relativa entre 40% y 60%. Una humedad muy baja puede generar problemas de estática, mientras que una muy alta puede provocar condensación y corrosión.
Sistemas de Enfriamiento Redundantes: Para cuartos de máquinas críticos, considera la instalación de sistemas de enfriamiento N+1 o 2N, para asegurar la continuidad de la operación en caso de falla de una unidad.
d. Integridad del Envolvente del Cuarto
Sellado de Aberturas: Este es un criterio crucial y a menudo subestimado. De nada sirve presurizar si hay fugas importantes. Todas las aberturas deben ser selladas:
Puertas: Deben ser de cierre automático, con burletes de sellado perimetrales y "barrido" inferior. Considera esclusas de aire (airlocks) si el tránsito es muy frecuente o el ambiente exterior está extremadamente contaminado.
Ventanas: Deben ser selladas herméticamente o eliminadas.
Pases de cables y tuberías: Utiliza sellos cortafuegos o masilla intumescente para sellar herméticamente todos los puntos por donde entran o salen cables y tuberías.
Grietas y Juntas: Sellar cualquier grieta en paredes, techos y pisos.
e. Monitoreo y Alarmas
Sensores de Presión Diferencial: Instala sensores para monitorear continuamente la presión dentro del cuarto. Deben estar conectados al BMS (Building Management System) o al sistema de monitoreo de la subestación.
Sensores de Temperatura y Humedad: Monitorea estos parámetros constantemente.
Alarmas: Configura alarmas audibles y visuales, y notificaciones remotas, para cuando los parámetros de presión, temperatura o humedad salgan de los rangos establecidos. Esto permite una intervención rápida antes de que ocurran daños.
Monitoreo del Estado de los Filtros: Un sistema de presurización bien diseñado debe incluir manómetros o sensores para indicar cuándo los filtros están sucios y necesitan ser reemplazados, ya que los filtros sucios reducen el flujo de aire y la presión positiva.
f. Mantenimiento Preventivo
Limpieza de Filtros y Reemplazo Regular: Sigue las recomendaciones del fabricante para el reemplazo de filtros. En ambientes muy polvorientos, la frecuencia será mayor.
Inspección de Sellos: Revisa periódicamente los burletes de puertas y ventanas, y los sellos de pases.
Calibración de Sensores: Asegura que los sensores de presión, temperatura y humedad están calibrados correctamente para lecturas precisas.
Saludos
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