Colectores de particulas

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COLECTORES DE PARTICULAS

El vertido directo del contaminante de una extracción localizada y más tratándose de material particulado, al exterior, daría lugar a un problema de contaminación atmosférica, por lo que debe retenerse y separársele del aire que ha servido como vehículo transportador.

Por otra parte puede resultar rentable la recuperación del contaminante, haciéndose necesaria la colocación de un filtro.

También por necesidades caloríficas puede ser necesario proceder a la limpieza de este aire, revertiéndolo otra vez al interior del local colocando un separador.

Otros objetivos por lo cuales deben capturar los contaminantes de un sistema de extracción localizado es para proteger la salud de los trabajadores, cumplir con las normativas ambientales acerca de la contaminación del aire, evitar molestias al vecindario y por último está la protección del ventilador, sobre todo cuando se trata de material corrosivo que puede dañar las paletas del ventilador.

Características de un colector:

La concentración del contaminante en el efluente del colector, debe ser menor que la exigida por la legislación vigente.

La eficiencia de captación debe ser constante durante el ciclo diario de operación y en toda su vida útil.

Debe requerir un mínimo de mantención y ésta debe hacerse sin riesgo para el personal.

La disposición del material colectado no debe crear un nuevo punto de contaminación ni riesgo para los operadores.

Consideraciones en la selección de un colector:

Además de las características anteriores, deben considerarse los siguientes factores:

Tamaño de partículas: Determinará el tipo de colector (primario o secundario)
Cantidad de polvo: Determinará las dimensiones del equipo.
Temperatura del gas a limpiar
Solubilidad de las partículas: Por la solubilidad que formen compuestos corrosivos que destruyan el equipo.
Humedad relativa del ambiente: Importante en el caso de filtros de tela o papel.
Humedad del contaminante: Para el caso de los filtros de tela.
Explosividad del contaminante.

La eficacia de un colector puede llegar hasta un 99.8% como el caso de los filtros de manga de limpieza automática por aire comprimido.

La eficacia se define mediante la relación entre la cantidad de contaminante recogido por el colector y la cantidad que entra al mismo.

La mayoría de los colectores inerciales tienen eficacia de captación variable, que depende del tamaño de las partículas, disminuyendo rápidamente a medida que diminuye el tamaño de las partículas.

Tipos de colectores de partículas:

Cámaras gravitacionales o de sedimentación:

Se utilizan para colectar partículas gruesas (sobre 50 micras). Son de grandes dimensiones ya que requieren mantener las partículas en su interior el tiempo suficiente para que puedan sedimentar

Precipitadores electrostáticos:

Los separadores electrostáticos utilizan el fenómeno natural por el que las partículas de carga opuesta se atraen. En forma general, están constituidos por una carcasa en cuyo interior se sitúan un cierto número de pares de electrodos (emisores y colectores) a través de los cuales circula el aire contaminado. Uno de los electrodos está conectado a tierra y el otro a un conjunto rectificador generador de alta tensión.

El mecanismo de separación tiene lugar por la ionización de las moléculas que componen el medio que separa a los dos electrodos, las que a su vez ionizan a las partículas que atraviesan dicho medio al chocar con ellas. Luego, por acción del campo eléctrico, las partículas cargadas se depositan en las paredes del electrodo correspondiente.

Existen precipitadores de tubos y placas y se utilizan principalmente para la eliminación de humos. Su principal ventaja es su insignificante pérdida de carga, su desventaja es su elevado costo.

Colectores centrífugos (ciclones):

Un ciclón es un separador mecánico de forma cilindro cónica. Se basa en la fuerza centrífuga imprimida a las partículas aspiradas y arrastradas en forma de espiral hacia el fondo del ciclón.

El aire contaminado entra en forma tangencial por la parte superior formando un vórtice descendente, a partir del cual, por efecto de la fuerza centrífuga, las partículas suspendidas en el aire se separan de él al ser proyectadas hacia las paredes donde existe una película de aire relativamente quieto.

El vórtice principal (descendente), desciende hasta alcanzar un punto cercano al extremo del cono. El núcleo o vórtice ascendente comienza en ese punto, donde el aire cambia de dirección sin cambiar de sentido de rotación y sube por el interior del vórtice principal hasta llegar a la salida.

Los ciclones de gran diámetro, es decir, aquellos cuyo diámetro es de 3.5 a 6 veces el diámetro del conducto de entrada, tienen muy buena eficiencia para partículas mayores de 50 micras.

Filtros:

Los filtros separan fundamentalmente debido a su efecto de tamiz, deteniendo las partículas de diámetro superior al de los poros del filtro. Las partículas depositadas en la superficie van obstruyendo los poros, por lo que cada vez retendrán partículas de menor tamaño.

La clasificación de los filtros suele realizarse en función de la naturaleza del medio filtrante: tejido, papel, conglomerados de materiales fibrosos, lechos filtrantes, etc.

Los filtros mas utilizados en la industria son los llamados filtros de manga que consisten en mangas confeccionadas en tejidos de algodón y o fieltro punzonado; siendo el distinto sistema de limpieza del tejido filtrante lo que los diferencia y adecua para una determinada utilización de la separación y retención del material particulado.

De acuerdo a lo anterior, existen diferentes tipos de filtros de manga:

Filtros automáticos:

Es un filtro de mangas filtrantes cilíndricas, con un sistema de limpieza de estas mangas por la breve inyección de aire comprimido a través de un venturi, el cual induce un gran volumen de aire que infla la manga desprendiendo la torta de polvo del exterior de la misma. El funcionamiento de este filtro puede ser continuo durante las 24 horas al día, siendo ésta su principal ventaja de implantación.

Admite concentraciones de polvo y velocidades de filtración, más importantes que un captador de polvo semiautomático. Permite la recuperación o la recirculación de productos tratados.

Filtros de limpieza por vibrador:

Es un filtro de saco filtrante o manga cilíndrica, con un sistema de limpieza por vibrador, que al final de cada período de trabajo, el medio filtrante es descolmatado por sacudidas que realiza una excéntrica accionada por un motor eléctrico. Esta sacudida desprende la torta de polvo, que cae en un depósito. Estos filtros se utilizan para trabajos discontinuos.

Filtros de limpieza por sacudida manual:

Es un filtro de bolsa filtrante suspendida en cuadro metálico provisto de un dispositivo de sacudida manual, accionándolo de abajo arriba para obtener el descolmatado del tejido filtrante. Estos filtros sirven para equipar individualmente los puestos de trabajo.

Debido al efecto de tamiz, el rendimiento de un filtro de tela aumenta al incrementarse la capa de polvo depositada, es decir, cada vez es menor el tamaño de partículas que filtra. Este aumento en el rendimiento es paralelo a un incremento de la pérdida de carga del sistema. Cuando la pérdida de carga llega al valor límite, se considera que está colmatado y debe limpiarse. La instalación de un manómetro es de gran ayuda para la determinación del valor límite.

Normalmente la pérdida de carga de los filtros de manga suele estar comprendida entre los 50 y 150 mmca.


VENTILADORES

Dentro de la ventilación mecánica hay que considerar al elemento principal que da origen al nombre: el ventilador de accionamiento mecánico.

Pero, ¿qué es un ventilador? Se define por ventilador un aparato para mover aire y que utiliza un rodete como unidad impulsara. Un ventilador tiene al menos una abertura de aspiración y una abertura de impulsión. Las aberturas pueden tener o no elementos para su conexión al conducto de trabajo.

La densidad del aire estándar que movemos, llamando densidad del aire a la masa por unidad de volumen, es de 1,2 kg/m
3.

Los ventiladores pueden dividirse en dos grandes grupos: ventiladores axiales o helicoidales y ventiladores radiales o centrífugos. Los primeros lanzan el aire en dirección axial y, en los segundos, la corriente de aire se establece radialmente a través del rodete. Van accionados por medio de un motor eléctrico y la transmisión puede ser directa o por medio de poleas y correas trapezoidales.

A su vez los ventiladores se pueden clasificar conforme:

al aumento de presión que produce,
la forma de los alabes,
la disposición de estos últimos,
sus diversas aplicaciones.

Los ventiladores también se conocen con el nombre de extractores. La diferencia entre un ventilador y un extractar consiste en que el primero descarga el aire o el fluido venciendo una cierta presión en su boca de salida, el segundo saca el aire o el fluido del recinto por aspiración y los descarga con una ligera presión.

La
presión es la fuerza por unidad de superficie. Corresponde a la energía por unidad de volumen de fluido y puede expresarse por la fórmula: P = F/S.

Se distinguen tres tipos de presión: atmosférica o barométrica, relativa o manométrica y absoluta.

La
presión atmosférica o barométrica normal, anivel del mar, equivale a la presión hidrostática que ejercen 760 mm de columna de mercurio o de 10,33 m de volumen de agua, pues se equilibran mutuamente. El volumen de esta columna de agua,teniendo como base 1 cm2 es de: 0,01dm2 x 103 dm = 1,033 dm3 ysu peso vale 1,033 kg. Por consiguiente, la presión ejercida por la presión atmosférica será de 1,033 kg /cm2.

Esta presión disminuye con la
altitud. Al ir subiendo sobre el nivel de] mar, la presión disminuye hasta anularse en la estratosfera, donde no hay aire.

Las
unidades de presión generalmente adoptadas son el kg/cm2 yla atmósfera técnica, siendo sus equivalencias las siguientes:

1 atmósfera = 1 kg /cm
2 = 735,5 mm de c.d.m.

Presión atmosférica normal = 760 mm de c.d.m. = 1,033 atmósferas

Otra unidad de presión empleada para medir presiones débiles, como por ejemplo la de los ventiladores, es el milímetro de columna de agua (1 mm de c.d.a.). Sus equivalencias son:

1 mm de c.d.a. = 0,07355 mm de c.d.m.
1 mm de c.d.m. = 13,6 mm de c.d.a.
760 mm de c.d.m. = 10,334 mm de c.d.a.
1 atmósfera = 10.000 mm de c.d.a.
1 bar = 10 m de
c.d.a.

Se conoce por presión relativa o manométrica a la diferencia entre la presión del gas o presión absoluta y la presión atmosférica; y presión absoluto son las presiones referidas al cero absoluto. Los manómetros industriales miden la presión relativa.

A partir de ahora y salvo en los casos que se especifique lo contrario, al hablar de presión nos referiremos a la presión relativa, ya que para encontrar la presión absoluta habremos de añadir la presión relativa a la presión atmosférica que corresponda al lugar que se considere bajo esta fórmula:

P. abs. (Pa) = P. rel. (Pr) + P. atmosférica

Para usos normales la fórmula se simplifica:

Pa = Pr + 1

Presión estática, dinámica y total

En el estudio de los ventiladores se insertan conceptos básicos que caracterizan el movimiento del aire, encontrándose dentro de ellos el caudal y la presión estática, dinámica y total, que pasamos a describir.

Por
caudal (Q) entenderemos el volumen de aire movido por un ventilador en la unidad de tiempo, generalmente dado en m3 /h o m3/s, independiente de la densidad del aire.

Presión estática (pe). La presión estática es la porción de la presión del aire debida solamente al grado de compresión del mismo. O bien, es la fuerza por unidad de superficie ejercida en todas las direcciones y sentidos, al margen de la dirección y sentido de la velocidad.

Puede existir en un fluido en movimiento o en reposo, ya que todo fluido ejerce una presión sobre las paredes del recipiente que lo contiene, ejerciéndose por igual en todas las direcciones, siendo su cuantía el cociente entre el valor de esa fuerza y la superficie que recibe su acción.

Si se expresa como presión manométrica puede ser positiva o negativa. La presión estática es positiva cuando es mayor que la presión atmosférica, diciendo entonces que existe una sobrepresión. Por el contrario, la presión estática es negativa cuando es menor que la atmosférica, llamándose depresión.

Presión dinámica (pd). La presión dinámica es la porción de la presión del aire debida solamente al movimiento del aire. También podemos decir que la presión dinámica de una corriente de aire es la fuerza por unidad de superficie que equivale a la transformación íntegra de la energía cinética en energía de presión.

La presión dinámica es siempre positiva y se manifiesta únicamente en el sentido de la velocidad.

El movimiento del aire es debido a la diferencia de presiones que existen entre dos puntos. Por lo tanto, la velocidad del flujo depende de la resistencia que encuentre la corriente de aire. Al igual que cualquier otra cosa que se mueve, el aire ejerce una presión contra los obstáculos que. encuentra a su paso y es proporcional a su velocidad

Viene expresada por:
p
d = g x v2 (kg/m2)
2g
siendo:

g = densidad del aire en kg/m
3 (d = 1,2)
g = aceleración de la gravedad (g = 9,8 m/s2)
v = velocidad del aire en m/s.

Presión total (pt). La Presión total es la presión debida al grado de compresión del aire y a su movimiento. Es la suma algebraica de la presión dinámica y de la presión estática en un punto. Si el aire se encuentra en reposo, la presión total será igual a la presión estática.

Es oportuno observar que, mientras que la presión estática es negativa en la aspiración y positiva en la impulsión, la presión dinámica es siempre positiva, por lo que la presión total es la suma algebraica de ambas.

En los conductos de impulsión las presiones estáticas (p
e) y total (pt) son positivas, resultando una sobrepresión.

En los conductos de aspiración las presiones estática (p
e) y total (pt) son negativas en consecuencia se tiene una depresión como se señala en la figura

Como puede verse en las figuras anteriores la presión dinámica (p
d) que corresponde a la velocidad del flujo es siempre positiva (sobrepresión).

En resumen, que podemos escribir:

presión total = presión estática + presión dinámica

Caracterizándose los ventiladores por su presión total.

Según el teorema de Bernoulli, la presión total es constante en todos los puntos de un conducto. Dicho teorema solamente es válido en el caso de un gas perfecto e incompresible, o que pueda ser tratado como tal.

En realidad, no hay ningún gas perfecto; no obstante, el aire y algunos otros gases se comportan con bastante aproximación como si fueran gases perfectos o ideales, y nos permiten deducir que la presión dinámica puede transformarse en presión estática, e inversamente, cuando se producen cambios de sección en un conducto. Esta transformación contiene una pérdida de presión, tanto más adecuada cuanto mayor sea la variación de velocidades.

Selección del ventilador:

En la selección del ventilador adecuado para un proceso determinado, debe considerarse:

Caudal de aire a mover
Presión estática a vencer
Grado de limpieza del aire
Conexión directa del motor - ventilador o mediante poleas.
Nivel de ruido
Condiciones especiales como: temperatura, corrosividad, inflamabilidad, espacio, etc.

Los catálogos entregados por los fabricantes contienen la información sobre las características, construcción, dimensiones, modificaciones y accesorios de una o más series de diferentes tamaños de ventiladores. Los datos de operación son generalmente presentados en forma de tablas con varias velocidades. Cada una de las tablas entrega las RPM y potencia requerida para mover un volumen de aire en contra de una presión estática para un tamaño de ventilador. Las cifras para puntos máximos de eficiencia son generalmente subrayadas. El ventilador adecuado es aquel en que el punto de máxima eficiencia coincide con los requerimientos de caudal y presión.

Para construir estas tablas, al ventilador de le conecta un trozo de conducto en la boca de aspiración con una válvula de mariposa. El ventilador se hace funcionar a una determinada velocidad de rotación (RPM) y potencia del motor y se mide la presión estática con la válvula de mariposa completamente cerrada (Caudal cero y presión máxima). Posteriormente se va abriendo gradualmente la válvula y se va midiendo el caudal y la presión estática hasta que esta esté completamente abierta (Caudal máximo y presión cero). La curva obtenida se representa en la siguiente figura:




P
e Curva del ventilador







Q

Para seleccionar el ventilador adecuado, es necesario conocer la curva característica del sistema de ventilación (formado por campanas, conductos, accesorios, etc.) que representa la variación de las pérdidas de carga que producen al circular por ella el aire, en función del caudal del mismo. La curva característica del sistema tiene forma de parábola que pasa por el origen y corresponde a una función P
e = k*Q2 . La curva obtenida se representa en la siguiente figura:


P
e Curva característica del sistema







Q
El punto de operación del sistema para el ventilador seleccionado será el define el caudal y la presión al superponer ambas curvas, tal como lo muestra la siguiente figura:



P
e Punto de operación del sistema (POS)







Q


Medida de presiones

En el estudio de la circulación del aire a lo largo de conductos, o cuando sea necesario comprobar la producción de un ventilador instalado, debemos medir presiones eligiendo un tramo recto de régimen estable, fuera de cambios de sección, codos y cualquier otro accidente susceptible de provocar incidencias en la homogeneidad de la vena gaseosa,

Habrá que tener igualmente presente si el conducto es de aspiración o de impulsión por el sentido de las presiones como se ha explicado en el párrafo precedente.

Hay que tener también en cuenta, para la medida de presiones dinámicas y consecuentemente del caudal de aire, que estas son más bajas cerca de las paredes del conducto que en el centro mismo. Este hecho es más notable en régimen laminar que en régimen turbulento. Sería, por ello, prudente hacer varias mediciones partiendo del centro de la tubería e ir acercándose paulatinamente a las paredes; la presión resultante correspondería a la media.

La presión estática (p
e) se mide con un manómetro unido a una abertura hecha en el conducto; el eje de la abertura debe ser perpendicular al flujo del aire para evitar que a la presión estática se sume el efecto dinámico ocasionado por el movimiento del aire dentro del conducto. Posición 2, figura 3.1 y 3.2.

La presión dinámica (p
d) se evalúa con un manómetro diferencial del que un orificio está dispuesto en sentido contrario a la dirección del flujo (para poder medir la presión total) mientras que el otro orificio se abre perpendicularmente al fluido (para controlar la presión estática). Posición 3, figuras 3.1 y 3.2.

La presión dinámica se expresa como la diferencia entre la presión total y la presión estática.

La presión total (p
t) se toma con un manómetro unido a un tubo ya introducido en el conducto y que tiene el eje paralelo al flujo y el extremo abierto en sentido contrario al del flujo mismo. Posición 1, figura 3.l y 3.2.

Se encuentran en el comercio diversos aparatos para medir presiones siendo los más conocidos el tubo de Pitot que indica directamente la presión total, o el tubo Prandl que consta de un tubo Pitot unido a otro que lo envuelve, y que va provisto de unas rendijas que miden la presión estática. Van acoplados a los dos extremos de un manómetro que indica la diferencia entre ambos; es decir, la presión dinámica.

El tubo de Prandl es el más utilizado ya que permite, además de constatar la presión dinámica, medir la presión estática.

Presión total del ventilador (PTV):

Todos los ventiladores que se encuentran en el comercio se especifican por el caudal que mueven y por la presión que es capaz de vencer. Algunos fabricantes de ventiladores dan los valores característicos de sus equipos en términos de Presión Total que representa el incremento de la presión total del aire al pasar a través del ventilador y se representa por la ecuación:

PTV = PT
salida - PT entrada

Para seleccionar un ventilador en estos casos, la Presión Total del Ventilador se calcula como sigue:

PTV = PT
salida - PT entrada
PTV = (PE
salida + PD salida ) - (PE entrada +PD entrada)

Si el conducto de aspiración y el de impulsión del ventilador son del mismo diámetro, entonces las velocidades serán iguales y las presiones dinámicas en la entrada y salida los serán también, por lo tanto la expresión quedará:

PTV = PE
salida - PE entrada

Otros fabricantes definen la Presión Estática del Ventilador (PEV) como la Presión Total del Ventilador menos la Presión dinámica del Ventilador. La Presión Dinámica del Ventilador se define como la presión dinámica correspondiente a la velocidad del aire a la salida del ventilador. La Presión Estática del Ventilador queda definida por la ecuación:

PEV = PTV - PD
salida

O bien

PEV = PE
salida - PE entrada - PD entrada

Al seleccionar un ventilador a partir de datos de catálogos hay que examinar cómo está representada la presión del ventilador, si es Presión Estática o Total. A continuación se calcula el valor adecuado prestando atención a los signos algebraicos, es decir, la presión dinámica siempre es positiva (+), la PE
entrada generalmente es negativa (-) y la PE salida generalmente es positiva (+).

TIPOS DE VENTILADORES

Un ventilador es una turbo - máquina de fluido para gases que absorbe la energía mecánica y restituye energía a un gas comunicándole un incremento de presiones inferior a 1000 mm c.a.

Los ventiladores pueden clasificarse según la presión desarrollada y según la dirección del flujo de aire.

Según la presión desarrollada en

De baja presión. Presión total desarrollada es inferior a 100 mmca.
Media presión. Presión total desarrollada es superior a 100 mmca. e inferior a 300 mmca.
Alta presión. Presión total desarrollada es superior a 300 mmca. e inferior a 1000 mmca.

Según la dirección del flujo en

VENTILADORES HELICOIDALES. E
n los que el aire se desplaza en el sentido del eje de rotación de la hélice

VENTILADORES CENTRIFUGOS. En
los que el aire entra axialmente y sale en dirección radial.

Características de un ventilador helicoidal

Grandes caudales de aire.
Presión disponible reducida.
Buen rendimiento.
Ruidosos.
Curva plana.
Montaje mural.
Impulsión.
Extracción.

El caudal de aire que mueven los ventiladores helicoidales es grande en relación a su tamaño, hélices de 800 mm de diámetro puede dar hasta 30.000 m
3/h.

Al tener poca presión disponible sólo se pueden aplicar, donde la resistencia al flujo de aire es baja, es decir, en instalaciones de pocos metros de conducto y aun éste del mismo diámetro de la hélice.

Este tipo de ventilador se utiliza más frecuentemente en montaje mural, en extracción o en impulsión de aire sin mediación de conductos.


Composición de un ventilador helicoidal

Una virola.
Una hélice.
Accionamiento.

El aire se desplaza en el sentido del eje de rotación de la hélice.

La hélice tiene un núcleo al cual se fijan las palas perfiladas y dispuestas formando un ángulo dado. Si las palas no tuvieran ningún ángulo de ataque del aire, no habría caudal ninguno. Cuanto más grande sea el ángulo de ataque más acción tiene la hélice sobre el aire.

Su composición simple lo convierte en un aparato barato en comparación con su caudal.

La hélice conserva un campo de aplicaciones muy extenso, que va desde un simple aireador de cocina hasta el refrigerante de dos metros de diámetro y más.

Características de un ventilador centrífugo

Caudales algo menores.
Presiones más elevadas.
Buen rendimiento.
Silenciosos.
Impulsión.
Extracción.

Los caudales son algo menores que el helicoidal sin embargo la presión de trabajo es mucho mayor.

El rendimiento es bueno sobre una gran parte de la curva de trabajo.

La utilización de un ventilador centrífugo se hace para toda clase de caudales y cuando se alcance una determinada presión.

Un ventilador centrífugo es mucho más caro que un ventilador helicoidal pero tiene una mayor flexibilidad de empleo.

Composición de un ventilador centrífugo

Voluta
Rodete
Accionamiento

En el ventilador centrífugo el rodete atrae el aire a su cuerpo por el oído, lo conduce a la periferia y lo arrastra hacia la impulsión siguiendo el movimiento en espiral canalizado por la voluta. El eje de impulsión es perpendicular al eje de aspiración.

El aire aspirado por un pabellón o cono de aspiración que está situado en el flanco de la caja o puesta al disco del rodete donde van fijado los álabes.

Las características de un ventilador centrífugo están ligadas a su composición: dimensiones, forma y disposición de los álabes al rodete

Leyes de los ventiladores:

En un mismo ventilador:

1º ley: Los caudales son proporcionales al número de revoluciones (velocidades de rotación)

V
1 RPM1
V2 RPM2
2º ley: Las presiones engendradas son directamente proporcionales al cuadrado del número de revoluciones (velocidad de rotación)

P
1 RPM12
P2 RPM22

3º ley: las potencias son directamente proporcionales al cubo del número de revoluciones (velocidad de rotación)

W
1 RPM13
W2 RPM23

4º ley: los caudales son directamente proporcional al cubo de los diámetros
5º ley: las presiones engendradas son directamente proporcional al cuadrado de los diámetros.
6º ley: las potencias son directamente proporcional a la quinta potencia de los diámetros.

Un mismo ventilador puede trabajar como impulsor o como extractor según su posición, por lo que a la hora de su implantación para solucionar un problema de ventilación, sea general o localizada, hay que tener en cuenta la velocidad de soplado y la velocidad de aspiración, que son diferentes








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