Separadores ciclónicos: eficiencia, pérdida de presión y desgaste es una referencia técnica sobre el ciclón de flujo inverso, un dispositivo que elimina partículas de una corriente de gas o líquido usando fuerza centrífuga en lugar de un medio filtrante.
Una entrada tangencial hace girar el flujo en un vórtice exterior descendente; las partículas migran hacia la pared, pierden momento y caen en una tolva, mientras que el gas limpiado revierte hacia un vórtice interior y sale por el buscador de vórtice en la parte superior.
El gas sucio entra tangencialmente cerca de la parte superior del cuerpo cilíndrico y se ve forzado a formar una espiral. Debido a que el gas debe girar con un radio estrecho, cada partícula suspendida experimenta una aceleración centrífuga muchas veces la gravedad, del orden de cientos a miles de g en unidades pequeñas.
Las partículas más pesadas y grandes no pueden seguir las líneas de corriente, derivan hacia el exterior, chocan contra la pared y descienden en espiral por la sección cónica hasta la tolva de polvo.
El núcleo de gas invierte su dirección cerca de la punta del cono y sale hacia arriba a través del buscador del vórtice central.
No hay piezas móviles, por lo que los ciclones se usan como pre-limpiadores antes de filtros de mangas (baghouses) y como colectores de producto en procesos como un secador rotatorio .
El rendimiento del ciclón se describe por el tamaño de corte, d50, el diámetro de partícula capturado con una eficiencia del 50 por ciento. El modelo de Lapple lo estima como:
d50 = sqrt( 9 · μ · W / ( 2π · Ne · Vi · (ρp - ρg) ) )
donde μ es la viscosidad del gas, W es el ancho de la entrada, Ne es el número de vueltas efectivas que realiza el gas (comúnmente 5 a 10), Vi es la velocidad de entrada, y ρp y ρg son las densidades de la partícula y del gas.
La ecuación muestra las palancas directamente: cortes más finos provienen de mayor velocidad de entrada, una entrada más estrecha, más vueltas efectivas y partículas más densas.
El aumento de la temperatura del gas incrementa la viscosidad y reduce la diferencia de densidad, por lo que los ciclones de gas caliente capturan un corte más grueso que la misma unidad funcionando en frío.
El coste energético es la pérdida de presión, convencionalmente expresada en cabezas de velocidad de entrada:
ΔP = NH · ( ρg · Vi² ) / 2
NH, el número de cabezas de velocidad, suele ser 6 a 8 para una geometría estándar de alta eficiencia. El punto crítico es que ΔP escala con el cuadrado de la velocidad de entrada. Duplicar la velocidad aproximadamente cuadruplica la pérdida de presión mientras que solo mejora modestamente el corte.
La mayoría de los ciclones industriales funcionan entre aproximadamente 0,5 y 2,5 kPa. Esa pérdida la soporta continuamente el ventilador, normalmente un ventilador centrífugo , por lo que el dimensionamiento del ciclón es realmente una decisión de potencia del ventilador.
Cualquier cambio de diseño que afine el corte tiende a aumentar la pérdida de presión o el desgaste. La tabla siguiente resume los efectos dominantes, manteniendo constantes los demás factores.
| Cambio de diseño | Efecto en la eficiencia (corte más fino) | Efecto en la pérdida de presión | Efecto en el desgaste |
|---|---|---|---|
| Aumentar la velocidad de entrada | Mejora (hasta la reentrada de partículas) | Aumenta con el cuadrado de la velocidad | Aumenta bruscamente |
| Reducir el diámetro del cuerpo | Mejora | Aumenta | Aumenta |
| Alargar el cuerpo y el cono | Mejora modestamente | Pequeño aumento | Poca variación |
| Agrandar el diámetro del buscador de vórtice | Empeora | Disminuye | Disminuye |
| Aumentar la temperatura del gas | Empeora (mayor viscosidad) | Disminuye (menor densidad) | Poca variación |
| Aumentar la carga de polvo | Mejora (aglomeración) | Disminuye ligeramente | Aumenta |
Tenga en cuenta que aumentar la velocidad de entrada ayuda solo hasta cierto punto. Más allá de aproximadamente 20 a 30 m/s, la turbulencia arranca el polvo ya colectado de la pared y lo vuelve a incorporar al núcleo de salida, por lo que la eficiencia puede caer incluso cuando la pérdida de presión sigue aumentando.
Puesto que la separación depende de que las partículas golpeen la pared, el polvo abrasivo erosiona el ciclón desde el interior.
El desgaste se concentra en dos zonas: la región de la entrada y la pared exterior donde el chorro entrante impacta por primera vez, y la parte baja del cono cerca de la punta donde el vórtice es más estrecho y las velocidades de las partículas son más altas.
El adelgazamiento en estas zonas finalmente perfora la carcasa, admite aire de fuga y colapsa el vórtice. La erosión se acelera fuertemente con la velocidad, a menudo cerca del cubo de la velocidad para muchos abrasivos, lo que es otra razón para evitar diseños con exceso de velocidad.
Cuando un gas corrosivo acompaña al polvo, el ataque mecánico y químico combinado se entiende mejor como erosión-corrosión , y las mitigaciones incluyen revestimientos de baldosas cerámicas, placas de desgaste endurecidas en la entrada, secciones de cono reemplazables y material refractario en servicio de gas caliente.
La tolva y la descarga de polvo son otros puntos de fallo. El polvo pegajoso, higroscópico o que condensa puede acumularse y formar puentes a través del cono o la garganta de la tolva, de modo que los sólidos recogidos retroceden al espacio de separación y destruyen la eficiencia.
Una válvula rotatoria o dipleg que fugue o se atasque deja entrar aire por la descarga, lo que reincorpora el polvo y puede anular la recolección.
Las contramedidas prácticas incluyen aislamiento o resistencias de calefacción para mantenerse por encima del punto de rocío, una solapa correctamente ponderada o una esclusa rotativa que selle contra infiltraciones, detección de nivel en la tolva y vibración o golpeteo periódico en materiales propensos a puenteo.
Un ciclón no tiene piezas rotativas, por lo que su mantenimiento está orientado a la inspección más que a la lubricación. Un programa sólido registra estos elementos con una cadencia fija:
Registrar lecturas de espesor y tendencias de ΔP en un CMMS permite prever el reemplazo del revestimiento y del cono antes de la perforación. Los equipos que gestionan esto en Reserve una demostración de Fabrico vinculan esas rutas de inspección a órdenes de trabajo automáticamente. La medición consistente convierte un cono de acero opaco en un activo predecible, basado en la condición.
Los ciclones estándar de alta eficiencia recogen eficazmente la mayoría de las partículas por encima de aproximadamente 5 a 10 micras, pudiéndose alcanzar tamaños de corte cercanos a unos pocos micrómetros en unidades de pequeño diámetro. El polvo submicrónico no es tarea del ciclón; debe pasar a un filtro de mangas o a un precipitador corriente abajo.
Las dos causas más comunes son infiltraciones de aire en la descarga de polvo, a menudo por un sello de esclusa defectuoso, y una tolva taponada o con puente que hace retroceder los sólidos hacia el vórtice. Ambas suelen manifestarse como una lectura anormal de presión diferencial antes de que la eficiencia se pierda visiblemente.
No. La eficiencia y la pérdida de presión aumentan conjuntamente solo hasta cierto punto. Más allá de aproximadamente 20 a 30 m/s de velocidad de entrada, la reentrada de partículas reduce la eficiencia mientras que la pérdida de presión y la erosión siguen aumentando, por lo que más potencia del ventilador es simplemente un desperdicio.
Un multiciclón divide el flujo entre muchos tubos de pequeño diámetro en paralelo. El pequeño diámetro proporciona a cada tubo un corte más fino, y su funcionamiento en paralelo mantiene la pérdida de presión total y la velocidad por tubo en niveles razonables, a costa de tener más superficies que inspeccionar por desgaste y taponamiento.
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