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Control eficiente de los captadores de polvo por pulverización térmica

Por Paul Richard, personal de ventas externas para OEM Donaldson Torit

La mayoría de las operaciones de pulverización térmica exige algún tipo de ventilación para extraer el exceso de compuestos del área de pulverización térmica. Incluso los procesos de pulverización térmica que están bien diseñados tienden a ser ineficientes en relación con la cantidad de material pulverizado que realmente se deposita en el objetivo. Se considera adecuado un 50 % de eficiencia.

Un área de avance es la intención de duplicar los recubrimientos más complejos (y más caros) de plasma y procesos HVOF (proyección térmica de alta velocidad que utiliza oxígeno como combustible) con sistemas más rentables de arco eléctrico. Los procesos de arco generan partículas muy finas y ligeras que son muy difíciles de eliminar del flujo de gas de escape. Existen sistemas de captación de polvo que han demostrado con creces su capacidad de tratar el polvo producido por la pulverización térmica. Por desgracia, la mayoría de estos sistemas funciona con controles de gestión de flujo de aire relativamente primitivos. Este artículo se centra en las ganancias operativas y el ahorro de costes que se pueden alcanzar al usarse un tecnología más inteligente para la expulsión de los restos de pulverización térmica.

 

Parte superior: Las partículas de polvo quedan suspendidas cuando la velocidad del aire supera los 17,78 m/s (3500 pies por minuto). Parte inferior: Las partículas de polvo pueden acumularse cuando la velocidad del aire es inferior a 17,78 m/s (3500 pies por minuto).
Diseño del sistema adecuado

Las grandes operaciones de pulverización térmica incluyen generalmente un espacio cerrado en el que se realiza la pulverización. Los componentes de la pulverización no utilizados se ventilan de la cabina mientras que allí entra aire fresco. Dependiendo del diseño de la cabina y de la forma del objeto que está siendo recubierto, se puede determinar el volumen de aire óptimo para un control adecuado de las partículas perjudiciales. Por ejemplo, una cabina puede necesitar 10 000 pies cúbicos por minuto (cfm) para un control adecuado del polvo. Más sería un desperdicio y menos sería insuficiente.

A partir de este punto, se puede diseñar un sistema de captación de polvo adecuado. Esto suele incluir un conducto para transportar el polvo, un filtro para eliminar el polvo del aire y un ventilador para proporcionar la energía que genera el flujo de aire. El ventilador de escape para un sistema de 10 000 cfm puede requerir una potencia de 30-40 caballos. El requisito de flujo de aire es generalmente fijo y no debería cambiar a menos que cambie el diseño de la cabina. Se acepta en general que una velocidad de 17,78 m/s a 20,3 m/s (3500 a 4000 fpm) es óptima para transportar el polvo en un conducto redondo1. Mover el aire más lentamente hará que las partículas se depositen en la parte inferior del conducto, lo que crearía un peligro de incendio y un potencial bloqueo del conducto. Mover el aire más rápido desperdicia energía de ventilación y crea un desgaste y desperfectos innecesarios en los conductos. En nuestro ejemplo, mover 10 000 pies cúbicos por minuto a una velocidad de 17,7 a 20,3 metros por segundo exige un conducto redondo de 55,8 cm de diámetro (22″). Esta selección tiene un área transversal de 0,245 metros cuadrados (2,6398 pies cuadrados), lo que genera una velocidad de 19,2 m/s (3788 pies por minuto).

Ventiladores y presión estática

Los ventiladores industriales crean un vacío parcial que atrae el aire a través del sistema. Este vacío parcial se conoce como presión estática y, en general, se mide en «pulgadas de columna de agua». Quienes diseñan el sistema usan diferentes modelos matemáticos para calcular la presión estática necesaria para lograr el flujo de aire deseado. Entre los factores de un sistema que afectan a la presión estática requerida se encuentran los siguientes:

  • tamaño y geometría del contenedor de pulverización térmica,
  • la cantidad y el radio de codos (o curvas) del conducto,
  • longitud total de los conductos en el sistema,
  • diámetro del conducto usado y velocidad del aire,
  • selección del captador de polvo y
  • elementos filtrantes secundarios (como filtro HEPA o silenciador de escape).

Muchos de estos factores no alteran el curso operativo del sistema. Las excepciones son los filtros del captador de polvo y los filtros HEPA. A medida que el polvo se acumula en los filtros, aumenta la pérdida de presión o la resistencia a través de los filtros. El sistema necesita una presión estática adicional para superar la acumulación de polvo en la superficie de los filtros.

Los ventiladores se seleccionan normalmente para asegurar el flujo de aire adecuado a lo largo de la vida útil de los filtros, incluyendo la suficiente presión estática para mantener el flujo de aire cuando los filtros alcanzan el fin de su vida útil. Los filtros que se aproximan al final de su vida útil perderán más presión que los filtros nuevos. Para prolongar la vida útil de los filtros del captador de polvo en la pulverización térmica, se diseñan para limpiarse en línea, mientras funciona el sistema. La acumulación repetida de polvo, seguida de un ciclo de autolimpieza del captador de polvo, causa una menor fluctuación del requerimiento de presión estática del sistema. Si no se presta atención, el sistema puede experimentar aumentos y disminuciones del flujo de aire con los problemas asociados de asentamiento de polvo en el conducto o dentro de la cabina de pulverización térmica.

Un flujo de aire excesivo en la cabina de pulverización térmica puede afectar la calidad del recubrimiento, porque aleja el material proyectado hacia la pieza a recubrir. Para evitar estos problemas potenciales, se debe controlar el volumen de aire. El dispositivo más común para controlar el ventilador es el regulador, que crea una carga artificial en el ventilador para «sintonizar» el flujo de aire deseado. Para mantener el flujo de aire, se debería poder abrir y cerrar el regulador según fuera necesario y así mantener la velocidad deseada en el conducto2. Esto rara vez se realiza con la precisión adecuada para lograr el flujo de aire constante indicado a través del sistema y, si se hiciera de manera manual, requeriría la supervisión constante de una persona cualificada. Lo que resultaría caro y complejo y explica por qué la mayoría de las empresas de pulverización térmica adoptan una mentalidad de «instalar y olvidar» (es decir, sin supervisión posterior) sobre el control del ventilador.

Controladores de frecuencia variable y sistemas de control del flujo de aire

Una forma más acertada de controlar el ventilador y de mantener el flujo de aire de manera constante en el sistema es mediante una transmisión de frecuencia variable (VFD). Una VFD controla el motor del ventilador a una velocidad de revoluciones específica, basada en la regulación de la frecuencia hertz. Mientras que la corriente trifásica normal en Estados Unidos suele funcionar a una frecuencia de 60 Hz, una VFD permite al operario seleccionar una frecuencia específica para acelerar o desacelerar la velocidad de rotación del ventilador. En un sistema ideal, el sistema funcionaría a plena velocidad solo cuando la carga de la presión estática de los filtros sucios lo necesite. El resto del tiempo, el ventilador funcionaría a una velocidad menor para generar exactamente la misma cantidad de presión estática requerida. Este método de funcionamiento aporta ahorro de costes. Comparado con los operarios que usan el enfoque de «instalar y olvidar», donde siempre hacen funcionar sus sistemas de captación de polvo con velocidades más rápidas de lo necesario (para asegurar la completa ventilación de la cabina de pulverización térmica), el enfoque VFD usa un sistema inteligente que funciona con el caudal de aire exacto y necesario para ahorrar energía.

Existen modelos matemáticos que ayudan a demostrar esto; usan algunos supuestos simples y algunas variables del sistema. Generalmente, una actualización a la VFD y al sistema de control del flujo de aire se amortizan en menos de dos años y, más importante aún, el sistema de captación de polvo funcionará con la velocidad adecuada. Esto puede ahorrar el desgaste y evitar los desperfectos del sistema, especialmente en los filtros de carga de superficie de alta calidad requeridos para la pulverización térmica. Cualquier decisión que se tome para la actualización a la VFD y al sistema de control del flujo de aire debería incluir los siguientes ahorros como factores:

  • Costes de los filtros
  • Costes de mano de obra
  • Costes de eliminación
  • Costes de inventario
  • Costes de envío (para los filtros nuevos y la eliminación de los filtros antiguos)
  • Proceso de calidad
  • Estabilidad de funcionamiento del sistema y mantenimiento adecuado del flujo de aire en el sistema
Control de la VFD

Una vez que se toma la decisión de usar una VFD, el siguiente paso consiste en determinar el método para proporcionar la entrada continua. El objetivo es mantener el flujo de aire deseado sin importar las fluctuaciones del sistema de presión estática. Con el uso de un dispositivo para medir el flujo de aire instalado en el sistema de conductos, el controlador puede regular la velocidad del ventilador para corregir los cambios. Estos instrumentos se indican para limpiar el aire ambiente y, por lo tanto, se suelen instalar en el conducto tras haber filtrado el aire. Este podría ser un conducto en la salida del ventilador con la longitud necesaria para proporcionar una indicación suave y fiable del flujo de aire total que se desplaza por el sistema.

Un método alternativo es medir la presión estática del sistema, en lugar del flujo de aire real, en un punto del sistema de conductos justo antes de que el aire entre en el captador de polvo. A un flujo de aire indicado, la cantidad de estática necesaria es una función de factores que deberían permanecer inalterados mientras que el sistema no se cambie mecánicamente. Los filtros se ensuciarán y luego se limpiarán, pero la presión estática en la entrada del captador de polvo continuará siendo la misma como si el sistema funcionara con el flujo de aire indicado. Un controlador que mantiene esa presión estática es la manera más simple para controlar de forma efectiva una VFD en un sistema de captación de polvo. A medida que los filtros acumulan resistencia, el flujo de aire que suministra el ventilador cae. Esta reducción del flujo de aire necesita una presión estática menor en el conducto frente al captador; de esta manera, el controlador indicará a la VFD que aumente la potencia para mantener la presión estática. En sentido contrario, cuando se limpian los filtros por pulsos, la resistencia en el sistema cae y la VFD disminuirá la potencia para mantener el mismo nivel de presión estática. El resultado es un flujo de aire suave con los beneficios asociados y los ahorros que esto conlleva.

Consideraciones

Existen situaciones en las que el uso de la VFD y del sistema de control del flujo de aire tienen ventajas limitadas. Cuando se usa un captador de polvo individual (y un solo ventilador) para hacer el mantenimiento, de manera intermitente, de una o dos celdas cada vez en un sistema de celdas de pulverización térmica múltiple, no existe una forma sencilla para utilizar la potencia variable del ventilador de manera eficiente. Esta es una limitación del sistema de conductos, no una limitación de la VFD.

Conclusión

La tecnología de pulverización térmica está evolucionando y los nuevos enfoques a menudo crean mayores problemas para los componentes asociados, como los sistemas de escape. Como alternativa, los avances en los subcomponentes pueden ayudar a puntualizar las operaciones de pulverización térmica en general y casi todos los sistemas de captación de polvo de pulverización térmica que existen se pueden beneficiar con el uso de controladores de frecuencia variable. Es cada vez más evidente la importancia del control preciso del flujo de aire y que los ahorros de energía se pueden incorporar como beneficio.

 

¹ Industrial Ventilation: A Manual of Recommended Practice (V: Un manual de prácticas recomendadas), 24.ª edición, American Conference of Governmental industrial Hygienists (ACGIH, Conferencia Estadounidense de Higienistas industriales Gubernamentales), pág. 3-18, Tabla 3-2.
² Esto es casi como presionar el pedal del acelerador del coche. A medida que se necesita más velocidad, el conductor añade más potencia del motor. Cuando se desea menor velocidad, la potencia del motor disminuye.

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