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Captación de neblina: Principios fundamentales y aplicaciones

Las empresas metalúrgicas utilizan captadores de neblina en sus máquinas-herramientas para proporcionar aire limpio a fin de reducir los efectos adversos de la exposición a fluidos metalúrgicos, cumplir con los estándares de calidad del aire en lugares cerrados, reducir los costes de mantenimiento, minimizar los costes de limpieza y mantenimiento, y mejorar la calidad de las piezas. Si bien los beneficios de la captación de neblina son numerosos, las opciones para los captadores de neblina pueden ser confusas. En este artículo se examinarán los diferentes tipos de captadores de neblina en función de los principios fundamentales de diseño para separar las gotas de neblina de la corriente de aire. Los temas son los siguientes:

  • Definiciones de neblina y humo
  • Eficiencia visible
  • Características de rendimiento
  • Fundamentos del funcionamiento de varios tipos de captadores de neblina
  • Optimización del filtro
  • Cómo medir la eficiencia del captador
Neblina y humo

La neblina puede definirse como una gota de líquido de 20 micras de diámetro o más pequeña. Este artículo se centra principalmente en las aplicaciones que utilizan lubricantes y refrigerantes solubles en agua y a base de aceite. Estos lubricantes y refrigerantes se utilizan en muchas aplicaciones que incluyen corte de metales, formado de metales, pulido y lavado de piezas, entre otras. Por ejemplo, las operaciones de fresado y torneado que utilizan fluidos metalúrgicos solubles en agua producen, por lo general, gotas de neblina que varían de 2 micras a 20 micras. Las mismas operaciones que utilizan fluidos a base de aceite producen, por lo general, gotas de neblina que varían de 0,5 micras a 10 micras.

El humo es generalmente un material mucho más pequeño, entre 0,07 micras y 1 micra de diámetro, y puede ser un aerosol líquido o sólido que resulta de una combustión incompleta o de la condensación de un vapor supersaturado¹. Algunas veces se le denomina «neblina generada por la temperatura» o «humo aceitoso». Las aplicaciones comunes que generan emanaciones son el forjado en frío, el maquinado de metales duros con aceite puro, el uso de depósitos de aceite lubricante en generadores grandes y el tratamiento térmico.

Eficiencia visible

Algunos fabricantes creen que si no pueden ver la neblina, no existe. Este punto de vista no reconoce el daño que la neblina submicrónica puede hacerle al entorno de fabricación, en términos de exposición del trabajador, mantenimiento y limpieza, y cumplimiento con los estándares de calidad de aire interno o de emisiones. En realidad, el ojo humano no puede ver gotas individuales más pequeñas de 40 micras, pero hay una evidencia considerable de que hay gotas de neblina más pequeñas están presentes en muchas operaciones metalúrgicas. Es posible que no las pueda ver, pero las puede oler. 

Características de rendimiento

Una función principal del captador de neblina es eliminar las gotas de neblina y de humo de la corriente de aire filtrada. Para lograr esta tarea, el captador debe mezclar gotas pequeñas con más grandes y luego debe purgar el refrigerante captado de los filtros antes de que se obstruyan.

El rendimiento de un captador de neblina puede caracterizarse por tres propiedades que se pueden medir:

  • Pérdida de presión: La pérdida de presión operativa del captador es importante como parte de la ecuación de costes de energía. Las pérdidas de carga más altas significan que se necesita más energía para extraer el flujo de aire requerido a través del captador.
  • Eficiencia: La eficiencia del captador para eliminar las gotas de neblina y de humo de la corriente de aire es importante, porque establece el calidad de limpieza que tendrá el aire cuando salga desde el captador hacia el entorno. Este es el motivo para instalar un captador de neblina: limpiar el aire. La eficiencia es clave para saber el nivel de limpieza que tendrá el aire al salir del captador.
  • Caudal: El caudal del captador es importante porque establece cuánto aire se limpiará. Si el flujo es muy bajo, el aire cargado de humo o humedad se extraerá a través del captador y no será capturado por el sistema diseñado para ese fin. Si el caudal es muy alto, la energía se pierde cuando el exceso de aire se extrae por el captador. También es deseable tener un caudal de aire constante para mantener una eficiencia de captura de gotas constante.

Además del diseño básico del captador, existen muchas propiedades de neblina que afectarán al rendimiento de un captador de neblina:

Figura 1. Distribución hipotética del tamaño de las gotas de neblina y humos procedentes de operaciones metalúrgicas.
  • Concentración de neblina: la cantidad de neblina que hay en un volumen de aire varía de manera considerable de una aplicación a otra. En las pruebas de campo, se han observado concentraciones de neblina medidas de un mínimo de 3 mg/m³ y de un máximo de 37 mg/m³. Es probable que las aplicaciones actuales tengan incluso una horquilla más amplia de concentraciones de neblina. Los límites de la OSHA para los fluidos metalúrgicos suspendidos en el aire varían de 5 mg/m³ (exposición de 8 h) para aceite mineral a 15 mg/m³ (exposición de 8 h) para otros refrigerantes. Los límites recomendados por NIOSH son inferiores, hasta 0,4 mg/m³.² En un entorno de oficina general, las concentraciones de partículas tienden a encontrarse en el rango de 0,02 a 0,03 mg/m³, que son considerablemente más bajas que las concentraciones de neblina cerca de trabajos en la industria metalúrgica.
  • Temperatura de la neblina: la condensación puede producirse cuando la neblina de temperatura alta se enfríe, lo que puede afectar el tamaño de las gotas y el medio de captación. Para los refrigerantes a base de agua, el agua se evaporará a temperaturas más altas y a niveles de humedad relativa más bajos, por lo que se generarán gotas más pequeñas. Los límites de temperatura operativa del medio filtrante también deben tenerse en cuenta a la hora de seleccionar una tecnología de captación de neblina o humo.
  • Tipo de neblina: diferentes tipos de gotas de neblina tendrán diferentes propiedades de viscosidad y tensión de superficie, que afectarán la capacidad del captador para mezclar y purgar la neblina.
  • Distribución de los tamaños de gotas de neblina: en general, es más fácil capturar gotas más grandes, pero estas también pueden contribuir de manera significativa a la masa de líquido general que se encuentra en la neblina, que finalmente debe purgarse del captador. La Figura 1 muestra una distribución hipotética de los tamaños de gotas de neblina y humo.
  • Inclusiones: si la neblina está limpia, no contiene partículas secas y solo debemos preocuparnos de mezclar y purgar el líquido. No obstante, la neblina sucia también contendrá una fracción de partículas secas (virutas) que deben separarse de la corriente de aire.
Fundamentos del funcionamiento de varios tipos de captadores de neblina

Las gotas de neblina pueden recogerse de diversas formas.

Precipitación electrostática

Los precipitadores electrostáticos alejan el aire cargado de neblina mediante un ionizador que le da a cada gota una carga positiva o negativa. Seguidamente, las gotas cargadas las capturan las celdas de captación que utilizan y alternan el voltaje alto y las placas con puesta a tierra para expulsar/extraer las gotas cargadas en la placa. Las gotas se mezclan en las placas y se purgan hacia el exterior del captador. Los precipitadores electrostáticos tienen una gran cantidad de ventajas; por ejemplo, no tienen filtros de sustitución, tienen un consumo de energía relativamente bajo y son muy eficientes cuando son nuevos y están completamente limpios. Sin embargo, actualmente están en desuso debido a unos requisitos de mantenimiento muy rigurosos y frecuentes. Las piezas dentro del precipitador electrostático deben limpiarse de una manera meticulosa a fin de mantener la eficiencia para cargar y capturar las gotas. Incluso con un mantenimiento planificado, pueden presentarse dificultades adicionales. Cualquier daño que se produzca en las placas cargadas de la celda de captación puede provocar arcos eléctricos. De forma similar, las aplicaciones en las que se recolecta polvo de metal, chispas o viruta metálica junto con las gotas de neblina pueden provocar arcos eléctricos dentro del precipitador electrostático. Por último, los precipitadores electrostáticos generan ozono, que no solo es un contaminante de aire de interior, sino también un conocido irritante.

Separación por inercia

Los captadores que dependen principalmente de la separación por inercia funcionan de la siguiente manera para separar las gotas que se transportan en una corriente de aire. Como la corriente de aire se desvía sobre una superficie, las gotas tienen un impulso y continúan su trayectoria, impactan en la superficie y, por último, se mezclan con otras gotas y se purgan. Si bien hay muchos estilos y tipos diferentes de separación por inercia, todos los separadores por inercia tienen algunas características en común. Primero, pueden funcionar sin un mecanismo de filtración de barrera: por lo general, no tienen filtros principales que se deban cambiar. Por contra, normalmente necesitan un mantenimiento bastante regular para limpiar los componentes de cualquier contaminación. Además, la separación por inercia funciona mejor en las gotas grandes, dado que captar las gotas depende de que NO sigan la corriente de aire. Las gotas más grandes tienen mayor masa, más impulso y mayor tendencia a impactar en la superficie de captura. Los separadores por inercia tienden a no funcionar correctamente con gotas más pequeñas de 1 o 2 micras de diámetro. Por último, para los separadores por inercia impulsados y giratorios, los materiales sólidos pueden recolectarse y pegarse en las piezas giratorias, que finalmente generarán una condición de desequilibrio que transmite vibración a la máquina-herramienta y puede afectar las tolerancias en las piezas mecanizadas.

Medio filtrante.

Los captadores que utilizan un medio filtrante fibroso dependen de cuatro mecanismos de filtración para eliminar las gotas de neblina y humo de una corriente de aire (consulte la Figura 2):

Figura 2. Mecanismos de filtro.
  1. El tamizado es el mecanismo de filtración predominante que capta gotas más grandes, de un diámetro de más de 10 micras. El tamizado ocurre cuando la gota es físicamente muy grande para pasar entre dos o más fibras. Es lo que evita que un insecto volador pase por una rejilla. Cuando la gota entra en contacto con una fibra, se adhiere a la superficie, se mezcla con otras gotas y se purga del captador.
  2. El impacto inercial es el mecanismo de filtración que capta principalmente gotas micrónicas y más grandes. El impacto inercial ocurre cuando la corriente de aire se desplaza de la fibra del medio, mientras que la gota continúa su trayecto principal debido a su masa.

  3. La intercepción es el mecanismo de filtración que capta principalmente gotas de 0,1 a 1 micra. La intercepción ocurre cuando una gota sigue una corriente de aire, pero de todos modos se coloca lo suficientemente cerca de una fibra como para adherirse.

  4. La difusión es el mecanismo de filtración que capta principalmente gotas muy finas, de un tamaño inferior a 0,1 micras. Al ser las gotas tan pequeñas, se ven influidas por fuerzas moleculares dentro de la corriente de aire para que se muevan en la misma dirección general que la corriente de aire, pero que continúen su trayecto.

Una vez que las gotas se adhieren a las fibras en el medio filtrante, se mezclan con otras gotas. Cuando la gota mezclada es lo suficientemente grande, la fuerza de gravedad hace que la gota se deslice por la fibra en la que se purgará. Una de las grandes disyuntivas en la filtración de neblina es equilibrar la necesidad de las gotas que se deben purgar con la necesidad de lograr una alta eficiencia. Las mayores eficiencias de filtración pueden lograrse mediante el uso de fibras más pequeñas. Por otra parte, las fibras más pequeñas necesitan resinas para lograr que los medios se mantengan juntos, y las resinas evitan que el líquido mezclado se purgue eficientemente (consulte la Figura 3). El medio filtrante fabricado con fibras pequeñas tiende a bloquearse con facilidad con el líquido capturado, como si se utilizara un filtro HEPA sin ninguna separación previa (Figura 4). Cuando el medio filtrante está fabricado con fibras grandes, las características de purga son mucho mejores, pero la capacidad del medio de capturar las gotas de neblina (en especial las más pequeñas) se ve gravemente afectada.

Figura 3. Imagen SEM del medio filtrante de poliéster/vidrio (ampliada 500 veces) que muestra una «malla» de resina entre las fibras.
Figura 4. Imagen SEM del medio filtrante de vidrio, ampliada 1000 veces.

Algunos captadores de medio fibroso utilizan medios recubiertos en filtros de mangas. Estos filtros no contienen una gran cantidad de resina, por lo que purgan eficientemente y tienen un muy buen rendimiento. Sin embargo, su estructura no es muy estable. Con el tiempo, las fibras del medio se unificarán, lo que provocará un aumento en la pérdida de presión, una reducción en el flujo de aire y una menor eficiencia de filtración.

Optimización del filtro

Una forma de lograr, tanto una mayor eficacia, como un purgado eficiente es el uso de capas. La mayoría de los captadores de neblina tienen una capa de prefiltro, que consta de fibras generalmente grandes, mallas o cribadoras que capturan gotas más grandes y permiten que se purguen con facilidad. La primera o segunda capa captura la mayoría de las gotas restantes con un medio de eficacia mayor, pero sigue manteniendo buenas características de purgado. Un filtro final se suele clasificar como filtro HEPA (99,97 % de eficiencia en partículas de 0,3 micras) o DOP (95 % de eficiencia en partículas de 0,3 micras). Estos filtros tienen una alta eficiencia y, por lo tanto, eliminan la gran mayoría de las gotas que absorben, pero purgan de una manera deficiente y tienden a obstruirse en un captador mal diseñado. Sin embargo, con un captador bien diseñado, el prefiltro captura la mayor cantidad de gotas grandes y las purga eficientemente. Luego, el filtro principal captura la mayor parte de las gotas restantes, pero experimenta menos carga porque el prefiltro ya ha capturado una parte sustancial de la masa total. Finalmente, el filtro final experimentará una carga muy baja de gotas, pero tendrá alta eficiencia. Si alguna de estas capas no funciona, todo el captador funcionará de manera deficiente.

Una manera uniforme de lograr las características necesarias de alta eficacia y purgado es mediante el uso de una tecnología de medio específicamente diseñada para tratar los problemas de filtración en la captación de neblina.

El medio Synteq XP™ de Donaldson es una mezcla de fibras pequeñas y grandes diseñado con un sistema de unión patentado sin resina. El diseño de este medio permite que el filtro principal logre su máxima ventaja. El medio Synteq XP ofrece niveles de rendimiento superiores gracias a un sistema de unión exclusivo, en el que el calor fusiona la superficie de las fibras de unión con las fibras de microvidrio circundantes. Este tipo de unión permite que la estructura de poros estable logre un rendimiento óptimo y una mayor vida útil, ya que las resinas no bloquean los poros. Ahora las fibras pequeñas pueden aumentar la eficiencia sin un sistema de resinas que pueda afectar su buen purgado característico. Las fibras grandes aún pueden ofrecer el soporte estructural general, a la vez que mantienen la limpieza de los canales de purgado para lograr un mejor rendimiento.

Cómo medir la eficiencia del captador

Otro punto interesante sobre los sistemas de captación de neblina que utilizan filtros de medios es que las características de pérdida de presión son muy diferentes respecto de los captadores de partículas secas. Los filtros capturan las partículas secas en un captador estático (no de limpieza), lo que provoca que la pérdida de presión aumente de manera considerable y que la eficiencia aumente cuando funcione el captador. Básicamente, las nuevas partículas secas tienen que pasar por una pasta de partículas secas que se hayan capturado recientemente. El polvo que se capta sirve para aumentar la eficacia de las partículas del captador.

En la filtración de neblina, la pérdida de presión aumentará moderadamente a medida que el medio se sature con líquido. Sin embargo, la eficiencia suele sufrir una pequeña disminución a medida que el captador continúa funcionando. La razón subyacente de la disminución de la eficiencia es la deficiente estructura de los poros creada por el medio fibroso en un filtro de neblina. A medida que se captura y combina el líquido, los poros pequeños se llenan o se obstruyen con el líquido. Los poros más grandes restantes se dejan para hacer todo el filtrado, lo que conduce a dos cosas:

  1. un aumento de la velocidad del aire a través de los poros restantes y una mayor pérdida de presión consecuente y
  2. un aumento de la velocidad del aire a través de los poros más grandes restantes, que son menos eficientes para capturar gotas submicrónicas, por lo que hay una reducción aparente en la eficiencia del filtro.

¿Qué significa esto para el comprador de un captador de neblina? Si se proporciona la eficacia del captador declarada en un nuevo filtro, será mayor que la eficiencia obtenida en la aplicación real. La única eficiencia verdadera y representativa es aquella que se mide utilizando un captador de neblina durante un periodo de tiempo.

Conclusión

La selección de la tecnología de un captador de neblina puede ser desalentadora. Sin embargo, se puede encontrar una buena solución si se comprenden las diferencias y las compensaciones entre las tecnologías de captación de neblina y humo fundamentales y si se compaginan las características y los objetivos de su taller.

 

1 Aerosol Measurement (medida de aerosoles), 2.ª edición, Baron & Willeke, 2001.
2 Metalworking Fluids

 

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