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Un Caso de Colección con Cartucho de Flujo de Aire Descendente

Por John Woolever, Gerente de Productos de Donaldson Torit

Durante las últimas décadas, la colección de polvo usando elementos de media filtrante plisada, conocidos como cartuchos, se ha convertido en una solución generalizada para requisitos de ventilación industrial. Los equipos de colección de polvo con cartucho se pueden agrupar en dos categorías según la orientación del cartucho y el diseño de flujo de aire del gabinete:

1) Un diseño de colector de flujo descendente con filtros tipo cartucho colocado horizontalmente y la entrada de aire sucio colocada sobre todo el medio de filtración y

2) Diseños de colector de flujo transversal o ascendente con filtros tipo cartucho colgados verticalmente y la entrada de aire sucio colocada debajo o en el costado del medio de filtración.

Algunos miembros del mercado de ventilación industrial afirman que un colector con cartuchos colgados verticalmente es superior; ellos mencionan ejemplos anecdóticos sin datos que los respalden. Sin embargo, existen hechos creíbles que respaldan las ventajas de un diseño de colector de flujo descendente, como se menciona en el Manual de ventilación industrial de la Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales (ACGIH®):

La Sección 8.3.2 del Manual de ventilación industrial señala que una investigación patrocinada por la EPA¹ avaló los resultados de rendimiento superiores obtenidos del flujo descendente del aire sucio. Este flujo descendente reduce la redeposición, puesto que ayuda a la gravedad para el movimiento de partículas de polvo hacia la tolva.

Antes de analizar otros factores en este tema, es útil revisar brevemente los orígenes de la colección con cartuchos.

Durante la década del setenta, los colectores de cartuchos se diseñaron originalmente para replicar a los colectores de polvo con filtros tipo bolsa que contenían filtros de bolsa de tela colgadas verticalmente, donde al aire sucio ingresaba al colector por debajo de los filtros. (Consulte la imagen A.) El medio plisado de un elemento de filtro tipo cartucho proporcionó una eficiencia de filtración superior y emisiones reducidas versus una bolsa de tela comparable. Sin embargo, el nuevo estilo de colector de polvo presentaba muchas de las mismas limitaciones de su predecesor con filtros tipo bolsa, que incluían:

  • El polvo descargado desde los filtros tipo cartucho limpiados igual debía luchar contra el aire entrante para asentarse en la tolva o en el recipiente de contención. Esto daba lugar a que el polvo reingresara a la superficie del medio de filtración, con la consiguiente caída de presión operativa neta más alta y una durabilidad más reducida.
  • Las actividades de cambio de filtro seguían tomando demasiado tiempo, eran sucias y, generalmente, desagradables, porque el mantenimiento de los filtros exigía que un operador abriera la cámara de aire sucio mediante una gran compuerta de acceso.
A) Cartucho vertical de flujo ascendente B) Cartucho vertical de flujo cruzado C) Cartucho original de flujo descendente D) Cartucho evolucionado de flujo descendente con entrada hacia la zona de depósito
A) Cartucho vertical de flujo ascendente
B) Cartucho vertical de flujo cruzado
C) Cartucho original de flujo descendente
D) Cartucho evolucionado de flujo descendente con entrada hacia la zona de depósito

En el transcurso de los años, se realizaron mejoras de diseño en el colector colgado verticalmente para incluir entradas laterales (que permitían al operador ingresar al colector por el lado del medio de filtración en lugar de debajo de él). Esto permitió una cierta reducción del reingreso de polvo. Sin embargo, las partículas de polvo limpiadas igual se veían afectadas por el aire entrante y los procesos de cambio de cartucho igual exponían a los operadores y al entorno del colector de polvo a una gran abertura a la cámara de aire sucio. (Consulte la imagen B.)

Finalmente, durante la década de los ochenta, se logró un avance al rotar la orientación del filtro de cartucho de vertical a horizontal y al colocar la entrada de aire sucio sobre todo el medio de filtración. Este cambio permitió crear un patrón de flujo de aire entrante alineado con la ubicación final deseada del polvo descargado desde los filtros de cartucho limpiados. Como la gravedad dirige naturalmente las partículas de polvo descargadas hacia el recipiente de contención ubicado en el fondo del colector, el patrón de aire entrante de un colector de flujo descendente ahora puede ayudar en el movimiento de partículas al recipiente de almacenamiento en la base de la unidad, en lugar de obstaculizarlo. (Consulte la imagen C).

Este diseño de gestión mejorada del flujo de aire redujo el reingreso de polvo, mejorándola aún más con el uso de filtros de cartucho que contienen un medio de filtración de nanofibra para carga de superficie. Las reducciones en el reingreso de polvo pueden, a su vez, reducir la caída de presión operativa, prolongar la vida útil y reducir el consumo de aire comprimido utilizado para elementos del filtro de limpieza por pulsos; todo esto redunda en beneficio del gasto operativo del colector de polvo y optimiza el costo total de propiedad del colector.

Colector de flujo descendente (izquierda) versus colector colgado verticalmente (derecha)

Los métodos avanzados de análisis de flujo de aire han permitido otras mejoras en los diseños de colector de flujo descendente. La optimización del espacio entre cartuchos y la dimensión de la pared entre el cartucho y el gabinete permiten una mayor capacidad de filtrado de aire para el tamaño de carcasa de colector determinado. El ejemplo de análisis de la derecha compara los resultados de diseños de gestión de flujo de aire sofisticados para un colector de flujo descendente y de entrada lateral. El colector de flujo descendente de la izquierda muestra velocidades más bajas en la cámara de aire sucio, lo que permite que las partículas de polvo se desprendan del flujo de aire con mayor eficiencia. Por el contrario, el colector colgado verticalmente de la derecha muestra velocidades más altas, así como patrones de “barrido” ascendente en la sección de la tolva, lo que afecta la manera en que las partículas de polvo limpiadas se asientan en el recipiente de contención debajo de la tolva.

Es posible obtener incluso más beneficios con los nuevos enfoques de colocación de la entrada de aire limpio para lograr un bajo nivel de pérdida antes de la separación. Los avances recientes en el diseño muestran que la capacidad de flujo de aire aumenta cuando la entrada de aire sucio se coloca en orientación de flujo descendente, lejos del medio de filtración. Esta zona de desprendimiento permite que el material particulado pesado se desprenda del flujo de aire sin tocar el medio de filtración y también permite una distribución uniforme del flujo de aire, eliminando los “puntos problemáticos” de alta velocidad que pueden desgastar el medio de filtración en forma prematura. (Consulte la imagen D.)

Algunos fabricantes de colectores hacen referencia a imágenes anecdóticas de filtros horizontales con acumulación de polvo atravesados sobre las superficies superiores de los elementos del filtro. En realidad, los colectores de flujo descendente diseñados, operados y mantenidos en forma correcta poseen sistemas de limpieza por pulsos inversa que limitan esta acumulación de polvo en las superficies del medio de filtración. Un proveedor de colectores tipo cartucho experto debe ser capaz de proporcionar datos de firmas de pulsos integrales que cuantifiquen la energía de limpieza suministrada al medio de filtración.

En fecha reciente, se incorporó al mercado un importante descubrimiento en la tecnología de limpieza por pulsos y, actualmente, solo está disponible en una configuración de flujo descendente con cartuchos. Con un diseño que controla la expansión de aire comprimido y la minimización de pérdidas de suministro de energía del sistema de limpieza por pulsos, se ha comprobado que el nuevo sistema de limpieza ofrece un 27% más de energía de limpieza por impulsos. La mayor energía de limpieza puede incrementar la capacidad de filtración y reducir el consumo de energía de aire comprimido.

Cuando combinamos un diseño de gestión de flujo de aire superior, un rendimiento de limpieza por pulsos eficaz y un medio de filtración de nanofibra para carga de superficie en un solo paquete, un colector de polvo de flujo descendente puede ofrecer beneficios impresionantes de capacidad de filtración de aire. Una manera de evaluar la capacidad de flujo de aire de un colector es comparar las tasas de flujo de aire volumétrico con el área del medio de filtración. Esta proporción de aire a medio (AMR) o velocidad de filtración normalmente se usa para dimensionar los equipos para aplicaciones específicas.

Más allá del rendimiento y la capacidad del colector de polvo, la escalabilidad y la facilidad de configuración son dos ventajas adicionales que tienen los colectores de flujo sobre los colectores colgados verticalmente. La orientación horizontal del filtro del colector de flujo descendente permite colocar los cartuchos en una matriz que puede aumentar en altura y en ancho para brindar una mayor flexibilidad y reducciones de la huella total en el piso del taller. Los colectores colgados verticalmente poseen solo una capa de filtros, de manera que los aumentos en el área del medio de filtración requieren aumentos en el ancho y la profundidad porque la altura es fija. Con frecuencia, esto da lugar a una huella total más grande para permitir una capacidad mayor de manipulación de aire.

Las ventilas contra explosión son otra área donde los colectores de flujo descendente se diferencian de los colectores con elementos verticales. Las ventilas de alivio contra explosión se pueden ubicar en el techo o en el costado de un colector de flujo descendente sin modificar la huella del equipo. Como las ventilas contra explosión se deben colocar en el costado de los colectores colgados verticalmente, normalmente requieren un mayor espacio para dirigir las ventilaciones hacia arriba. Numerosas instalaciones prefieren ventilas orientadas hacia arriba o montadas en el techo debido a que la parte frontal de la llama de deflagración y los materiales descargados durante el evento de deflagración se dirigen hacia arriba, donde existe una exposición reducida a áreas ocupadas.

Para terminar, el proceso de cambio de filtro en un colector de flujo descendente simplifica el reemplazo de elementos y ayuda a minimizar la exposición del operador a contaminantes recolectados en comparación con el diseño de colector colgado verticalmente más antiguo. Generalmente, el colector de flujo descendente posee cubiertas que proporcionan acceso a solo algunos cartuchos por vez. Esta puede ser una excelente ventaja si el colector está ubicado a la intemperie en lugares donde puede haber mucho viento. Los colectores antiguos colgados verticalmente comúnmente requieren puertas de acceso más grandes que exponen al operador y al área circundante a toda la cámara de aire sucio. La remoción de cartucho horizontal del colector de flujo descendente además es más simple y más limpia, ya que exige al operador colocar solo su brazo en el colector para alcanzar los filtros tipo cartucho. Los colectores colgados verticalmente exigen el uso de herramientas especiales para acceder a la enorme cámara de aire sucio o bien, exigen al operador ingresar físicamente (lo que tal vez se considere ingreso a un espacio confinado) para acceder a los filtros tipo cartucho que están más profundamente en la estructura del gabinete. Aunque casi todos los diseños de colectores de polvo permiten la instalación de plataformas industriales para acceder al filtro, los colectores de flujo descendente también ofrecen una opción de acceso por escalera para ayudar a reducir el impacto en el área del taller.

Debido a la puerta más grande y al acceso más difícil a los filtros tipo cartucho, así como a los filtros normalmente más grandes y pesados, el reemplazo de filtros en colectores colgados verticalmente suele requerir una plataforma, un elevador o algún otro tipo de asistencia de acceso compleja.

Más de 40 años después de su aparición, los colectores tipo cartucho siguen constituyendo una solución atractiva y económica para operadores de instalaciones en numerosas industrias diferentes. Los colectores de flujo descendente ofrecen reducción de reingreso de polvo, huella minimizada, mayor flexibilidad de configuración y experiencia superior en el cambio de filtros. Si consideramos estos beneficios para el usuario, la propuesta de recolección de flujo descendente con cartuchos es evidentemente la mejor.

Podemos ayudarte a obtener la solución óptima para tu aplicación.

¹ Leith, D.; Gibson, D.D.; First, M.W.: Performance of Top and Bottom Inlet Pulse-Jet Fabric Filters. Boletín de la Air Pollution Control Association 24:1150 (1974).
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