ESTUDIO DE LOS EFECTOS DE LA LONGITUD DEL BUSCADOR DE VÓRTICES EN LOS PATRONES DE FLUJO DE UN SEPARADOR CICLÓN REPORTE FINAL

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1 ESTUDIO DE LOS EFECTOS DE LA LONGITUD DEL BUSCADOR DE VÓRTICES EN LOS PATRONES DE FLUJO DE UN SEPARADOR CICLÓN REPORTE FINAL En este trabajo se realizó el estudio experimental de los efectos que la variación de la longitud del buscador de vórtices ocasiona sobre el desempeño del ciclón mediante el estudio de los patrones de flujo y caída de presión, para obtener información concreta acerca de los efectos de la longitud del buscador de vórtices en los parámetros antes mencionados utilizando la técnica de PIV (velocimetría por imágenes de partículas) para esto se van a utilizar tres separadores diferentes los cuales todas sus dimensiones se van a mantener constantes y el único parámetro a variar es la longitud del buscador de vórtices. INTRODUCCION: Las partes principales de un separador ciclónico son las que se muestran en la siguiente figura: Cuerpo de sección cilíndrica (3), De Base cónica (2) Entrada tangencial (1). Conducto de salida (4). b Buscador de vórtices (5). a (1) (5) (3) Dc S h (2) H (4) Fig. 1 Partes principales de un separador ciclónico B Las modificaciones hechas a los ciclones prototipo utilizados en este estudio se muestran a detalle en la figura 2. Como puede observarse la única dimensión modificada en los tres prototipos es la longitud del buscador de vórtices.

2 VARIACION DEL BUSCADOR DE VORTICES

3 Elementos del sistema Una bomba de agua Modelo R6S 1/6 HP (1) Una base metálica o soporte (2) Un rotametro de acrílico capacidad de 2 lpm resolución 1lpm (3) Una válvula de bola de acero inoxidable(4) Un recipiente de vidrio de espesor 6 mm y dimensiones de 4 cm X 4 cm X 5 cm (5) Circuito eléctrico tipo extensión con 3 apagadores y 3 contactos (6) Una lámpara de escritorio (7) Una cámara fotográfica CCD Modelo Mega Plus 18 X 116 pixeles con tripie (8) Un lente para cámara CCD de 62 mm (9) Sistema o dispositivo de sincronización (Hub) Dantec (1) Un nivel con láser marca Black and Decaer (11) Laser marca New Wave, Modelo Gemini, longitud de onda 532mm, Potencia 5 mj c/5 ns (12) Dos lamparas New Wave con controles manuales (13) Computadora personal la cual esta en red con el Hub, Procesador Pentium 4 (14) Separadores ciclónicos de vidrio (15) Partículas de polímero de 1 micras (16) INSTALACIÓN EXPERIMENTAL Fig. 3 Instalación experimental

4 TÉCNICA EXPERIMENTAL EMPLEADA La técnica utilizada para la obtención del campo de velocidades en el interior de un separador ciclónico en este caso es la técnica láser PIV (velocimetría por imágenes de partículas) la cual es una técnica de medición para obtener campos de velocidades instantáneos. En esta técnica se utiliza un láser pulsátil doble el cual se usa para medir la distribución instantánea de velocidad en un plano de flujo cuando se determina fotográficamente el desplazamiento de las partículas en el plano durante un intervalo muy breve. A diferencia de los métodos como la anemometría de hilo caliente y la LDV (laser Doppler velocimetry), que miden velocidad en un punto, la técnica PIV proporciona valores de velocidad simultáneamente dentro de toda una sección transversal, y por ende es una técnica de campo completo. La técnica PIV se ha utilizado desde mediados de la década de los años ochenta y su uso y capacidades han aumentado en las mejoras en las tecnologías de cámara de carga acoplada (CCD) y dispositivo de registro de imagen. La precisión flexibilidad de los sistemas PIV con su capacidad de capturar imágenes de todo el campo con tiempo de exposición por debajo de los microsegundos, los ha convertido en herramientas extremadamente valiosas. En la técnica PIV la propiedad a medir es la distancia recorrida por las partículas en el flujo en un intervalo de tiempo determinado dichas partículas son agregadas al flujo. Diferentes tipos de partículas son usadas dependiendo de la naturaleza del flujo que se investiga. El tipo de partícula es escogida para seguir el flujo y para detectar su movimiento, un área en el campo de flujo es iluminada por una hoja de luz. La hoja de luz, la cual es generada por un láser y un sistema de componentes ópticos no es continuo, si no que pulsa para producir un efecto estroboscópico, congelando el movimiento de las partículas como se muestra en la figura 4. Fig. 4 iluminación de las partículas por una hoja de luz generada por el láser PIV

5 Para detectar la posición de las partículas iluminadas por la hoja del láser una cámara CCD es posicionada a ángulos rectos de la hoja de luz y las posiciones de las partículas aparecerán como puntos luminosos en un fondo negro en cada marco de la cámara. La hoja luminosa pulsante enviada por el láser y la cámara son sincronizadas para que en el primer disparo de la hoja luminosa la posición de las partículas sea registrada en la imagen 1 capturada por la cámara y en el segundo disparo la posición de las partículas sea registrado en la imagen 2. Las imágenes obtenidas por la cámara son divididas en regiones rectangulares llamadas áreas de interrogación como se muestra en la figura 5. Fig. 5 Áreas de interrogación Para cada una de estas áreas de interrogación las imágenes del primero y segundo pulsos son correlacionados para producir un vector de desplazamiento promedio de la partícula y haciendo esto para todas las áreas de interrogación se produce un mapa de vectores de desplazamiento promedio de las partículas. Dividiendo con el tiempo conocido entre las dos imágenes capturadas, los vectores de desplazamiento son convertidos en mapas de vectores de velocidades. CONDICIONES DE OPERACION Las condiciones de operación para llevar a cabo la experimentación son las siguientes: El agua que está contenida en el recipiente de vidrio debe ser lo más limpia posible debido a que si contiene muchas impurezas al momento de tomar las fotos del movimiento del flujo dentro del separador ciclónico, éstas pueden ser confundidas por el programa flow map y ser consideradas como partículas y al momento de hacer el análisis del movimiento del flujo dentro del separador ciclónico se puede obtener información errónea por lo que debe cambiarse con frecuencia al menos cada 3 días. El recipiente de vidrio donde está contenida el agua y el separador ciclónico debe estar lo más limpios posible de manera que se pueda visualizar claramente la zona del separador ciclónico que se quiere analizar y las fotos tomadas por la cámara de esa zona se vean lo más nítidas posible.

6 Las conexiones de la tubería de la bomba al separador ciclónico deben estar libres de fugas ya que eso trae consigo una variación en el caudal que se requiere manejar. El separador ciclónico debe mantenerse fijo para hacer las mediciones y libre de burbujas ya que estas no permiten analizar de manera eficiente el comportamiento del flujo dentro del mismo. Por medio de una válvula de bola es como se regula el caudal, teniendo como instrumento de medición de caudal un rotámetro el cual debe ir en la instalación hidráulica antes de la válvula de bola ya que si se coloca después de ésta se generan más burbujas dentro del ciclón. El caudal manejado en las mediciones fue de 2lpm antes de realizar los disparos con el láser y obtener las fotografías se debe asegurar que en el rotámetro esté indicado el caudal que se desee medir. RESULTADOS Las mediciones experimentales que se llevaron acabo en el separador ciclónico por medio de la técnica PIV se efectuaron en tres posiciones distintas en el plano tangencial-radial de las secciones mostradas en la figura 6. PLANO TANGENCIAL-RADIAL SECCION A SECCION C POSICION SECCION B Fig. 6 Posiciones de medición en el plano tangencial-radial En las figuras 7, 8 y 9 se presentan los resultados para el perfil de velocidad tangencial medida utilizando PIV. En los tres casos se tomaron las mediciones en el plano tangencial-radial en la posición 2 con un caudal de 2lp. Sin embargo, las mediciones se llevaron a cabo cada una en un ciclón diferente.

7 V t [m/s] Fig. 7 Perfil de velocidad tangencial en el ciclón base V t [m/s] Fig. 8 Perfil de velocidad tangencial en el ciclón con el buscador de vórtices más corto V t [m/s] Fig. 9 Perfil de velocidad tangencial en el ciclón con el buscador de vórtices más largo.

8 Como puede observarse en las gráficas, la magnitud del valor máximo de la velocidad tangencial en los tres casos es prácticamente el mismo. Sin embargo, aún cuando para el ciclón considerado como la base de la comparación y el ciclón con el buscador de vórtices más corto prácticamente no existen cambios en la forma del perfil de velocidad, puede apreciarse un cambio significativo en la forma del perfil, lo cual muestra una alteración en los campos de flujo dentro del separador. En las figuras 1, 11 y 12 se presentan los perfiles de velocidad radial para los tres ciclones en la posición 2 a 2lpm V r [m/s] Fig. 1 Perfil de velocidad radial en el ciclón base V r [m/s] Fig. 11 Perfil de velocidad radial en el ciclón con el buscador de vórtices más corto.

9 V r [m/s] Fig. 12 Perfil de velocidad radial en el ciclón con el buscador de vórtices más largo. Puede observarse en las figuras 1 y 11 que los perfiles de velocidad radiales para los ciclones base y con el buscador de vórtices acortado, permanecen prácticamente iguales. Sin embargo, al alargar la longitud del buscador de vórtices se presenta un cambio en la forma del perfil de velocidad y en la magnitud de la misma. Además de monitorear los cambios en la forma de los perfiles de velocidad, se realizó el cálculo de la verticidad axial en los tres ciclones para la posición 2 a 2lpm. Los campos de verticidad obtenidos se presentan en las figuras 13, 14 y 15. Fig. 13 Campo de vorticidad promedio en el ciclón base.

10 Fig. 14 Campo de vorticidad en el ciclón con el buscador de vórtices más corto. Fig. 15 Campo de vorticidad en el ciclón con el buscador de vórtices más largo. IMPACTO: El impacto del conocimiento de los efectos de la longitud del buscador de vórtices se refleja directamente en mejoras de procesos, ahorros de energía y por consiguiente ahorros económicos.