Separación de partículas
El método más común para separar partículas de corrientes de gas en sistemas HVAC y en aplicaciones industriales es a través de filtros de fibra. Otros procesos de separación de partículas, como ciclones, depuradores o precipitadores electrostáticos, son generalmente más complejos y, por lo tanto, solo se utilizan en áreas industriales específicas. La siguiente sección examina en detalle la filtración de fibra.
La eficiencia de un filtro para separar partículas es también conocida como eficiencia fraccionada. Esto se define como la relación entre el número de partículas de un tamaño particular que se han depositado en el filtro y el número total de partículas de este tamaño aguas arriba del filtro. La eficiencia del filtro se puede definir tanto en términos de cantidad como de masa (la masa de polvo detenido en relación con la masa de polvo total que se alimenta al filtro que se denomina arrestancia gravimétrica). Por lo tanto, al especificar el rendimiento del filtro, es importante estar siempre seguro del tamaño de partícula en el que se basan los datos y si se define en términos de cantidad o masa. Solo se pueden comparar valores que se hayan medido de acuerdo con el mismo estándar. Esto se debe a que los diferentes estándares generalmente se basan en diferentes métodos de medición y, por lo tanto, no son directamente comparables.
Normalmente, en aplicaciones de ventilación y HVAC de edificios, se utilizan medios de filtro de fibra, donde el tamaño medio de los poros es significativamente mayor que el tamaño de la partícula que se va a detener. Las partículas pueden entrar en el medio filtrante y pasar a través de él, en caso de que pudieran seguir perfectamente las líneas de aire. Dado que este no es el caso, existe una cierta probabilidad de que, en su camino a través del medio filtrante, las partículas golpeen una fibra, donde se depositarán y permanecerán.
Estos son los mecanismos que conducen a una partícula a que golpee una fibra. Los mecanismos son:
Intercepción: Este principio significa que la ruta en la que se mueve el centro de gravedad de una partícula pasa la fibra a una distancia de menos de la mitad del diámetro de la partícula. Por tanto, la partícula golpea la fibra y se deposita allí. La probabilidad de que una partícula golpee una fibra debido a la intercepción aumenta con el tamaño de la partícula. La intercepción domina la arrestancia para partículas con diámetros entre 0,5 y 1 μm.
Inercia: Debido a las fuerzas de inercia, las partículas no pueden seguir completamente las líneas de corriente de aire que fluyen alrededor de una fibra. En cambio, golpean las fibras a cierta proximidad en un camino menos curvo. La importancia de la inercia para la recolección de partículas aumenta con el aumento de la masa de partículas (es decir, el diámetro de las partículas) y el aumento de la velocidad de las partículas. En el caso de la velocidad típica del aire en la filtración de aire, el efecto de inercia se vuelve dominante a partir de un diámetro de partícula de ›1 μm.
Difusión: Debido al movimiento térmico irregular conocido como movimiento browniano, las partículas oscilan. Esto significa que algunas partículas muy pequeñas que de otro modo pasarían por una fibra, las golpean y se depositan allí. La colección de partículas basada en difusión aumenta con la disminución del tamaño de las partículas y la disminución de la velocidad del aire. Suponiendo que no haya una interacción electrostática predominante, las nanopartículas (es decir, partículas con un diámetro de <100 nm) se depositan casi exclusivamente por difusión.
Electrostática: La interacción electrostática hace que las partículas sean atraídas hacia las fibras. Si las partículas y las fibras tienen cargas electrostáticas opuestas, se atraerán entre sí. Sin embargo, si solo la fibra o partícula está cargada electrostáticamente, también es suficiente polarizar la contraparte respectiva para generar una fuerza de atracción.
La colección de partículas basada en interacciones electrostáticas disminuye al aumentar la velocidad del aire. En la filtración de aire industrial, este efecto se utiliza en medios electret, en los que las fibras se cargan electrostáticamente selectivamente en el proceso de producción. Debido a que los campos electrostáticos aumentan la eficiencia de filtración de los medios filtrantes sin aumentar la resistencia al flujo y, por lo tanto, la caída de presión, tales medios filtrantes son particularmente eficientes energéticamente. Sin embargo, existe la posibilidad de que bajo ciertas condiciones (por ejemplo, humedad muy alta o una proporción muy alta de partículas submicrónicas en el aire a filtrar) la carga electrostática pueda reducirse durante la operación de filtración. En última instancia, esto podría conducir a una disminución en la eficiencia de filtración del filtro.
Por tanto, es necesario asegurar una cierta eficacia de filtración mínima, basada puramente en mecanismos mecánicos de recogida de partículas y que siga siendo eficaz incluso después de la eliminación completa de todas las cargas electrostáticas. Es importante encontrar un equilibrio óptimo entre la recolección de partículas electrostáticas energéticamente eficientes y la recolección puramente mecánica. En la práctica, sin embargo, cualquier pérdida de eficiencia de filtración provocada por la reducción de la carga puede compensarse al menos en parte por el aumento de la eficiencia de filtración asociado con la mayor carga de polvo del filtro.
El fenómeno de aumento de la eficiencia del filtro debido a la carga electrostática se ilustra en la Figura 1.
La curva 1 muestra la eficiencia del filtro sin depender de la carga electrostática, mientras que la curva 2 corresponde al filtro con una carga decreciente después de un corto período de tiempo.
Figura 1: Aumento de la eficiencia debido a la carga electrostática.
En la práctica, los mecanismos de recolección de partículas descritos anteriormente ocurren todos simultáneamente y se superponen en consecuencia. Esto da como resultado una dependencia total de la eficiencia fraccional en función del tamaño de partícula como se muestra en la Figura 2. La curva con un mínimo distintivo en el rango de tamaño de partícula entre 0.1 y 0.5 μm es típica de la filtración de carga profunda con medios de filtro de fibra. Las partículas más pequeñas se pueden detener de manera muy eficiente debido a la difusión. Para partículas más grandes, se logran altos niveles de recolección de partículas debido a la inercia y la intercepción. El tamaño de partícula con la arrestancia más baja y la mayor penetración generalmente se conoce con la abreviatura MPPS (Tamaño de partícula más penetrante). Con el aumento de la velocidad del aire, la eficiencia fraccional mínima disminuye y se desplaza hacia partículas más pequeñas.
Figura 2: Mecanismos de transporte en la separación de partículas en fibras.
Eliminación de contaminantes gaseosos
Además de las partículas, se pueden encontrar en el aire una amplia variedad de tipos y concentraciones de gases contaminantes.
- Adsorción y absorción
Técnicamente hablando, estos se eliminan en gran medida del aire por sorción, es decir, adsorción o absorción. La adsorción se refiere a la acumulación de sustancias de la fase gaseosa (adsorbato) en la superficie de un sólido (adsorbente). Esto es diferente de la absorción, en la que las sustancias penetran en el interior de un sólido o líquido y se disuelven en él.
La adsorción es generalmente un proceso físico, en el que los átomos o moléculas se adhieren a la superficie de un sólido a través de las fuerzas de van der Waals. En este caso, hablamos de fisisorción. La fuerza de esta fuerza adhesiva depende de la combinación de materiales.
La velocidad de sorción (es decir, la cantidad de gas contaminante depositado o liberado por unidad de tiempo) depende de la temperatura, la concentración de gas contaminante y la velocidad de difusión desde la fase gaseosa hacia o desde la superficie del adsorbente.
- Absorbentes comunes
El adsorbente más utilizado en aplicaciones técnicas es el carbón activado, que suele adsorber una gran cantidad muy inespecífica de gases diferentes, como los hidrocarburos alifáticos o cíclicos (COV) y los alcoholes. Por esta razón, se utiliza a menudo para detener los olores en sistemas de climatización de edificios y tratamiento de aire industrial. En el uso práctico, la alta afinidad del vapor de agua (humedad) por el carbón activado es problemática ya que, en el caso de fisisorción pura, el agua puede desplazar (desorber) muchas otras sustancias y disminuir la eficiencia de adsorción del carbón activado.
