Diseño y Validación de un Ciclón Stairmand Destinado al Filtrado Parcial de Material
Particulado
Design and Validation of a Stairmand Cyclone for Partial Filtering of Particulate
Material
Resumen
Los materiales particulados incluyen solidos o líquidos o una mezcla de ellos a escalas
micrométricas. Estas partículas, pueden ser perjudiciales para el medio ambiente y se asocia a
algunos problemas de salud humana, debido principalmente a su tamaño. Por esta situación se
han creado tecnologías para su mitigación, como los ciclones. Esta tecnología aprovecha la
energía cinética del movimiento de flujo contaminado para efectuar una separación de forma
mecánica, por ello son implementados en diversas aplicaciones industriales como en los
prelimpiadores de líquidos o gases. El objetivo de esta investigación fue diseñar un ciclón de
alta eficiencia tipo Stairmand para separación de partículas sólidas en un flujo gaseoso, con una
eficiencia del 80%, a partir de un problema de estudio, donde se conocen los parámetros iniciales
junto a las variables implicadas en el sistema. El proceso metodológico empleado para esta
investigación se centró en un estudio descriptivo-correlacional, siguiendo los siguientes pasos:
1) clasificación de las variables para calculo teórico, diseño tridimensional con análisis de
simulación, 2) determinación de los parámetros geométricos teóricos, 3) diseño y modelado de
ciclón en software Solidworks®, 4) cálculo teórico de eficiencia de colección, 5) análisis de
eficiencia de colección con Solidworks® Flow Simulation a partir de resultados de simulación.
Los resultados teóricos, aunados a los de simulación mostraron una coincidencia con error
inferior a 1%, demostrando la hipótesis planteada en esta investigación.
Palabras clave: Diseño, validación, ciclón stairmand, filtrado parcial.
Abstract
Particulate materials include solids or liquids or a mixture of them at micrometer scales.
These particles can be harmful to the environment and are associated with some human
health problems, mainly due to their size. Because of this situation, technologies have been
created for their mitigation, such as cyclones. This technology takes advantage of the kinetic
energy of the contaminated flow movement to perform a mechanical separation, so they are
implemented in various industrial applications such as pre-cleaners of liquids or gases. This
research was aimed to design a high-efficiency Stairmand type cyclone for the separation
of solid particles in a gaseous flow, with an efficiency of 80%, based on a study problem,
where the initial parameters are known together with the variables involved in the system.
The methodological process employed for this research focused on a descriptive-
correlational study, following the following steps: 1) classification of variables for
theoretical calculation, three-dimensional design with simulation analysis, 2)
determination of theoretical geometric parameters, 3) cyclone design and modeling in
Solidworks® software, 4) theoretical calculation of collection efficiency, 5) collection
efficiency analysis with Solidworks® Flow Simulation from simulation results. Together
with the simulation results. The theoretical results showed a coincidence with an error of
less than 1%, demonstrating the hypothesis put forward in this research.
Keywords: Vermicompost, organic waste, interactive and integrating.
¹Universidad Internacional
Iberoamericana (UNINI)
¹https://orcid.org/0000-0001-8538-0767
¹México
Montijo-Valenzuela, E. (2021). Diseño y
validación de un ciclón Stairmand
destinado al filtrado parcial de material
particulado. Revista Tecnológica-
Educativa Docentes 2.0, 11(1), 80-88.
https://doi.org/10.37843/rted.v11i1.196
E. Montijo-Valenzuela, "Diseño y
validación de un ciclón Stairmand
destinado al filtrado parcial de material
particulado", RTED, vol. 11, n.° 1, pp. 80-
88, sep. 2021.
Eliel Eduardo Montijo-Valenzuela¹
28/diciembre/2020
28/marzo/2021
16/abril/2021
Montijo-Valenzuela, E. (2021). Diseño y validación de un ciclón Stairmand destinado al filtrado parcial de material particulado. Revista Tecnológica-Educativa
Docentes 2.0, 11(1), 80-88. https://doi.org/10.37843/rted.v11i1.196
Diseño y validación de un ciclón Stairmand destinado al
filtrado parcial de material particulado
Introducción
El material particulado (PM) es un término
empleado para describir una mezcla de partículas
en estado sólido o gotas líquidas presentes en el
aire (EPA, 2020). La generación del PM se debe
a fuentes de contaminación naturales o de tipo
antropogénicas, como consecuencia de
actividades del ser humano (Echeverri, 2019),
teniendo serias implicaciones en suelo, aire y
agua (Sotomayor, 2018), incluso en la salud
humana; principalmente relacionada con
problemas cardiovasculares (Khaniabadi et al.,
2016; Mannucci, 2017; Fiordelisi et al., 2017; An
et al., 2018; Kirrane et al., 2019; Yin et al., 2020;
Hadei & Naddafi, 2020), sumados a los
respiratorios (Yao et al., 2018; Sicard et al.,
2019; Leikauf, Kim & Jang, 2020; Kyung &
Jeong; 2020).
Como medida precautoria para mitigar las
emisiones antropogénicas de PM, se han
implementado diversas estrategias (Sofia, 2020),
tecnologías domésticas (World Health
Organization, 2020), tecnologías industriales
(Kwiatkowski et al., 2019), entre estas últimas,
los ciclones. Los separadores ciclónicos son
reconocidos y aceptados en diversas
aplicaciones, generalmente del tipo industrial,
entre ellas, el condensado de vapor, colección de
polvos en hornos (Wang et al., 2019; Cao & Bian,
2019; Wasilewski & Brar, 2019), o en
elaboración de alimentos, minería y construcción
(Gamiño et al., 2018; EPA-CICA, 2012). Los
ciclones de alta eficiencia Stairmand, manejan
una separación eficiente de MP en diámetros
aerodinámicos de entre 5 a 10 µm (Gamiño et al.,
2018), con una eficiencia de colección promedio
del 80%.
Debido al complejo nivel de operación y
las variables de entrada-salida, el rendimiento de
los diseños de ciclones es validado mediante
simulación fluidodinámica (Makwana &
Lakdawala, 2016; Vakamalla et al., 2016; Kumar
& Jha, 2018; Gopalakrishnan & Arul-Prakash,
2019). La simulación fluidodinámica o dinámica
de fluidos computacionales (CFD, por sus siglas
en inglés), es una herramienta para resolver
numéricamente las ecuaciones del movimiento
de los fluidos con uso de computadora (Xamán
& Girón, 2015). En trabajo recientes, el uso de
herramientas CFD es aplicado a ciclones para
análisis de optimización de modelos, incluyendo
cambios en geometrías (Luciano et al., 2018), en
este contexto, existen investigaciones dentro de
literatura, que centran métodos de validación de
eficiencia en separación con ciclones, a partir de
los cálculos teóricos en conjunto con CFD.
Con base a lo anterior, en esta
investigación se toma como referencia el
siguiente caso de estudio: Diseñar un ciclón para
separar sólidos de una corriente gaseosa. La
densidad de las partículas es de 1500 kg/m
3
y el
gas es aire a 450 °C. El caudal de la corriente es
3.2 m
3
/s, y la operación es a una presión de 85.3
kPa. La concentración de las partículas es de 2.0
g/m
3
y, según las normas de emisión, se requiere
una eficiencia de separación del 80% (Echeverri,
2006, p. 135). El objetivo general de esta
investigación fue diseñar un ciclón de alta
eficiencia tipo Stairmand utilizando los
parámetros establecidos en (Echeverri, 2006)
junto con el software Solidworks®, para
posteriormente validar el porcentaje de eficiencia
de colección utilizando los análisis de
Solidworks® Flow Simulation.
Metodología
Esta investigación es de carácter
cuantitativa cuyo alcance se basa en la revisión
de literatura y estudios relacionados al campo de
aplicación, específicamente de carácter
descriptivo y correlacional. El primero busca una
especificación de propiedades, sumado a una
consideración del fenómeno de estudio y sus
componentes, para medir conceptos y definir
variables. El segundo permite una asociación
entre los conceptos y variables, permitiendo
predicciones y cuantificaciones (Hernndez-
Sampieri & Mendoza-Torres, 2014).
El alcance de esta investigación está
orientado a un estudio descriptivo-correlacional.
El estudio descriptivo se asocia a las
especificaciones de carácter geométricas y de
diseño, utilizando metodologías teóricas,
aunadas a las de simulación. En el estudio
correlacional, se pretende medir el grado de
eficiencia de los cálculos teóricos, junto a
ecuaciones aplicables con los valores obtenidos
por CFD.
Montijo-Valenzuela, E. (2021). Diseño y validación de un ciclón Stairmand destinado al filtrado parcial de material particulado. Revista Tecnológica-Educativa
Docentes 2.0, 11(1), 80-88. https://doi.org/10.37843/rted.v11i1.196
Diseño y validación de un ciclón Stairmand destinado al
filtrado parcial de material particulado
Tabla 1
Clasificación de las variables implicadas en el cálculo teórico y diseño del ciclón tipo Stairmand
Nombre
de la variable
Representación
Tipo
Naturaleza
Independiente
Dependiente
Cuantitativa
Cualitativa
Densidad del
material particulado
ρ
X
X
Temperatura de
operación de la
mezcla de aire y
material particulado
T
X
X
Caudal de entrada al
sistema
Qi
X
X
Velocidad de entrada
al sistema
Vi
X
X
Presión de operación
Po
X
X
Concentración de
partículas
PM
X
X
Área
A
X
X
Altura de entrada del
ciclón
a
X
X
Ancho de la entrada
del ciclón
b
X
X
Altura de salida del
ciclón
SA
X
X
Diámetro de salida
del ciclón
Ds
X
X
Altura de la parte
cilíndrica del ciclón
h
X
X
Altura total del
ciclón
H
X
X
Altura de la parte
cónica del ciclón
Z
X
X
Diámetro de salida
del polvo
B
X
X
Velocidad
equivalente
Veq
X
X
Velocidad de
saturación
Vsat
X
X
Tiempo de retención
Tr
X
X
Eficiencia de
colección
ni
X
X
Densidad del aire
ρg
X
X
Densidad de la
partícula
ρp
X
X
Viscosidad dinámica
del aire
µ
A
X
X
Vórtice
VRX
X
X
Gravedad
Gr
X
X
Diámetro de las
partículas
Dpi
X
X
Factor de
configuración
Gr
X
X
Número de cabezas
de velocidad
NH
X
X
Número de vórtices
N
X
X
Nota. Tipos de variables y su naturaleza, implicadas en el cálculo y diseño, elaborado por: Echeverri (2006), Hoffmann
et al., (2008), Petit & Barbosa (2013) y Petit et al., (2012).
La hipótesis de esta investigación se centra
en la validación de un ciclón Stairmand y se
formula a continuación: se puede validar un
modelo teórico de ciclón tipo Stairmand a partir
de simulación CFD, implementando los mismos
parámetros de entrada tanto en el modelo teórico
y el modelo simulado, obteniendo un error no
mayor a un 5% en el total de colección de PM.
Las variables se clasifican a través de tablas (ver
Tabla 1 y Tabla 2), donde se concentran los
aspectos más relevantes en el cálculo teórico y el
diseño del ciclón tipo Stairmand, junto con las
implicaciones dependientes e independientes en
el análisis de CFD, clasificadas por tipo y por
naturaleza. Para la tipología se establecen las
variables como dependientes e independientes, y
para la naturaleza, como cuantitativas y
cualitativas.