ES2917048B2 - Sistema de retencion de particulas mediante sistemas inerciales para particulas finas y ultrafinas - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de retención de partículas mediante sistemas inerciales para partículas finas y ultrafinas

Campo técnico de la invención

La presente invención se refiere a un sistema de retención de partículas mediante sistemas inerciales para partículas finas y ultrafinas, diseñado específicamente para la retención de las citadas partículas finas y ultrafinas presentes en un aerosol, de tal forma que sea una alternativa versátil, reutilizable, con una tecnología sencilla (inercial) y que no presente una necesidad recurrente de sustitución para aplicaciones a pequeña escala. El sistema híbrido de retención de partículas mediante sistemas inerciales para partículas finas y ultrafinas objeto de la invención es de aplicación como sistema de filtración, como equipo previo a medidores de gases, y como sistema de selección de partículas menores a un tamaño de corte como equipo previo a medidores de partículas.

Antecedentes de la Invención

Hoy en día en las grandes ciudades se monitorizan tanto los gases nocivos para la salud como las partículas en suspensión, clasificadas por su tamaño, referido al diámetro de partícula dp:PM10 (dp<10 micras), PM2,5(dp<2,5 micras) y en algunos lugares las PM1 (dp<1 micras). El interés de medir las partículas más pequeñas procede, por una parte, del posible riesgo para la salud que pueden causar al ser inhaladas, ya que pueden quedarse adheridas en el tracto respiratorio y generar problemas respiratorios. Por otra parte, la instrumentación de medida ha permitido señalar a estas partículas finas como las más significativas en cuanto a su concentración ambiental, ya que su tamaño le permite permanecer suspendidas largos periodos de tiempo e incluso trasladarse a grandes distancias desde la fuente que la originó. Además de considerar el tamaño de las partículas de aerosol y su concentración en el medio, es imprescindible conocer la composición química de éste, por lo que se emplean analizadores de gases que habitualmente emplean técnicas espectrometrías (ej. espectrometría de masas, infrarrojos, laser, luz blanca etc.). Estas técnicas presentan una limitación fundamental, que es la no admisión de partículas en la muestra, ya que interfieren entre la radiación y las moléculas del gas a analizar, afectando a la fiabilidad de los resultados. Para solventar dicho problema, uno de los componentes principales de los equipos de medición de gases son los filtros absolutos de partículas. El mayor inconveniente de su uso, especialmente durante largos periodos de medida, es el de su ensuciamiento, llegando a colmatarlo y generando grandes pérdidas de carga en las líneas de transferencia hasta el analizador. Esto limita el uso de los instrumentos de medida, no solo por variar las condiciones del análisis sino porque hace preciso su sustitución. Tanto más frecuente cuanto mayor sea la concentración de partículas. Ni siquiera la dilución de la muestra resolvería el problema si el gas a medir está presente en concentraciones cerca del límite de detección.

Para solventar el problema en los equipos de análisis y medida de aerosoles, surge la idea original, de utilizar sistemas inerciales como método de separación de partículas finas y ultrafinas.

Los separadores utilizados en los medidores de partículas son de tipo inercial, bien ciclones o preimpactadores que permiten seleccionar un determinado tamaño de partícula para ser analizado. Mientras que, los filtros, eliminan la mayor parte de la materia particulada, dependiendo de sus características. Estos se componen fundamentalmente de un medio material seleccionado en función de las características físico-químicas del aerosol y de las condiciones de operación, pudiendo estar formado por: celulosa, fibras sintéticas o una mezcla de ambos. Las fibras de celulosa son irregulares y tienen poros muy pequeños, produciéndose la filtración preferentemente sobre la superficie, donde se deposita y acumula, la mayor parte de las partículas. En cambio, las fibras sintéticas, son más uniformes, y capturan el contaminante en toda la profundidad del medio, lo que permite una mayor capacidad de retención. Cuando se utilizan ambos tipos de fibras, se obtiene un medio capaz de compensar la eficacia y la capacidad de filtración.

Los ciclones, utilizados como pre-separadores presentan curvas de eficacia, que o bien eliminan parte de las partículas de interés en la medida, o no retienen partículas que los equipos son incapaces de analizar. Los preimpactadores, aunque cortan un tamaño determinado con mayor precisión; su curva de eficacia tiene forma de escalón, presentan ensuciamientos de la placa de impactación, por las partículas más gruesas. Este efecto modifica el diámetro de corte para el que fue diseñado, a lo largo del tiempo de medida. Por su parte, el depósito de filtrado en zonas críticas hace que los filtros aumenten la perdida de carga con su uso y deban ser limpiados o remplazados periódicamente ya que, de otra forma, el funcionamiento y operación de los instrumentos de medida, serían afectados

En el estado de la técnica se han encontrado ejemplos representativos de sistemas inerciales de retención de partículas sólidas y líquidas en corrientes gaseosas basados en un ciclón y un impactador conectados en serie. Las que primero incorporan una etapa de separación inercial ciclónica y luego una etapa de impactación como es el caso de la invención son los documentos: CN209198270U, CN2877878Y, EP3667038A1, CN209640049U, US2014060213A1, CN204694514U, WO2007138008A2, US2013220034A1, CN208109546U, CN111060713A, CN210119379U. Los documentos que primero incorporan etapa de impactación y a continuación etapa de separación ciclónica al contrario de la invención son los documentos: KR20160006440A, FR2964412A1, WO2015189122A1, FR2905140A1, US6688187B1, CN108760408A.

También se conocen documentos que tratan únicamente sobre impactadores inerciales de una sola etapa con capacidad de retener partículas menores de 1^m como: EP1517129A2, WO2012114458A1, KR20080105248A, CN201034869Y, KR20150049247A y KR101490328B1, en algunos casos capaces de retener mayores diámetros, entre «2.5-10 ^m que se colocan normalmente antes de los equipos para acondicionar la muestras que tienen que medir como US2004065159A1 y US2007044577A1 o mayores tamaños entre 10-70 ^m como US4764186A.

A pesar de lo indicado anteriormente, no se ha encontrado ningún documento que describa un dispositivo compacto que incluya exclusivamente las dos etapas de separación con las características y diseño igual que el sistema híbrido de retención de partículas mediante sistemas inerciales para partículas finas y ultrafinas.

El sistema objeto de la invención presenta las siguientes ventajas con respecto a los dispositivos conocidos en el estado de la técnica:

• es un dispositivo compacto y de pequeñas dimensiones que tan solo incorpora primero un ciclón y a continuación un impactador para la separación inercial ciclónica y por impactación, no necesita otros elementos ni pasivos ni activos como por ejemplo bombas para que el flujo transcurra desde su entrada a su salida, aprovecha los sistemas de bombeo de los equipos a los que se incorpora.

• puede trabajar a caudales variables, caudales menores que las anteriores invenciones y con una baja perdida de carga, y alcanzando diámetros de corte d<50>muy parecidos. Lo conveniente es que trabaje a un caudal de 1 Lpm para pérdidas de carga que no llegan a 4kPa.

• la aplicación es para acondicionar la muestra antes de introducirla en los equipos de medida, es muy útil en equipos que requieren eliminar las partículas de aerosol antes de realizar las medidas como pasa normalmente en equipo de análisis de gases. Otra aplicación es como sistemas de filtración para sustituir los elementos de filtración de partículas convencionales (filtros) o junto con ellos alargar la vida de estos y ahorrar en costes de mantenimiento.

• se puede fabricar de diferentes materiales todos ellos de fácil mecanización, normalmente se fabrican en acero inoxidable y termoplásticos, pero será en función de las características físico-químicas del aerosol con el que se emplee y de las condiciones de operación.

• no requiere de substratos especiales en la superficie de impactación, por ejemplo de aceite de silicona o grasas para evitar el rebote de partículas.

• no incorpora elementos comerciales.

Descripción de la invención

Es objeto de la invención un sistema híbrido de retención de partículas mediante sistemas inerciales para partículas finas y ultrafinas que comprende un primer cuerpo que comprende un recipiente cilíndrico situado en posición vertical con un interior cónico, dotado de una entrada tangencial y una tobera de salida que se sitúa coaxial al recipiente cilíndrico, donde el primer cuerpo está configurado para recibir una corriente a través de la entrada tangencial que el gas realice una espiral hacia abajo por la zona exterior del interior cónico, para después invertir su dirección ascendiendo por la zona interior y describiendo igualmente una hélice hacia la tobera, y un segundo cuerpo que comprende un hueco interior donde se aloja una placa de impactación, y también comprende una salida en un extremo superior lateral, donde el hueco interior del segundo cuerpo se comunica con el recipiente cilíndrico del primer cuerpo a través de la tobera, y donde el gas contacta con la placa de impactación para cambiar su dirección y salir por la salida.

En el sistema de retención de partículas mediante sistemas inerciales para partículas finas y ultrafinas objeto de la invención el primer cuerpo comprende una tolva situada en una posición opuesta a la tobera.

Breve descripción de los dibujos

A continuación, se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presentan como ejemplo no limitativo de la invención.

La figura 1 muestra una vista en explosión del sistema de retención de partículas mediante sistemas inerciales para partículas finas y ultrafinas objeto de la invención.

La figura 2 muestra una vista en sección del sistema de retención de partículas mediante sistemas inerciales para partículas finas y ultrafinas objeto de la invención.

La figura 3 muestra una vista esquemática del funcionamiento del separador ciclónico del sistema de retención de partículas mediante sistemas inerciales para partículas finas y ultrafinas objeto de la invención.

La figura 4 muestra una vista esquemática del funcionamiento del impactador del sistema de retención de partículas mediante sistemas inerciales para partículas finas y ultrafinas objeto de la invención.

Las referencias numéricas empleadas en las figuras son:

1. separador ciclónico,

2. impactador,

3. primer cuerpo,

4. recipiente cilíndrico,

5. interior cónico,

6. entrada tangencial,

7. tobera,

8. tolva,

9. segundo cuerpo,

10. hueco interior,

11. placa de impactación, y

12. salida.

Descripción detallada de un modo de realización preferente de la invención

Se debe considerar que la diferenciación entre partícula fina y partícula ultrafina la marca el tamaño de la partícula, siendo la dimensión que marca la diferencia una micra.

El sistema de retención de partículas mediante sistemas inerciales para partículas finas y ultrafinas comprende una primera parte donde se realiza una primera separación para separar partículas finas mediante un separador ciclónico (1) y una segunda parte donde se produce una segunda separación para partículas ultrafinas mediante un impactador (2), estando el separador ciclónico (1) y el impactador (2) colocados en serie.

El separador ciclónico (1) comprende un primer cuerpo (3) donde tiene lugar la primera fase, es decir la separación ciclónica, tal que el primer cuerpo (3) comprende un recipiente cilíndrico (4) situado en posición vertical con un interior cónico (5), dotado de una entrada tangencial (6) y una tobera (7) de salida que se sitúa coaxialmente al recipiente cilíndrico (4). El primer cuerpo (3) también comprende una tolva (8) opuesta a la tobera (7).

El funcionamiento es como sigue: una corriente gaseosa se introduce tangencialmente en el recipiente cilíndrico (4) mediante la entrada tangencial (6), saliendo el gas limpio a través de la tobera (7) situada en la parte superior. El modelo de flujo seguido por el gas dentro del recipiente cilíndrico (4) es el de un doble vórtice, en primer lugar el gas realiza un primer movimiento en forma de espiral hacia abajo por la zona exterior del interior cónico (5), para después invertir su dirección ascendiendo por la zona interior y describiendo igualmente un segundo movimiento en forma de hélice hacia la salida del gas por la tobera (7) del extremo superior del cuerpo cilíndrico (ver figura).

Debido a la aceleración centrífuga que experimenta el gas, las partículas de mayor tamaño, cuya inercia es suficiente para cruzar las líneas de corriente del fluido, son impactadas en las paredes del interior cónico (5), tendiendo a caer posteriormente por efecto de la gravedad hacia el extremo inferior del interior cónico (5), y se recogen en la tolva (8).

La forma cilíndrica y cónica del separador ciclónico (1) hace que se genere una aceleración centrífuga y un flujo en espiral que desciende hasta formar un primer vórtice hasta una zona de estancamiento, donde la velocidad del flujo es nula, y a partir del primer vórtice se forma un segundo vórtice ascendente para salir por la tobera (7) situada en el centro de la sección extrema superior del primer cuerpo (3).

El impactador (2) comprende un segundo cuerpo (9) que comprende un hueco interior (10) donde se aloja una placa de impactación (11), tal que el hueco interior (10) se comunica con el recipiente cilíndrico (4) del primer cuerpo (3) a través de la tobera (7).

En la tobera (7), de diámetro menor que la pared superior del primer cuerpo (3), el fluido se acelera, generándose un chorro que proyecta al fluido hacia la placa de impactación (11) situada a una distancia del borde superior de la tobera (7), a partir de ahí se produce un cambio repentino de dirección del flujo para finalmente alcanzar una salida (12) por el extremo superior lateral del segundo cuerpo (9) del impactador (2).

La primera parte del sistema objeto de la invención permite, mediante fuerzas inerciales, eliminar las partículas más gruesas que impactan sobre sus paredes, depositándose sobre estas y posteriormente cayendo o no en la tolva (8) situada en la zona inferior. De esta forma, solo pasan al impactador (2), las partículas más pequeñas, lo que evita el taponamiento de la tobera (7) de salida del primer cuerpo (3) así como el ensuciamiento de la placa de impactación (11) por las partículas de mayor tamaño.

Las dimensiones del diámetro de la tobera, del diámetro de la placa de impactación y de la distancia entre la salida de la tobera y la placa de impactación, pueden ser distintas con el fin de obtener una geometría óptima para cada aplicación de tal forma que se obtenga la mayor eficacia de retención de partículas con tamaño inferior a 1^m.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1- Sistema de retención de partículas mediante sistemas inerciales para partículas finas y ultrafinas de un gas caracterizado por que comprende:

   - un primer cuerpo (3) que comprende un recipiente cilíndrico (4) situado en posición vertical con un alojamiento interior cónico (5), dotado de una entrada tangencial (6), una tobera (7) de salida que se sitúa coaxial al recipiente cilíndrico (4) y, una tolva (8) situada en una posición opuesta a la tobera (7); donde el primer cuerpo (3) está configurado para recibir una corriente a través de la entrada tangencial (6) para que el gas realice un movimiento en forma de espiral hacia abajo por el interior del alojamiento interior cónico (5) por la zona próxima a la pared de dicho alojamiento interior cónico (5), para después invertir su dirección ascendiendo por la zona próxima al centro del alojamiento interior cónico (5) y describiendo igualmente un movimiento en forma de hélice hacia la tobera (7), y; - un segundo cuerpo (9) que comprende un hueco interior (10) donde se aloja una placa de impactación (11), y también comprende una salida (12) en un extremo superior lateral, donde el hueco interior (10) del segundo cuerpo se comunica con el recipiente cilíndrico (4) del primer cuerpo (3) a través de la tobera (7), y tal que el segundo cuerpo (9) está configurado para que la placa de impactación (11) reciba el contacto del gas y para cambiar la dirección de circulación del gas hasta salir por la salida (12).