Diseño de un cabezote de un impactador de alto volumen PM 5, PM 2.5 y PM 1 um : software de ayuda pedagógica y tutorial de diseño del equipo

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(1)DISEÑO DEL CABEZOTE DE UN IMPACTADOR DE ALTO VOLUMEN PM 5, PM 2.5 Y PM 1 µm, SOFTWARE DE AYUDA PEDAGÓGICA Y TUTORIAL DE DISEÑO DEL EQUIPO. JORGE LUIS ÁVILA CASTAÑEDA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ D.C., ENERO DE 2004.

(2) DISEÑO DEL CABEZOTE DE UN IMPACTADOR DE ALTO VOLUMEN PM 5, PM 2.5 Y PM 1 µm, SOFTWARE DE AYUDA PEDAGÓGICA Y TUTORIAL DE DISEÑO DEL EQUIPO. JORGE LUIS ÁVILA CASTAÑEDA Propuesta de proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Químico.. Director NESTOR Y. ROJAS Ph.D. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ D.C., ENERO DE 2004.

(3) IQ-2003-2-03. Nota de Aceptación. ____________________________ ____________________________ ____________________________. ____________________________ Asesor. ____________________________ Jurado. ____________________________ Jurado. Bogotá, Enero 31 de 2004.. 3.

(4) IQ-2003-2-03. A mi mamá.. 4.

(5) IQ-2003-2-03. AGRADECIMIENTOS. El autor expresa sus agradecimientos a:. •. Profesor Nestor Y. Rojas, Ph.D., por su enseñanza en el proceso.. •. A Maria Alejandra Delgado, por su ayuda durante la elaboración de este proyecto.. 5.

(6) IQ-2003-2-03. TABLA DE CONTENIDO. Pág.. INTRODUCCIÓN. 11. JUSTIFICACIÓN. 13. OBJETIVOS. 15. 1. ANTECEDENTES. 16. 2. IMPACTACIÓN. 18. 2.1. INERCIA DE LAS PARTÍCULAS. 19. 2.1. NUMERO DE REYNOLDS. 20. 2.2. NUMERO DE STOKES. 21. 2.3. FACTOR DE CORRECCIÓN DE CUNNINGHAM. 22. 3. TIPOS DE IMPACTADORES. 24. 3.1. IMPACTADORES DE BAJO VOLUMEN. 26. 3.2. IMPACTADORES DE ALTO VOLUMEN. 30. 3.3. CONFIGURACIÓN REDONDA. 31. 3.4. CONFIGURACIÓN RECTANGULAR. 32. 4. METODOLOGÍA DE DISEÑO. 34. 4.1. MODELO DE DISEÑO. 35. 4.2. VARIABLES DE DISEÑO. 37. 6.

(7) IQ-2003-2-03. 4.3. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO. 41. 5. RESULTADOS. 44. 5.1. DIMENSIONES Y COMENTARIOS DE DISEÑO. 47. 5.2. COMPORTAMIENTO ESPERADO DEL DISEÑO. 50. 5.3. DESVIACIÓN ESPERADA. 51. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 53. BIBILIOGRAFIA. 55. 7.

(8) IQ-2003-2-03. LISTA DE FIGURAS. Pág.. Figura 1. Trayectoria de la corriente gaseosa y comportamiento de las partículas desviadas. 19. Figura 2. Curvas de eficiencia teórica para impactadores rectangulares y redondeados. Ambos con T/W = 1. 21. Figura 3. Equipo de impactación personal, Impactador Personal en cascada y bomba de succión portátil.. 27. Figura 4. Vista del impactador personal en cascada Sioutas®.. 28. Figura 5. Diagrama esquemático de un Impactador Virtual. 29. Figura 6. Diagrama esquemático del equipo.. 49. 8.

(9) IQ-2003-2-03. LISTA DE TABLAS. Pág.. Tabla 1. Parámetros de Diseño.. 44. Tabla 2. Dimensiones del cabezote diseñado.. 47. Tabla 3. Comportamiento esperado del diseño final.. 50. 9.

(10) IQ-2003-2-03. LISTA DE ANEXOS. Pág.. Anexo A. TUTORIAL DE DISEÑO DE IMPACTADORES INERCIALES.. 58. Anexo B. SOFTWARE DE DISEÑO DE IMPACTADORES INERCIALES.. 74. Anexo C. MANUAL DEL USUARIO.. 75. Anexo D. PLANOS. 80. Anexo E. RECOMENDACIONES DE LIMPIEZA Y MANTENIMIENTO DEL EQUIPO. 81. Anexo F. COTIZACIONES DE MANUFACTURA. 83. 10.

(11) IQ-2003-2-03. INTRODUCCIÓN. El creciente desarrollo industrial y el aumento en el uso del vehículo particular han disparado el nivel de material particulado presente en la atmósfera en las dos últimas décadas, hecho que se evidencia en la presencia de suciedad en los edificios y construcciones contiguas a las avenidas donde existe un alto flujo vehicular.. Así. mismo, se puede observar una gruesa capa de smog sobre las ciudades y desde otra perspectiva con el aumento que se ha presentado en las últimas dos décadas, en el diagnóstico de enfermedades con compromiso respiratorio severo.. Es de gran importancia para los habitantes de dichas ciudades reconocer cuales son las fuentes primarias de esta contaminación y actuar de tal manera que no se siga con la exposición de su salud a tales circunstancias. Para esto es necesario contar con los equipos adecuados, además de poseer grupos de investigación interesados en la materia.. Existen diversos equipos que sirven para medir la concentración y otras propiedades del material particulado. Uno de los equipos mas empleados son los llamados Impactadores de Alto Volumen. Las ventajas que este equipo tiene son su sencillo funcionamiento, la gran cantidad de material recolectado por unidad de tiempo y los bajos costos de mantenimiento.. 11.

(12) IQ-2003-2-03. En la Universidad de los Andes se cuenta con un equipo de estas características, el cual tiene una limitación y es que tan solo clasifica el material en mayores y menores a 10 µm. Cuando de realizar estudios sobre la salud se trata, es de gran ayuda tener el material clasificado en una mayor cantidad de tamaños.. En busca de lo anterior, se realizó un diseño detallado de un cabezote que permite recolectar una gran cantidad de material por unidad de tiempo y que clasifica el recolectado en cuatro tamaños diferentes, consistiendo de piezas fijas intercambiables lo que le da una mayor versatilidad.. Este diseño se acompaña de unas consideraciones propias y recomendaciones en la construcción, además en el anexo A, se incluye una guía para el diseño de estos equipos, como anexo B se adjunta un programa en MS Excel1 que ayuda en la elaboración de los cálculos.. 1. MS Excel y todas sus aplicaciones son propiedad de Microsoft Corporation.. 12.

(13) IQ-2003-2-03. JUSTIFICACIÓN. Uno de los indicadores de la creciente contaminación atmosférica a la cual Bogotá se ve expuesta, es la cantidad de material particulado presente en el aire2. A pesar de lo evidente que puede ser, son muy pocos los estudios que se han realizado al respecto, debido, tanto a las limitaciones en recursos económicos y humanos existentes en las instituciones encargadas de realizar un control y monitoreo sobre la calidad del aire en la ciudad, como por la ausencia de grupos de investigación interesados en el tema.. La necesidad de avanzar en busca de mecanismos que permitan caracterizar las condiciones del aire, hace que se busquen instrumentos que a un bajo costo proporcionen información precisa de la concentración de material particulado en el aire, y otras características, tales como la distribución de tamaño de partículas.. En este sentido, los impactadores de alto volumen poseen una ventaja respecto a otras tecnologías en las que se emplean instrumentos cuyo costo de producción es mayor, y es que la diferencia en la calidad de la información suministrada por los impactadores de alto volumen no es significativamente apreciable respecto a las otras técnicas con lo que se obtiene una excelente solución a las limitaciones económicas características de nuestra región.. 2. Tomado de http://www.dama.gov.co/ial/ial.htm, “Iniciativa de Aire Limpio para Ciudades de América Latina”, ultima visita Enero de 2004.. 13.

(14) IQ-2003-2-03. Diseñar un equipo de estas características, es decir que recolectan el material particulado presente en el aire y lo clasifican de acuerdo al tamaño de partícula, se convierte en una herramienta muy útil en busca de conocer mejor las implicaciones que el material particulado tiene sobre la salud publica.. Adicionalmente, el equipo se puede emplear para realizar mediciones puntuales en diversas industrias químicas, preocupadas por la cantidad y características del material particulado presente en su ambiente, lo cual aumenta la versatilidad del equipo.. El alcance de este trabajo, consiste en realizar un diseño detallado del equipo, con este se conseguirán cotizaciones para su futura cotización, además se desarrollará un programa de computador que facilite el proceso de cálculo, este último estará acompañado de su respectivo manual del usuario.. 14.

(15) IQ-2003-2-03. OBJETIVOS. OBJETIVO GENERAL. •. Diseño detallado del cabezote para un impactador de alto volumen PM 5, PM 2.5 y PM 1 µm.. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. •. Desarrollo de un software para el diseño de impactadores con fines pedagógicos.. •. Presentación de una compilación bibliografica a manera de tutorial acerca del funcionamiento, dimensionamiento y aplicación de un impactador de alto volumen.. 15.

(16) IQ-2003-2-03. 1. ANTECEDENTES. Los Impactadores de tipo cascada han sido empleados desde hace muchos años para la clasificación de partículas de acuerdo a su tamaño, en algunas ocasiones con fines higiénicos y en otras para estudios ambientales o toxicológicos.. Desde los primeros estudios realizados por May (1945), numerosos impactadores han sido diseñados, usados y reportados en la literatura.3 Estos han sido capaces de clasificar las partículas en un amplio rango que va desde los 5 nm hasta los 50 µm.4. Típicamente un impactador de cascada está hecho de un número de etapas de clasificación, cada una consistente de un plato perforado y seguida de un plato de impactación. En cada etapa una corriente de aerosol pasa a través de las boquillas y se dirige al plato de impactación. Las partículas en la corriente que posean una gran cantidad de inercia impactarán en el plato, y las más pequeñas pasarán con el aerosol a la siguiente etapa. Mediante el diseño sucesivo de cada etapa con mayores velocidades de la corriente en la boquilla, partículas más pequeñas serán recolectadas.. Las. partículas más pequeñas serán recolectadas en una última etapa, que generalmente es un filtro.. 3. MARPLE V. A. & WILLEKE K. “Impactor Design”, Atmospheric Environment, 10, 1976, pp 891-896. DEMOKRITOU et al., “Development of a High Volume Cascade Impactor for Toxicological and Chemical Characterization Studies”, Journal of Aerosol Science, 36, 2002, pp. 925-933. 4. 16.

(17) IQ-2003-2-03. La popularidad de los impactadores se refleja en la gran cantidad de equipos que se consiguen comercialmente. La mayoría de los impactadores, sin embargo, no están sujetos a los flujos para los cuales fueron diseñados y podrían ser operados en un rango de flujos diferentes lo cual aumentaría los puntos de corte para las partículas grandes o pequeñas en relación con su diámetro.. La mayoría de estos equipos no son adecuados para la recolección de grandes cantidades de muestra que permita la realización de estudios toxicológicos o de caracterización de partículas debido a su limitada capacidad de recolección y al bajo volumen que manejan. 5. Recientes estudios epidemiológicos y hechos sobre la salud han indicado que los efectos más severos en la salud debido a la polución ambiental están estrechamente asociados con partículas encontradas en la región torácica (PM10; 50% tamaño de corte a 10 µm en diámetro aerodinámico), y posiblemente aun más fuerte con partículas finas (PM2.5; 50% tamaño de corte a 2.5 µm). Las características químicas de estas fracciones de material particulado y los mecanismos biológicos responsables de los efectos adversos a la salud son aún desconocidos.6. 5 DEMOKRITOU et al., “Development of a High Volume Cascade Impactor for Toxicological and Chemical Characterization Studies”, Journal of Aerosol Science, 36, 2002, pp. 925-933. 6 SILLANPÄÄ et al., “Field and laboratory test of a high volume cascade impactor”, Journal of Aerosol Science, 34, 2003, pp. 485-500.. 17.

(18) IQ-2003-2-03. 2. IMPACTACIÓN. El fenómeno de impactación inercial ocurre cuando una partícula es lo suficientemente grande que no puede ajustar rápidamente su trayectoria al presentarse un cambio abrupto en la dirección de la corriente que la transporta, adhiriéndose a la superficie generadora de dicho cambio. La partícula, debido a su inercia, continuará a lo largo de su camino original y chocará.. El material particulado ingresa al impactador a través de una toma de aire o rendija, dependiendo del diseño. En la primera etapa del equipo, las partículas más grandes que el tamaño de corte se chocarán contra el plato perforado. Luego la corriente de aire se acelera a su paso por las boquillas o rendijas del plato perforado y continua hacia el plato de impactación, donde las partículas más grandes que el tamaño de corte de esta etapa, se chocarán y permanecerán allí, y así sucesivamente hasta encontrar un filtro final donde se recolectan las partículas que lograron escapar. El espesor de las aberturas en cada etapa es constante, pero es más pequeño para cada etapa sucesiva, y la mayoría de partículas adquieren suficiente momento para impactar sobre uno de los platos de impactación.. El sustrato que recolecta el material en el plato de impactación, al igual que el filtro final, son pesados antes y después del muestreo para determinar la distribución del. 18.

(19) IQ-2003-2-03. tamaño de partícula.. Como todas las partículas son capturadas en el impactador. también conduce a la determinación de la concentración total másica de las partículas.. 2.1 Inercia de las partículas. La inercia es la resistencia que presentan las partículas a cambiar la dirección de su movimiento. Esta se relaciona directamente con la masa y la distancia al eje sobre el que gira. En el caso del impactador las partículas se obligan a girar respecto al centro de un arco que describe su trayectoria, como lo muestra la figura 1.. Figura 1 Trayectoria de la corriente gaseosa y comportamiento de las partículas desviadas.. Simplificando la teoría se puede asumir que las líneas de flujo giran formando semiarcos de una circunferencia con centro en el punto A. Así mismo se observa como las partículas de mayor masa no completan dicha trayectoria, por lo que se desvían y son capturadas en el plato de impactación.. 19.

(20) IQ-2003-2-03. Haciendo uso de este principio se pueden lograr configuraciones que logren retener partículas de diferente tamaño en cada una de las etapas del impactador, las variables a controlar para su correcto funcionamiento son la velocidad del flujo, la distancia al plato de impactación y el diámetro de la boquilla. Se desprecian efectos como el reingreso de una partícula a la corriente o el arrastre de partículas a través del medio retenedor.. 2.2 Número de Reynolds. El número de Reynolds nos muestra una relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas debidas la viscosidad del medio. En el diseño de impactadores se han realizado estudios en los cuales se ha evaluado el efecto de este parámetro en la eficiencia de remoción7. El número de Reynolds está basado en el diámetro hidráulico del cuerpo de la boquilla.. Como se puede ver en la figura 28, el punto de corte es mejor para Re = 500 a 3000. Las malas características del punto de corte encontradas a bajo Reynolds son causadas por una delgada capa límite viscosa ubicada en la boquilla del impactador. Para el caso de la región de Reynolds alto (Re = 25000), la desviación en la curva presentada a bajos valores de eficiencia parece ser causada por una muy pequeña capa límite ubicada sobre porciones del plato de impactación adyacentes al punto de impactación.. 7. MARPLE V. A. & WILLEKE K. “Impactor Design”, Atmospheric Environment, 10, 1976, pp 891-896. Tomado y traducido de MARPLE V. A. & WILLEKE K. “Impactor Design”, Atmospheric Environment, 10, 1976, pp 891-896. 8. 20.

(21) IQ-2003-2-03. Figura 2 Curvas de eficiencia teórica para impactadores rectangulares y redondeados. Ambos con T/W = 1.. El número de Reynolds se obtiene a partir de la ecuación (1):. Re =. ρ aWV µ. Ecuación (1)9. Donde ρa es la densidad del aire (g/cm3), W es el diámetro de las boquillas (cm), V es la velocidad del aire en la boquilla (cm/s) y µ es la viscosidad del aire (g/(cm s)). 2.3 Número de Stokes. El número de Stokes (Stk) define la relación entre la distancia recorrida antes de la detención de una partícula y las dimensiones características del obstáculo. Sin embargo,. 9. KWON et al., “Effects of jet configuration on the performance of multi-nozzle impactors”, Journal of Aerosol Science, 33, 2002, pp. 859-869.. 21.

(22) IQ-2003-2-03. en el caso del diseño de impactadores, el criterio más usado es la raíz cuadrada de este número al 50% de la eficiencia de recolección ( Stk 50 ), la cual nos permite calcular el ancho de las boquillas.. El número de Stokes para un impactador se obtiene a partir de la ecuación (2):. ρ p d a2UC c Stk = 9ηW. Ecuación (2)10. Donde ρp es la densidad de la partícula (g/cm3), da es el diámetro de la partícula (cm), U es la velocidad de la corriente en la boquilla (cm/s), η es la viscosidad cinemática del aire (g/(cm s)), W es el ancho de la boquilla (cm) y Cc es el factor de corrección de Cunningham.. La ecuación de Stokes es usada para determinar las dimensiones de las boquillas de aceleración. 2.4 Factor de corrección de Cunningham11. Cuando un flujo de aire pasa en un medio con partículas que no son muy grandes, es decir menores a 20 veces la trayectoria libre media de las moléculas12, algunas 10. DEMOKRITOU et al., “Development of a High Volume Cascade Impactor for Toxicological and Chemical Characterization Studies”, Journal of Aerosol Science, 36, 2002, pp. 925-933. 11 Tomado de http://www.menet.umn.edu/~jhkimad/Project_Scheme.pdf KIM, J.H., “Precision Measurement Of Nanoparticle Slip Correction”, última visita Enero de 2004.. 22.

(23) IQ-2003-2-03. moléculas comenzaran a pasar las partículas sin tocarlas, y por lo tanto sin intercambiar momento con ellas. En este caso no se puede considerar al gas como un fluido continuo con velocidad igual a cero en la superficie de las partículas. En cambio debemos considerar el hecho de que algunas moléculas van a pasar cerca de la superficie de las partículas sin tocarlas. Una corrección teórica, que es valida para partículas por lo menos un poco más grandes que la trayectoria libre media de las moléculas, es el factor de corrección de Cunningham.. Existen diversos parámetros para calcular el factor de Cunningham, sin embargo para este estudio se empleo la ecuación (3):. Cc = 1 +. 2.52λ , (d p > 0.1µm) dp. Ecuación (3). Donde λ es la trayectoria libre media de las partículas en el aire a condiciones estándar de temperatura y presión, (0.066).. 12. La trayectoria libre media de las moléculas se define como la distancia media que una molécula de un gas se mueve en una determinada dirección, antes de chocar con otra molécula.. 23.

(24) IQ-2003-2-03. 3. TIPOS DE IMPACTADORES. Los impactadores de tipo cascada son usados para fraccionar muestras de partículas suspendidas en una corriente gaseosa. Están diseñados para alcanzar una remoción parcial con una separación simultanea en fracciones, de acuerdo al diámetro aerodinámico. El diámetro aerodinámico de una partícula dada, se define como el diámetro de una partícula de densidad unitaria (1g/cm3), que posea la misma velocidad terminal de la partícula dada, debido a la fuerza gravitacional en el aire en condiciones estándares de temperatura, presión y humedad relativa (ISO, 1995).13. Los impactadores en cascada pueden ser utilizados para diferentes mediciones en la Industria Química al igual que para mediciones de emisiones o inmisiones. En la práctica estos tienen la ventaja de medir el tamaño de partícula directamente en la corriente, a diferencia de otras técnicas de medición de tamaño de partícula. Debido a su diseño compacto, algunos impactadores en cascada pueden ser colocados directamente dentro del canal de flujo evitando fuentes de error resultantes de la remoción parcial de la corriente gaseosa.. 13. Tomado de www.cepis.ops-oms.org/bvsci/E/ fulltext/incendio/anexoc.pdf, “Glosario”, última visita Enero de 2004.. 24.

(25) IQ-2003-2-03. Con el rango de medición obtenido en un impactador en cascada (5nm – 50µm) se cumplen casi todos los requerimientos de medición de emisiones en una planta industrial.14. Existen diversas clases de impactadores y, aunque su principio de funcionamiento es el mismo, las variaciones se presentan en cuanto a las configuraciones del plato perforado, la clase de medio retenedor empleado, el volumen manejado y por último la cantidad de material particulado recolectado por unidad de tiempo.. Dentro de estas características es posible hacer una clasificación de los impactadores según el volumen que manejan. Es así como se conocen los impactadores de bajo volumen y los de alto volumen. El limite para considerar un impactador como de bajo volumen o alto volumen no esta muy bien definido, sin embargo los considerados como de bajo volumen manejan en promedio un flujo de 1-120 litros de aire por minuto (l/min), a diferencia los de alto volumen manejan flujos de 500-1200 l/min.. Así mismo se pueden clasificar los impactadores de acuerdo a la configuración de sus boquillas, en esta categoría se encuentran impactadores con múltiples boquillas o de única boquilla. Dentro de estos también se puede clasificar de acuerdo a la forma de la boquilla encontrándose configuraciones redondas y otras rectangulares.. 14. Tomado de http://www-mvt.iw.uni-halle.de/forschung/labor/Kaskad_e.html “Cascade Impactors”, Enero de 2004. 25.

(26) IQ-2003-2-03. Dentro de los impactadores de bajo volumen se encuentran subcategorías como son el impactador personal (flujo de 1-10 l/min), virtual (flujo de 30 l/min) y otros. Las diferencias en cuanto a su operación son explicadas mas adelante.. 3.1 Impactadores de Bajo Volumen. Se conocen como impactadores de bajo volumen a los equipos que funcionan con flujos menores de 120 l/min, dentro de este rango se encuentran los siguientes equipos.. Impactador Personal15 : Estudios realizados en ambientes cerrados indican claramente que fracciones considerables (50-90%) de material particulado PM10 y PM2.5 de ambientes abiertos penetran ambientes cerrados. Las fuentes de partículas de ambientes cerrados tales como la cocina, el cigarrillo, etc. aumentan esta concentración, por lo tanto las concentraciones de material particulado en ambientes cerrados suele ser mayor a la de ambientes abiertos en algunos casos. Estos descubrimientos, y el hecho de que la gente pasa la mayoría de su tiempo dentro de recintos cerrados, sugieren que las fuentes de partículas en recintos cerrados son contribuidores importantes a las exposiciones personales a PM10 y PM2.5 µm.. Este tipo de impactadores se caracteriza por la facilidad de su transporte aun en el momento de toma de muestras. Su funcionamiento es idéntico al de los impactadores de alto volumen, sin embargo debido a su versatilidad son de gran ayuda para realizar 15. MISRA, C. et.al, "Development and Evaluation of a Personal Cascade Impactor Sampler (PCIS)," Journal of Aerosol Science, 33, 2002, pp. 1027-1047.. 26.

(27) IQ-2003-2-03. mediciones mas puntuales, como puede ser el interior de una oficina o cualquier otro recinto donde se requiera discreción en el muestreo.. Las figuras 3 y 416 muestran el tamaño de estos equipos, que funcionan con bombas portátiles con capacidades de 2-10 l/min, son altamente eficientes y recolectan material entre 0.25 µm-10 µm, clasificándolo en varios tamaños.. Figura 3 Equipo de impactación personal, Impactador Personal en cascada y bomba de succión portátil.. 16. Tomado de www.skcinc.com, “Sioutas Cascade Impactor”. Enero de 2004. 27.

(28) IQ-2003-2-03. Figura 4 Vista del impactador personal en cascada Sioutas®.. Impactador Virtual17 : Es un equipo usado para separar partículas de acuerdo a su tamaño en dos corrientes de aire. Es similar a un impactador normal, pero la superficie de impactación es reemplazada por un espacio virtual de quietud o de bajo movimiento del aire. Las partículas más grandes son atrapadas en una probeta de recolección a diferencia de ser atrapadas sobre una superficie.. La figura 5 muestra el diagrama esquemático de su funcionamiento. El aerosol pasa a través de una boquilla de aceleración y es directamente enviado a la probeta de recolección. En este punto la mayor parte del flujo es desviada 90° de la probeta de recolección. Aquí es donde la separación por tamaño se lleva a cabo.. 17. Tomado de www.tsi.com “How A Virtual Impactor Works”. última visita Enero de 2004.. 28.

(29) IQ-2003-2-03. Figura 5 Diagrama esquemático de un Impactador Virtual.. Las partículas pequeñas con poca inercia siguen las líneas de la corriente y son arrastradas radialmente con el flujo mayor. Las partículas más grandes con mayor inercia se desvían de las líneas de flujo y continúan axialmente en su camino hacia el fondo de la probeta de recolección junto a una menor porción del flujo. La curva de eficiencia de separación es determinada por la relación entre los flujos, las dimensiones físicas de la boquilla de aceleración y la probeta de recolección.. Una de las características de un Impactador Virtual es que partículas más pequeñas que el tamaño de corte del equipo se encuentran en ambas corrientes, la de mayor y la de menor flujo. Así es que si la corriente de flujo menor es el 10 % de la corriente de flujo mayor, el 10% de las partículas más pequeñas permanecerá con el flujo menor. Otra característica es que las partículas de tamaño mayor al de corte se concentrarán en el flujo menor. El factor de concentración es la relación entre el flujo total respecto al flujo menor. Si el flujo menor es 25 % del flujo total el factor de concentración es 4.. 29.

(30) IQ-2003-2-03. En la actualidad se encuentran pequeñas variaciones en los Impactadores Virtuales, que consisten en la utilización de filtros ubicados dentro de la probeta de recolección y de la salida de flujo mayor para retener las partículas, además se consiguen equipos que vienen acompañados de otras herramientas útiles para el muestreo elemental del aire.. 3.2 Impactadores de Alto volumen. Los impactadores de Alto Volumen son equipos que, al igual que los anteriores, funcionan bajo el mismo principio de inercia. Un sinnúmero de impactadores han sido diseñados para clasificar partículas en el rango de 5nm – 50mm, sin embargo estos equipos no son adecuados para recolectar grandes cantidades de partículas para estudios toxicológicos o de caracterización debido a sus limitaciones en la capacidad de recolección y poco flujo.. Los impactadores de alto volumen son usados para recolectar y fraccionar grandes cantidades de material particulado, su única diferencia es el uso de grandes bombas de succión que proporcionan un flujo mayor a través del equipo.. Usualmente, y. dependiendo del objetivo del estudio, se emplean filtros inertes, como espumas de poliuretano, fibra de vidrio y de cuarzo, que permiten realizar análisis del material particulado en su estado natural.. 30.

(31) IQ-2003-2-03. Una de las aplicaciones más típicas de un Impactador de Alto Volumen, es cuando se busca recolectar gran cantidad de material particulado con el fin de ser analizado posteriormente en el laboratorio, en busca de compuestos tóxicos, alergénicos y otros materiales de interés.. 3.3 Configuración Redonda. La configuración redonda hace referencia al diseño que se presenta en el plato perforado y se debe a que este puede tener perforaciones en forma circular o rectangular, con lo cual cambian ciertos parámetros de diseño.. Ha sido demostrado que impactadores con excelentes curvas de eficiencia de recolección pueden ser obtenidos si los perfiles de velocidad son uniformes a lo largo de salida de las boquillas.18. Básicamente no es mucho lo que se puede lograr con la configuración para alcanzar un flujo uniforme a la salida de las boquillas, con la excepción de controlar la distancia al plato de impactación (S). El valor S/W (W = diámetro de la boquilla) es diseñado generalmente para ser mayor a 1.0 y evitar cambios en el tamaño de corte de las partículas, resultante de pequeñas variaciones en la distancia al plato. El número de Reynolds del flujo dentro de la boquilla es también importante en términos de alcanzar una velocidad uniforme a la salida. 18. KWON et al., “Effects of jet configuration on the performance of multi-nozzle impactors”, Journal of Aerosol Science, 33, 2002, pp. 859-869.. 31.

(32) IQ-2003-2-03. En el caso de impactadores con múltiples boquillas se ignora un efecto importante, cuando se aproxima su comportamiento al de un grupo de impactadores con una sola boquilla, este es la interacción entre los flujos vecinos que pueden cambiar no solo la mecánica de los fluidos sino también el lugar donde las partículas se depositarán, y las características de impactación de cada boquilla.. El flujo cruzado en la región de. separación puede desviar significativamente las salidas de aire de las boquillas más externas y por lo tanto influir en las características de impactación19.. Diferentes configuraciones, tales como las de la figura 6, han sido evaluadas para la recolección de PM 2.5 mm con un Flujo de 50 l/min20, encontrándose diferencias en la eficiencia de recolección,. 3.4 Configuración Rectangular. En cuanto a la configuración rectangular, lo cual significa que los orificios son de forma rectangular, son básicamente dos las formas en las cuales se encuentran ubicadas las ranuras, estas son: -. Sobre el perímetro de un circulo. -. De forma radial, desde el centro hacia el exterior.. 19. KWON et al., “Effects of jet configuration on the performance of multi-nozzle impactors”, Journal of Aerosol Science, 33, 2002, pp. 859-869. 20 Ibid.. 32.

(33) IQ-2003-2-03. La primera configuración evita las interacción de las corrientes gaseosas a la salida del plato perforado, con lo cual se minimizan efectos como el arrastre de las partículas pequeñas por las más grandes y retención de partículas en lugares lejanos al sitio de mayor concentración.. La segunda configuración permite ubicar ranuras de mayor longitud, lo cual aumenta el caudal de aire a través del equipo y por consiguiente, aumenta la cantidad de material particulado recolectado.. La configuración rectangular tiene como ventaja, frente a la configuración redonda, que evita en gran parte la interacción de las corrientes a la salida del plato perforado, por lo que se aumenta la eficiencia de recolección del equipo.21 Sin embargo, los diseños más básicos son hechos con configuraciones redondas, con lo cual se busca adquirir una comprensión mas profunda acerca del fenómeno de impactación.. Como parámetro de diseño de boquillas rectangulares se tiene que la relación S/W debe ser mayor a 1.522.. 21. KWON et al., “Effects of jet configuration on the performance of multi-nozzle impactors”, Journal of Aerosol Science, 33, 2002, pp. 859-869. 22 MARPLE V. A. & WILLEKE K. “Impactor Design”, Atmospheric Environment, 10, 1976, pp 891896.. 33.

(34) IQ-2003-2-03. 4. METODOLOGÍA DE DISEÑO. El cabezote se diseñó, para que fuera acoplado a un muestreador Andersen de Alto Volumen PM10 (Andersen G1200, Village of Cleves, OH, USA), existente en el CITEC.. De esta manera se fijaron variables como el flujo total de aire y ciertas. dimensiones, como las de la base y diámetro externo del equipo.. Debido a que el cabezote se diseño para ser soportado sobre el equipo encontrado actualmente, son varias las características que se fijaron, dentro de las cuales se enumeran:. -. Flujo del equipo: 1.13 m3/min. -. Diámetro exterior del cabezote: 57 cm.. -. Altura total: 92 cm.. -. Número de etapas: 4. Para el diseño del equipo se tuvo en cuenta su función, es decir aparte de ser un equipo para la recolección de muestras, se espera que sirva como herramienta útil en el aprendizaje de temas como el diseño de impactadores. Dado esto, se opto por diseñar un equipo con configuración redonda, ya que esta es la configuración más básica de los impactadores, es de la cual se encuentra mas teoría y sobre la cual se han diseñado numerosos equipos.. 34.

(35) IQ-2003-2-03. Una vez se fijaron estos parámetros, se procedió a realizar las relaciones heurísticas de diseño, las cuales incluyen la escogencia de parámetros tales como, número de Reynolds y número de Stokes, para cada una de las etapas del equipo.. Así mismo se determinó el diámetro de corte para cada una de las etapas, los cuales fueron de 10, 5, 2.5 y 1 µm. Estos diámetros se escogieron de esta manera para permitir la recolección y clasificación de partículas gruesas (entre 2.5 y 10 µm), finas (entre 2.5 y 1 µm) y por último partículas ultrafinas (menores a 1 µm).. 4.1 Modelo de Diseño. La configuración escogida fue la redonda, debido a que su construcción es más sencilla por lo que no se requiere de una gran inversión para su construcción. Así mismo, es más simple su operación y de esta manera se facilita la función pedagógica para la cual también esta diseñado el equipo.. El flujo de aire fijado fue de 1.13 m3/min, equivalente a 1130 L/min. Una vez fijado el flujo de aire se procedió a determinar el diámetro de corte esperado en cada una de las etapas, estos valores fueron 10, 5, 2.5 y 1 µm. Estos diámetros se escogieron de esta manera para permitir la recolección y clasificación de partículas gruesas (entre 2.5 y 10. µm), finas (entre 2.5 y 1 µm) y por último partículas ultrafinas (menores a 1 µm).. 35.

(36) IQ-2003-2-03. El siguiente paso fue definir el número de Reynolds en la región de la boquilla de cada uno de los platos de impactación. El valor escogido fue de 3000 para todos los platos perforados, este valor se escogió siguiendo algunas relaciones heurísticas reportadas en la literatura.23. Así mismo, se estableció otro parámetro importante en el diseño de impactadores, como es la raíz cuadrada del número de Stokes,. Stk 50 . El valor se escogió siguiendo,. nuevamente, relaciones heurísticas de diseño encontradas en la literatura, en este caso el valor fue diferente para el diseño del plato perforado encargado de la recolección de partículas de 10 µm, para el cual fue de 0.7, en tanto que para los demás (5, 2.5, 1 µm) fue de 0.49.. Una vez fijados estos parámetros se procedió con el cálculo siguiendo un procedimiento genérico, descrito mas adelante, con el cual se obtienen parámetros tales como el diámetro de corte calculado, numero de orificios, diámetro de los orificios, velocidad del aire en la boquilla y la caída de presión en cada etapa.. Además de calcular estos parámetros, se diseñó el cabezote de tal manera que se cumplió con las recomendaciones acerca del criterio de distancia desde la boquilla al plato de impactación, la cual debe ser mayor a 1 para boquillas redondas.. 23. MARPLE V. A. & WILLEKE K. “Impactor Design”, Atmospheric Environment, 10, 1976, pp 891896.. 36.

(37) IQ-2003-2-03. 4.2 Variables de Diseño. Existen diferentes variables que se deben controlar para la realización del diseño de un impactador. A continuación se enumeran dichas variables y se realiza una descripción de su efecto en el desempeño de equipo.. -. Número de Reynolds:. A partir del número de Reynolds se puede calcular la. velocidad del aire dentro de las boquillas. Así mismo, el número de Reynolds se puede controlar mediante el aumento o disminución de boquillas en el plato perforado; y es precisamente de esta relación, de donde se deriva la velocidad promedio.. Para este diseño se empleo un numero de Reynolds de 3000 en cada una de las etapas, este valor se asumió teniendo en cuenta las relaciones heurísticas encontradas en la literatura.. -. Número de Stokes: El tamaño de partícula es un diámetro de partícula adimensional que se expresa en términos de la raíz del número de Stokes. De acuerdo a lo anterior el proceso de diseño de un impactador involucra directamente al número de Stokes, así pues, se deben utilizar las relaciones conocidas y asumir un valor para este a partir del cual se podrá calcular el tamaño de la partícula que se recolectará en cada etapa.. 37.

(38) IQ-2003-2-03. En este diseño se hizo uso de las relaciones encontradas en la literatura y se asumió un valor de Stk50 = 0.7, para la primera etapa en la que se recolecta PM 10µm, y de Stk50 = 0.49, para todas las demás etapas en las que se recolecta PM 5, PM 2.5 y PM 1 µm.. -. Factor de corrección de Cunningham: El Factor de Corrección de Cunningham se hace más evidente cuando se realizan los cálculos para las etapas de 2.5 y 1 µm, tanto es así, que en otros diseños se omite su efecto para el diseño de etapas de diámetros mayores.. En este diseño se aplico la misma ecuación en el cálculo de cada una de las etapas, por lo que el efecto del Factor de Corrección de Cunningham esta siempre presente. La ecuación empleada está en función del diámetro de partícula y de la trayectoria libre media de las partículas.. -. Forma de la boquilla: Las boquillas pueden ser redondas o rectangulares, como se explico anteriormente, para este diseño se eligió las boquillas redondas, por su facilidad en la construcción y su sencillo entendimiento, lo que las hace perfectas para la función pedagógica del equipo.. -. Distancia de la boquilla al plato (S/W): Este es un parámetro de gran importancia, ya que puede cambiar en significativamente el desempeño de un impactador. Se describe como la relación entre el diámetro de la boquilla y la distancia al plato de impactación. Según estudios realizados la eficiencia en la recolección disminuye. 38.

(39) IQ-2003-2-03. cuando esta relación es menor a 0.5, sin embargo para este diseño se hizo uso de relaciones presentadas en la literatura, por lo que se mantuvo un valor mayor a 1.0 en cada una de las etapas, sin sobrepasar el valor de 1.5.24. -. Relación entre el diámetro de la boquilla y su longitud (T/W): La razón por la cual este parámetro toma relevancia, es el hecho que se debe garantizar que las partículas tengan el suficiente tiempo para alcanzar la misma velocidad que la corriente de aire dentro de la boquilla, otro efecto importante son las pérdidas que se presentan al ingreso de las boquillas, por lo que se recomienda que la entrada a las mismas sea cónica.. Según recomendaciones heurísticas de diseño, esta relación debe ser mayor o igual a 1.0, por lo que en este diseño se mantuvo esta condición.. -. Sustrato de impactación: El sustrato de impactación es el medio que se coloca sobre el pato de impactación, y que se encarga de atrapar las partículas que contra él chocan.. Como sustrato de impactación son varios los compuestos que en la. actualidad se emplean, por ejemplo filtros de fibra de vidrio, filtros de cuarzo recubiertos en teflón, una delgada capa de grasa sobre una superficie recolectora, y más recientemente se ha presentado un aumento en el uso de espumas de poliuretano.. 24. MARPLE V. A. & WILLEKE K. “Impactor Design”, Atmospheric Environment, 10, 1976, pp 891896.. 39.

(40) IQ-2003-2-03. Tienen un alto efecto en la eficiencia del equipo, y es que el principio de impactación esta basado sobre la suposición, que todas las partículas que poseen la suficiente inercia impactarán contra la superficie y permanecerán allí.. Así que efectos como el rebote y reingreso de partículas son despreciados, sin embargo las diferencias presentadas entre el equipo y el diseño son pequeñas y por lo tanto tolerables.. -. Perdidas en las paredes:. Las perdidas debidas a las paredes se deben a la. deposición de partículas sobre las superficies internas del equipo diferentes al plato de impactación. No es posible determinar la cantidad de partículas que se pierden debido a esto, sin embargo se estima que pueden ser del 5-10%.25. -. Caída de presión: La caída de presión es un factor determinante en el diseño ya que se convierte en un parámetro definitivo para la escogencia de la bomba de succión a emplear. En el diseño de impactadores se asume que la caída de presión entre cada etapa es igual a la presión dinámica al interior de la boquilla, para su cálculo se emplea la siguiente ecuación:. P2 = P1 −. 25. 1 ρVo2 2. Ecuación (4). MARPLE V. A. & WILLEKE K. “Impactor Design”, Atmospheric Environment, 10, 1976, pp 891896.. 40.

(41) IQ-2003-2-03. Donde. P1 = Presión estática en la entrada de la etapa [Pa] P2 = Presión estática a la salida de la etapa [Pa]. ρ. 3. = Densidad del fluido [kg/m ]. Vo = Velocidad promedio dentro de la boquilla [m/s]. 4.3 Procedimiento de Cálculo26. Es posible diseñar un impactador para un flujo de aire especifico y obtener, con gran certeza, los mismos diámetros de corte que en la practica. El procedimiento para diseñar un impactador es esencialmente el mismo para los que tienen configuración redonda o rectangular. Para un impactador en cascada que opere a un flujo de aire constante se sugiere seguir el siguiente procedimiento.. 1. Escoja un tamaño de corte deseado, Dp. Si la densidad, ρp es diferente de la unitaria, calcule el valor. C D50 (Donde D50 es el diámetro aerodinámico. equivalente de una esfera de densidad unitaria) de:. C D50 = ρ p C D p. 26. Ecuación (5). MARPLE V. A. & WILLEKE K. “Impactor Design”, Atmospheric Environment, 10, 1976, pp 891896.. 41.

(42) IQ-2003-2-03. La variación en el factor de corrección de Cunningham es usualmente despreciable para diferencias pequeñas en el diámetro. Por lo que el valor de C es aproximadamente igual en ambos lados de la ecuación (5) en la mayoría de los casos.. 2. Utilice el programa, adjunto en el Anexo A, para calcular el número y el tamaño de los orificios requeridos para determinado Reynolds y diámetro de corte. Como las características de corte son aproximadamente constantes sobre una buena región de Reynolds desde los 500 hasta cifras muy grandes (miles), se recomienda que se asuma un valor entre 500 y 3000.. 3. Seleccione el valor más conveniente del diámetro de la boquilla para su construcción.. 4. Para este valor de diámetro, revise el número de Reynolds usando la ecuación (1).. 5. Calcule el factor de corrección de Cunningham con la ecuación (3).. 6. Determine el valor de. Stk 50 mediante la ecuación (2).. 7. Determine el valor de la presión en la zona de impactación, P2, asumiendo que la caída de presión en la etapa es igual a la presión dinámica en la boquilla. Así. 42.

(43) IQ-2003-2-03. P2 = P1 −. Donde. 1 ρVo2 2. P1 = Presión estática en la entrada de la etapa [Pa] P2 = Presión estática a la salida de la etapa [Pa]. ρ. 3. = Densidad del fluido [kg/m ]. Vo = Velocidad promedio dentro de la boquilla [m/s]. A parte de calcular el diámetro en cada etapa, es también importante diseñar el impactador de tal manera que el criterio de distancia desde la boquilla al plato de impactación se satisfaga. Esto asegurará que pequeñas variaciones en la distancia del plato a la boquilla, a la hora de construir el equipo, ensamblarlo, etc., no afecten de manera significante el desempeño del equipo.. 43.

(44) IQ-2003-2-03. 5 RESULTADOS. El diseño definitivo del equipo se entrega en los planos del Anexo D de este documento. Se diseño un equipo que consta de 39 piezas móviles que permiten una fácil limpieza, dentro de estas se encuentran 7 piezas estructurales y 8 piezas de diseño especifico, dentro de las cuales se incluyen los 4 platos perforados y 4 mas de impactación.. Las características de recolección y los diferentes parámetros de diseño se incluyen en la tabla 1.. Tabla 1. Parámetros de Diseño.. 1ª. 2ª. 3ª. PM 10 µm. PM 5 µm. PM 2.5 µm PM 1 µm. Número de Boquillas. 51. 71. 140. 335. T (cm). 9.0. 6.5. 3.5. 1.5. W (cm). 8.6. 6.2. 3.2. 1.3. S (cm). 9.0. 7.0. 4.0. 2.0. V (cm/s). 635. 881. 1735. 4147. ∆P (Pa). 18.9. 36.4. 141.1. 806.2. Re. 3000. 3000. 3000. 3000. Stk. 0.7. 0.49. 0.49. 0.49. Etapa. 4ª. Características Físicas. Cálculos Teóricos. 44.

(45) IQ-2003-2-03. T: Longitud de las boquillas. W: Diámetro de las boquillas. S: Distancia entre la salida del orificio y el sustrato de impactación. V: Velocidad de la corriente dentro de la boquilla.. ∆P: Caída de Presión en cada etapa.. En cuanto al software, que se adjunta como anexo B, se desarrollo en MS Excel y consta de una ventana interfase con el usuario, donde él ingresa los datos requeridos y a donde el programa entrega los resultados. Éste mismo fue empleado para la realización de los cálculos de diseño, el software permite que el usuario cambie el flujo con el que el equipo va a trabajar, las condiciones atmosféricas en las cuales se va a operar el equipo (Viscosidad y Densidad del Aire) y por último el número de Reynolds que se quiere utilizar.. Los datos que el programa calcula son:. -. Numero de Agujeros.. -. Diámetro de los orificios.. -. Velocidad del Aire dentro de la boquilla.. -. Caída de Presión en cada etapa.. -. Distribución de los orificios sobre el plato.. -. Parámetro de flujo Cruzado.. 45.

(46) IQ-2003-2-03. La distribución de los orificios sobre el plato se realiza haciendo una suposición, que se va a emplear una distribución de orificios sobre dos círculos concéntricos. Sobre el circulo exterior se ubicarán el 60% de los orificios, mientras el 40% restante se ubicará sobre el circulo interior. Esta distribución fue la misma que se empleó en el diseño de este equipo, y fue escogida dado que presenta el menor efecto de flujo cruzado en la zona entre el plato perforado y el plato de impactación. 27. Así mismo se presenta como resultado, en el programa, el parámetro de flujo cruzado28 ayuda a la predicción del efecto de deflexión creado por las corrientes en la zona intermedia entre el plato perforado y el plato de impactación. Este parámetro fue expresado como función de características geométricas de impactadores con múltiples boquillas, y se calcula mediante la siguiente ecuación:. Parámetro de flujo cruzado =. Donde:. WN 4 Dc. Ecuación (6). W, es el diámetro de las boquillas. N, es el numero de boquillas. Dc, es el diámetro del circulo dentro del cual se encuentran todas las boquillas.. 27. KWON et al., “Effects of jet configuration on the performance of multi-nozzle impactors”, Journal of Aerosol Science, 33, 2002, pp. 859-869. 28 FANG et al., “Influence of cross flow on particle collection characteristics of multi-nozzle impactors”, Journal of Aerosol Science, 22(4), 1991, pp. 403-415.. 46.

(47) IQ-2003-2-03. Esta demostrado que impactadores de múltiples boquillas operan satisfactoriamente si el parámetro de flujo cruzado es menor a un valor critico de 1.2.29. Como restricción, el programa solamente calcula estas variables para recolectar partículas de 10, 5, 2.5, 1 µm.. Como anexo A se entrega un tutorial de diseño que sintetiza el fundamento teórico sobre el cual se diseñan los impactadores, así mismo presenta ejemplos del diseño de impactadores y notas sobre la importancia y el efecto de los parámetros más relevantes. El objeto del tutorial de diseño es que sirva como herramienta en el proceso de aprendizaje de la materia.. 5.1 Dimensiones y comentarios de diseño. Las dimensiones del equipo son presentadas en la tabla 2. Tabla 2 Dimensiones del cabezote diseñado.. Cuatro platos perforados Diámetro exterior [cm]. 56.8. Total de equipo Altura [cm]. 92. Diámetro interior [cm]. 54.4. 29. FANG et al., “Influence of cross flow on particle collection characteristics of multi-nozzle impactors”, Journal of Aerosol Science, 22(4), 1991, pp. 403-415.. 47.

(48) IQ-2003-2-03. En cuanto a características propias del diseño, este posee una única entrada de aire en la parte superior, la cual esta diseñada para evitar el ingreso de partículas de agua en caso de ser utilizado cuando hay precipitación. Esta toma de aire se hace a través de una rendija creada por ocho (8) espaciadores, de dos (2) centímetros de longitud, ubicados entre el techo y su soporte, inclinada 45° hacia la base y que recorre todo el perímetro del equipo.. El equipo se desmonta desde la parte superior y el usuario debe ir removiendo cada una de las piezas, para poder acceder a cada uno de los sustratos retenedores que se irán encontrando sobre cada plato de impactación, cuatro en total.. En la figura 6, se muestra un diagrama esquemático del equipo, donde se puede ver la toma de aire, y cada una de las piezas en las que se puede descomponer el modelo.. En cuanto al filtro final, existen dos posibilidades para alcanzarlo, una es desmontar cada una de las piezas hasta llegar a él, y la otra es hacer uso de un eje ubicado en la parte posterior del equipo y que permite rotarlo desde la base hacia atrás, dejando completamente libre el acceso al filtro final.. El sistema de ajuste de la base del equipo esta fijado por el sistema de ajuste del equipo existente en el CITEC, y se basa en 6 cajas de aseguramiento, en las cuales puede ingresar la cabeza de un tornillo y que mediante presión empuja el equipo hacia abajo.. 48.

(49) IQ-2003-2-03. Cada una de las uniones entre el cuerpo del equipo y el plato perforado es sellada mediante un empaque de caucho, el cual no permite el ingreso ni la salida de aire, garantizando que se cumplan las condiciones de diseño, en las cuales solamente existe una entrada de aire en la parte superior, además de evitar perdidas de material particulado.. En la parte inferior del cuerpo del equipo se utiliza una forma circular, que evita la acumulación de material particulado, y por lo tanto minimiza las perdidas por deposición dentro del equipo.. Figura 6 Diagrama esquemático del equipo.. 49.

(50) IQ-2003-2-03. 5.2 Comportamiento esperado del diseño. En cuanto al comportamiento esperado del diseño, se debe tener en cuenta la calidad en la manufactura del mismo, de esta depende en gran medida que el equipo se comporte de acuerdo a los parámetros establecidos.. Para esto, es importante que las boquillas estén hechas de la mejor manera posible, esto es, procurar darles forma cónica en su inicio para permitir un suave ingreso del aire y evitar perdidas por acumulación de partículas en este punto.. Es además importante conseguir que el diámetro de la boquilla sea lo mas parecido al que se presenta en los resultados, sin embargo hay que tener en cuenta que esto no se logra, por lo que el diámetro de corte de cada una de las etapas se espera que cambie de acuerdo con dicha variación.. Según esto el comportamiento esperado del equipo se encuentra resumido en la tabla 3.. Tabla 3 Comportamiento esperado del diseño final. Parámetros de Diseño Diámetro. de. corte. Número. calculado. Agujeros. Orificio [mm]. deDiámetro. D50[µm]. Velocidad delCaída aire. en. laPresión. boquilla [cm/s] [Pa]. Plato de PM 10. 10,02. 51. 8,60. 633,04. 18,8. Plato de PM 5. 5,02. 71. 6,20. 877,07. 36,1. Plato de PM 2,5. 2,45. 140. 3,10. 1782,06. 148,9. Plato de PM 1. 0,99. 335. 1,30. 4230,61. 839,0. 50. de.

(51) IQ-2003-2-03. La variación en el diámetro de corte se debe a un cambio en el número de Reynolds, el cual a su vez cambia cuando se cambian la geometría de las boquillas, es decir el diámetro.. El nuevo número de Reynolds calculado es de 2996, 2993, 3041 y 3030, para el plato perforado PM 10, 5, 2.5, 1 µm, respectivamente.. 5.3 Desviación esperada. La desviación esperada del diseño es difícil de predecir, sin embargo se espera las perdidas de material al interior del equipo no superen el 10% en la recolección de partículas finas y menos del 20% en partículas gruesas.. En cuanto al diámetro de corte de cada una de las etapas, dependerá en gran medida de la calidad en el terminado que se le realice a cada uno de los orificios en el plato de impactación, para garantizar que la entrada de aire no sea tan abrupta y conduzca a una variación en la eficiencia de recolección del equipo.. Así mismo, se debe garantizar que la distancia del plato perforado al sustrato, sobre el cual impacta, sea la establecida en el diseño, en cuanto a esto, es importante mencionar que el espesor del sustrato se estimo en 2.5 mm, así que se debe considerar cualquier variación en esto para la evaluación del equipo.. 51.

(52) IQ-2003-2-03. El uso de diferentes sustratos, como espuma de poliuretano, filtros de cuerazo, fibra de vidrio o una placa engrasada, afectara el desempeño del equipo, es conocido que la placa engrasada mejora las condiciones de eficiencia del equipo, sin embargo su uso no permite una fácil recuperación del material capturado, por lo que en la actualidad el uso de espumas de poliuretano y otros materiales esta siendo fuertemente investigado, y se ha encontrado que los diámetros de corte presentan variaciones permisibles. 30. Las variaciones en la eficiencia de recolección, debidas al uso de sustratos diferentes a la placa engrasada, se encuentran alrededor de &5% en el diámetro del corte calculado. Sin embargo, la capacidad de recolección que presentan estos tipos de sustrato, 2.15 g por cm2 en el caso de la espuma de poliuretano, hacen de uso una herramienta muy importante por lo que estas pequeñas diferencias son obviadas.. 30. DEMOKRITOU et al., “Development of a High Volume Cascade Impactor for Toxicological and Chemical Characterization Studies”, Journal of Aerosol Science, 36, 2002, pp. 925-933.. 52.

(53) IQ-2003-2-03. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. Se consiguió desarrollar un diseño acorde a las especificaciones estipuladas en la propuesta de tesis, con este diseño es posible recolectar material particulado de 10, 5, 2.5 y 1 µm. Con este diseño se obtuvieron cotizaciones para su futura construcción, estas cotizaciones incluyen los costos de material y manufactura,. El programa en MS Excel que fue desarrollado es eficiente en la consecución de resultados, siempre que las entradas sean coherentes con el diseño.. Se lograron los objetivos generales y específicos trazados en la propuesta.. Es muy importante conseguir una manufactura calificada, donde se minimicen los depósitos internos de partículas y donde se ubiquen exactamente cada uno de los soportes y piezas del equipo, para que el acople con el equipo del CITEC sea justo.. En el uso de sustratos diferentes a la capa engrasada, se recomienda evaluar el espesor permitido por el diseño y de ser posible corregirlo para evitar una fuerte variación en la distancia de las boquillas al sustrato.. 53.

(54) IQ-2003-2-03. Dependiendo del material en el cual se construya el equipo, se deben tener las precauciones necesarias para evitar lesiones, debidas al esfuerzo de levantar piezas pesadas, al igual que evitar golpes al equipo.. Es altamente recomendable realizar una calibración del equipo antes de tomar cualquier muestra, ya que esta calibración permitirá establecer las curvas de eficiencia del equipo, lo que permite tener absoluta certeza sobre el tamaño del material capturado.. Para la etapa de recolección de material particulado mayor a 10 µm, se recomienda en cualquier caso utilizar como sustrato la placa engrasada, ya que esta presenta una gran eficiencia de recolección. Al ser esta la primera etapa del equipo, es importante que se presente una buena separación allí, de esta manera se aumenta la eficiencia de recolección de las capas subsiguientes.. 54.

(55) IQ-2003-2-03. BIBILIOGRAFIA. •. Demokritou, P., Kavouras, I.G., Ferguson, S.T., & Koutrakis, P. (2002). “Development of a High Volume Cascade Impactor for Toxicological and. Chemical Characterization Studies”, Journal of Aerosol Science, 36, pp. 925933.. •. Fang, C. P., Marple, V.A., & Rubow, K.L. (1991). “Influence of cross flow on. particle collection characteristics of multi-nozzle impactors”, Journal of Aerosol Science, 22(4), pp. 403-415.. •. Kwon, S.B., Kim, M.C., & Lee, K.W., (2002). “Effects of jet configuration on. the performance of multi-nozzle impactors”, Journal of Aerosol Science, 33, pp. 859-869.. •. Marple V. A. & Willeke K. “Impactor Design”, Atmospheric Environment, 10, 1976, pp 891-896.. •. Misra, C., Singh, M., Shen, S., Sioutas, C., & Hall, P.M., (2002). "Development. and Evaluation of a Personal Cascade Impactor Sampler (PCIS)" Journal of Aerosol Science, 33, pp. 1027-1047.. 55.

(56) IQ-2003-2-03. Referencias electrónicas. •. “Cascade Impactors”. http://www-mvt.iw.uni-halle.de/forschung/labor/Kaskad_e. html , última visita, enero de 2004.. •. “Sioutas Cascade Impactor”, http://www.skcinc.com/prod/225-370.asp, SKC® 863 Valley View Road, Eighty Four, PA, 15330, USA , Derechos Reservados SKC, última visita enero de 2004.. •. “How A Virtual Impactor Works”, http://www.tsi.com/exposure/appnote/it_051. htm, Derechos Reservados TSI Incorporated 2004, última visita enero de 2004.. •. “Aerosol. Science. &. Engineering”,. http://plaza.ufl.edu/alallen/cyclone/,. University of Florida, Diseñador: Heath Wintz, Priscilla Chapman, Randy Switt, Investigador Principal: Dr. Chang-Yu Wu, Anne Allen, 2004.“Mecanisms. Of. Filtration. For. última visita enero de. High. Efficiency. Fibrous. Filters”,. http://www.tsi.com/fittest/app_note/iti_041.shtml,. Derechos. Reservados. TSI. incorporated última visita enero de 2004.. •. KIM, J.H., “Precisión Measurement Of Nanoparticle Slip Correction”,. http://www.menet.umn.edu/~jhkimad/Project_Scheme.pdf, última visita Enero de 2004.. 56.

(57) IQ-2003-2-03. •. “Iniciativa. de. Aire. Limpio. para. Ciudades. de. América. Latina”,. http://www.dama.gov.co/ial/ial.htm, última visita Enero de 2004.. •. “Glosario”,. www.cepis.ops-oms.org/bvsci/E/fulltext/incendio/anexoc.pdf, última. visita Enero de 2004.. 57.

(58) IQ-2003-2-03. ANEXO A. TUTORIAL DE DISEÑO DE IMPACTADORES INERCIALES. IMPACTACIÓN. El fenómeno de impactación inercial. ocurre. cuando. una. partícula es lo suficientemente grande que no puede ajustar rápidamente su trayectoria al presentarse un cambio abrupto en la dirección de la corriente que la transporta, adhiriéndose a la superficie generadora de dicho cambio.. El material particulado ingresa al impactador a través de una toma de aire o rendija, dependiendo del diseño, en la primera etapa del equipo, las partículas más grandes que el tamaño de corte se chocaran contra el plato perforado. Luego la corriente de aire se acelera a su paso por las boquillas o rendijas del plato perforado y continua hacia el plato de impactación, donde las partículas más grandes que el tamaño de corte de esta etapa, se chocarán y permanecerán allí, y así sucesivamente hasta encontrar un filtro final donde se recolectan las partículas que lograron escapar. El espesor de las aberturas en cada etapa es constante, pero es más pequeño para cada etapa sucesiva, y la mayoría. 58.

(59) IQ-2003-2-03. de partículas adquieren suficiente momento para impactar sobre uno de los platos de impactación.. INERCIA DE LAS PARTÍCULAS. La inercia es la resistencia que presentan las partículas a cambiar la dirección de su movimiento, esta se relaciona directamente con la masa y la distancia al eje sobre el que gira. En el caso del impactador las partículas se obligan a girar respecto al centro de un arco que describe su trayectoria.. Simplificando un poco la teoría se puede asumir que las líneas de flujo giran formando semiarcos de una circunferencia con centro en el punto A. Así mismo se observa como las partículas de mayor masa no completan dicha trayectoria, por lo que se desvían y son capturadas en el plato de impactación.. NÚMERO DE REYNOLDS. El número de Reynolds nos muestra una relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas debidas la viscosidad del medio. El número de Reynolds esta basado en el diámetro hidráulico del cuerpo de la boquilla.. 59.

(60) IQ-2003-2-03. Existen recomendaciones sobre el rango de Reynolds para el cual es mejor el desempeño de los impactadores. Este rango es de 500-3000 para configuraciones redondas y casi de igual manera para las configuraciones rectangulares.. Para su cálculo en el diseño de impactadores se empleara la siguiente ecuación.. Ecuación (1). Donde ρa es la densidad del aire (g/cm3), W es el diámetro de las boquillas (cm), V es la velocidad del aire en la boquilla (cm/s) y µ es la viscosidad del aire (g/(cm s)). NÚMERO DE STOKES. El número de Stokes (Stk) define la relación entre la distancia recorrida antes de la detención de una partícula y las dimensiones características del obstáculo. Sin embargo en el caso del diseño de impactadores el criterio mas usado es la raíz cuadrada de este. 60.

(61) IQ-2003-2-03. número al 50% de la eficiencia de recolección ( Stk 50 ), la cual nos permite calcular el ancho de las boquillas.. Para su cálculo se emplea la siguiente ecuación:. Ecuación (7). Donde ρp es la densidad de la partícula (g/cm3), V es la velocidad del aire en la boquilla (cm/s), C es el factor de corrección de Cunningham, µ es la viscosidad del aire (g/(cm s)), W es el diámetro de la boquilla (cm) y D50 es el diámetro de corte al 50% de la eficiencia de recolección (cm).. FACTOR DE CORRECCIÓN DE CUNNINGHAM. Cuando un flujo de aire pasa en un medio con partículas que no son muy grandes, digamos menores a 20 veces el camino libre medio de las moléculas, algunas moléculas comenzaran a pasar las partículas sin tocarlas, y por lo tanto sin intercambiar momento con ellas. En este caso no se puede considerar al gas como un fluido continuo con velocidad igual a cero en la superficie de las partículas. En cambio debemos considerar el hecho de que algunas moléculas van a pasar cerca de la superficie de las partículas sin tocarlas. 61.

(62) IQ-2003-2-03. Una corrección teórica que es valida para partículas por lo menos un poco más grande que el camino libre medio de las moléculas es el factor de corrección de Cunningham.. Su cálculo se realiza por medio de la siguiente ecuación.. Ecuación (3). Donde λ es el camino libre medio de las partículas en el aire a condiciones estándar de temperatura y presión.. TIPOS DE IMPACTADORES. Existen diversas clases de impactadores y aunque su principio de funcionamiento es el mismo, las variaciones se presentan en cuanto a las configuraciones del plato perforado, la clase de medio retenedor empleado, el volumen manejado y por último la cantidad de material particulado recolectado por unidad de tiempo.. Dentro de estas características es posible hacer una clasificación de los impactadores según el volumen que manejan, es así como se conocen los impactadores de bajo volumen y los de alto volumen. El limite para considerar un impactador como de bajo volumen o alto volumen no esta muy bien definido, sin embargo los considerados como de bajo volumen manejan en promedio un flujo de 1-120 litros de aire por minuto (l/min), a diferencia los de alto volumen manejan flujos de 500-1200 l/min.. 62.

(63) IQ-2003-2-03. IMPACTADORES DE BAJO VOLUMEN. Se conocen como impactadores de bajo volumen a los equipos que funcionan con flujos menores de 120 l/min, dentro de este rango se encuentran los siguientes equipos.. Impactador Personal: Este tipo de impactadores se caracteriza por la facilidad de su transporte aun en el momento de toma de muestras. Su funcionamiento es idéntico al de los impactadores de alto volumen, sin embargo debido a su versatilidad son de gran ayuda para realizar mediciones mas puntuales, como puede ser el interior de una oficina o cualquier otro recinto donde se requiera discreción en el muestreo. Funcionan con bombas portátiles con capacidades de 2-10 l/min, son altamente eficientes y recolectan material entre 0.25 µm-10µm, clasificándolo en varios tamaños.. Impactador Virtual: Es un equipo usado para separar partículas de acuerdo a su tamaño en dos corrientes de aire.. Es. similar a un impactador normal, pero la superficie. de. impactación. es. reemplazada por un espacio virtual de quietud o de bajo movimiento del aire. Las. partículas. mas. grandes. son. 63.

(64) IQ-2003-2-03. atrapadas en una probeta de recolección a diferencia de ser atrapadas sobre una superficie.. Una de las características de un Impactador Virtual es que partículas mas pequeñas que el tamaño de corte del equipo se encuentran en ambas corrientes, la de mayor y la de menor flujo. Así es que si la corriente de flujo menor es el 10 % de la corriente de flujo mayor, el 10% de las partículas mas pequeñas permanecerá con el flujo menor. Otra característica es que las partículas de tamaño mayor al de corte se concentrarán en el flujo menor. El factor de concentración es la relación entre el flujo total respecto al flujo menor. Si el flujo menor es 25 % del flujo total el factor de concentración es 4.. IMPACTADORES DE ALTO VOLUMEN. Los impactadores de Alto Volumen son equipos que, al igual que los anteriores, funcionan bajo el mismo principio de inercia.. Los impactadores de alto volumen son usados para recolectar y fraccionar. grandes cantidades de. material particulado, su única diferencia es el uso de grandes bombas de succión que proporcionan un flujo mayor a través del equipo. Usualmente, y dependiendo del objetivo del estudio, se emplean filtros inertes, como. 64.

(65) IQ-2003-2-03. espumas de poliuretano, que permiten realizar análisis del material particulado en su estado natural.. CONFIGURACIÓN REDONDA. La configuración redonda hace referencia al diseño que se presenta en el plato perforado y se debe a que este puede tener perforaciones en forma circular o rectangular, con lo cual cambian ciertos parámetros de diseño.. Ha sido demostrado que impactadores con excelentes curvas de eficiencia de recolección pueden ser obtenidos si los perfiles de velocidad son uniformes a lo largo de salida de las boquillas. Básicamente no es mucho lo que se puede lograr con la configuración para alcanzar un flujo uniforme a la salida de las boquillas, con la excepción de controlar la distancia al plato de impactación (S). El valor S/W (W = diámetro de la boquilla) es diseñado generalmente para ser mayor a 1.0 y evitar cambios en el tamaño de corte de las partículas, resultante de pequeñas variaciones en la distancia al plato. El número de Reynolds del flujo dentro de la boquilla es también importante en términos de alcanzar una velocidad uniforme a la salida.. 65.

(66) Diferentes configuraciones de plato. CONFIGURACIÓN RECTANGULAR. La configuración rectangular se refiere a que la forma de los orificios es rectangular, por lo que algunos parámetros de diseño varían. Al igual que en la anterior la curva de eficiencia se puede mejorar si los perfiles de velocidad son constantes a lo largo de las perforaciones.. El valor de S/W (W = ancho de la boquilla) recomendado es mayor a 1.5.. Otro factor importante para ambas configuraciones es la relación entre la longitud y el diámetro de la boquilla (T/W), ya que cuando la longitud de la boquilla es muy corta, es posible que no se asegure el tiempo suficiente para que las partículas se aceleren lo suficiente y alcancen la velocidad del fluido dentro de la boquilla, alterando la eficiencia de recolección..

(67) IQ-2003-2-03. DISEÑO DE IMPACTADORES. Es posible diseñar un impactador para un flujo de aire especifico y obtener, con gran certeza, los mismos diámetros de corte que en la practica. El procedimiento para diseñar un impactador es esencialmente el mismo para los que tienen configuración redonda o rectangular. Para un impactador en cascada que opere a un flujo de aire constante se sugiere seguir el siguiente procedimiento.. 1. Escoja un tamaño de corte deseado, Dp. Si la densidad, ρp es diferente de la unitaria, calcule el valor. C D50 (Donde D50 es el diámetro aerodinámico. equivalente de una esfera de densidad unitaria) de:. C D50 = ρ p C D p. Ecuación (5). La variación en el factor de corrección de Cunningham es usualmente despreciable para diferencias pequeñas en el diámetro. Por lo que el valor de C es aproximadamente igual en ambos lados de la ecuación 5 en la mayoría de los casos.. 2. Utilice el programa para calcular el número y el tamaño de los orificios requeridos para determinado Reynolds y diámetro de corte. Como las características de corte son aproximadamente constantes sobre una buena región de Reynolds desde los 500 hasta cifras muy grandes, miles, se recomienda que se asuma un valor de 3000.. 67.