Las empresas de metal mecánica utilizan colectores de polvo industrial y neblina en las máquinas-herramienta para ayudar a filtrar y limpiar el aire ambiental, a fin de reducir los efectos adversos de la exposición a los fluidos y humos producidos por los procesos de metal mecánica, y así cumplir con los estándares de calidad del aire interior, reducir costos de mantenimiento, reducir costos de limpieza y mejorar la calidad de las piezas.

Si bien los beneficios de la recolección polvo industrial y neblina son muchos, las opciones para equipos colectores de polvo industrial y neblina pueden ser confusas. En este artículo examinaremos diferentes tipos de colectores APISTE, y los principios de diseño usados para lograr separar los elementos suspendidos (gotas o partículas) nebulizados dentro de una corriente de aire.

Los temas que abordaremos en este artículo son:

• Definiciones de neblina y humo
• Eficiencia visible
• Características de presentación
• Fundamentos de funcionamiento para varios tipos de recolectores de niebla
• Optimización de filtros
• Medición de la eficiencia del colector
• Niebla y humo

• La neblina se puede definir generalmente como una gota de líquido de 20 micrones de diámetro o menos.

Este artículo se centra en aplicaciones que utilizan lubricantes y refrigerantes a base de aceite y solubles en agua. Estos lubricantes y refrigerantes se emplean en muchas aplicaciones que incluyen corte de metales, conformado de metales, rectificado, lavado de piezas y otras. Por ejemplo, las operaciones de fresado y torneado que utilizan fluidos para trabajar metales solubles en agua producen típicamente gotas de niebla que van desde 2 micrones hasta 20 micrones. Las mismas operaciones que utilizan fluidos a base de aceite suelen producir gotas de neblina que van desde 0,5 micrones hasta 10 micrones.

La neblina es típicamente un material mucho más pequeño, de 0.07 micrones a 1 micrón de diámetro, y puede ser un aerosol sólido o líquido que resulta de la combustión incompleta o la condensación de un vapor sobresaturado. A veces se le llama niebla generada térmicamente o humo aceitoso. Las aplicaciones comunes que generan neblina son el cabezal en frío, el maquinado de metales duros con aceite puro, el uso de depósitos de aceite lubricante en generadores grandes y el tratamiento térmico.

• Sobre la eficiencia visible.

algunos fabricantes creen que, si no pueden ver la niebla, no existe. Esta opinión no reconoce el daño que la neblina sub-micrónica puede causar al entorno de fabricación, en términos de exposición de los trabajadores, mantenimiento y limpieza, y cumplimiento de las normas de emisión o calidad del aire interior. De hecho, el ojo humano no puede ver gotas individuales de menos de 40 micrones, pero hay evidencia sustancial de que hay gotas de niebla más pequeñas en muchas operaciones de trabajo de metales. Es posible que no pueda verlos, aunque si puede olerlos.

• Características de presentación de la neblina

La función principal de los colectores de polvo industrial y neblina es eliminar las gotas de neblina y humo de la corriente de aire. Para lograr esta tarea, un recolector debe fusionar pequeñas gotas en gotas más grandes y luego drenar el refrigerante recolectado de los filtros antes de que se taponen.

• Sobre el rendimiento de los colectores.

El rendimiento de colectores de polvo industrial y de neblina se puede caracterizar por tres propiedades medibles:

1. Caída de presión: La caída de presión operativa del colector es importante como parte de la ecuación del costo de energía. Las caídas de presión más altas significan que se requiere más energía para extraer el flujo de aire requerido a través del colector.
2. Tasa de flujo:  la tasa de flujo del colector es importante porque determina la cantidad de aire que se limpiará. Si el flujo es demasiado bajo, entonces se extraerá menos aire cargado de niebla o humo a través del colector y no será capturado por el sistema destinado a capturarlo. Si el caudal es demasiado alto, entonces se desperdicia energía a medida que el aire sobrante se extrae a través del colector. También es deseable una tasa de flujo de aire constante para mantener una eficiencia de captura de gotas constante.
3. Eficiencia:  La eficiencia de los colectores para eliminar las gotas de niebla y humo de la corriente de aire es importante porque determina qué tan limpio estará el aire cuando salga del colector y normalmente se ventila al ambiente interior. Esta es la razón para instalar un colector de polvo industrial y neblina: para limpiar el aire. La eficiencia es la medida clave para determinar cuánto más limpio estará el aire cuando salga del colector

Además del diseño básico de los colectores, hay una serie de propiedades de neblina que afectarán el rendimiento de un colector de neblina:

• Concentración de neblina: la cantidad de niebla contenida en un volumen de aire varía mucho de una aplicación a otra. En pruebas de campo se han observado concentraciones de neblina tan bajas como 3 mg / m³ y tan altas como 37 mg / m³. Es probable que las aplicaciones reales tengan un rango aún mayor de concentraciones de neblina. Los límites de OSHA para los fluidos para trabajar metales en el aire varían desde 5 mg / m³ (exposición de 8 horas) para aceite mineral, hasta 15 mg / m³ (exposición de 8 horas) para otros refrigerantes. Los límites recomendados por NIOSH son más bajos, hasta 0.4 mg / m³.² En un ambiente de oficina general, las concentraciones de material particulado tienden a estar en el rango de 0.02 - 0.03 mg / m³ - sustancialmente más bajas que las concentraciones de neblina cerca de las operaciones de trabajo de metales.
• Temperatura de la neblina: la condensación puede ocurrir cuando la neblina a alta temperatura se enfría, lo que puede afectar el tamaño de las gotas y los medios de recolección. Para los refrigerantes a base de agua, el agua se evaporará a temperaturas más altas y niveles de humedad relativa más bajos, creando así tamaños de gota más pequeños. También es importante considerar los límites de temperatura de funcionamiento del medio filtrante al seleccionar una tecnología de recolección de neblina o humo.
• Tipo de neblina: los diferentes tipos de gotas de neblina tendrán diferentes propiedades de tensión superficial y viscosidad, que afectan la capacidad del recolector de neblina para fusionar y drenar la neblina.

Distribución del tamaño de las gotas de neblina: en general, es más fácil capturar gotas de mayor tamaño, pero las gotas grandes también pueden contribuir significativamente a la masa total de líquido contenida en la niebla, que eventualmente debe drenarse del colector. La Ilustración 1 muestra una distribución hipotética del tamaño de las gotas de niebla y humo. 

Imagen 1- Distribución hipotética del tamaño de las gotas de niebla y humo de las operaciones de trabajo de metales.

• Inclusiones: si una neblina está limpia, no contiene partículas secas y solo debemos preocuparnos por drenar el líquido. Sin embargo, una neblina sucia también contendrá una fracción de partículas secas (virutas) que también deben separarse de la corriente de aire.

• Fundamentos de funcionamiento de colectores de polvos industriales y neblina para varios tipos de recolectores de niebla

Las gotas de neblina se pueden capturar de varias formas:

• Precipitación electrostática: Los precipitadores electrostáticos funcionan extrayendo el aire cargado de neblina a través de un ionizador que le da a cada gota una carga positiva o negativa. Las gotas cargadas son luego capturadas por celdas de recolección que utilizan placas alternas de alto voltaje y puestas a tierra para empujar / tirar de las gotas cargadas sobre la placa. Las gotas se unen en las placas y se drenan de los colectores de polvos industriales y de neblina. Los precipitadores electrostáticos tienen una serie de ventajas, que incluyen la ausencia de filtros para reemplazar, el uso de energía relativamente bajo y una alta eficiencia cuando son nuevos y completamente limpios. Sin embargo, los precipitadores electrostáticos han caído en desgracia debido a sus muy arduos y frecuentes requisitos de mantenimiento. Las partes dentro de un precipitador electrostático deben mantenerse meticulosamente limpias para mantener la eficiencia de carga y captura de las gotas. Incluso con un mantenimiento regular, puede haber dificultades adicionales. Cualquier daño a las placas cargadas en la celda de recolección puede resultar en arcos eléctricos. De manera similar, las aplicaciones en las que hay polvo metálico, virutas o virutas acumuladas con las gotas de niebla pueden provocar arcos eléctricos dentro del precipitador electrostático. Finalmente, los precipitadores electrostáticos generan ozono, que es un contaminante del aire interior y conocido irritante.
• Separación inercial: Los colectores que dependen principalmente de la separación inercial operan de la siguiente manera para separar las gotas transportadas en una corriente de aire. A medida que la corriente de aire se desvía alrededor de una superficie, las gotas tienen impulso y continúan su camino, impactando la superficie y finalmente fusionándose con otras gotas y drenando. Aunque existen muchos tipos y estilos diferentes de separación inercial, todos tienen algunas cosas en común. Primero, los separadores inerciales pueden funcionar sin un mecanismo de filtración de barrera; por lo general, no tienen filtros primarios que deban cambiarse. Sin embargo, generalmente requieren un mantenimiento bastante regular para limpiar los componentes de cualquier contaminación. Además, la separación inercial funciona mejor en gotas grandes ya que la captura de las gotas depende de que NO sigan la corriente de aire. Las gotas más grandes tienen más masa, más impulso y una mayor tendencia a impactar la superficie de captura. Los separadores inerciales tienden a tener poca eficiencia para gotas de menos de 1 a 2 micrones de diámetro. Finalmente, para los separadores inerciales motorizados que giran, la materia sólida puede acumularse y atascarse en las piezas giratorias, lo que eventualmente conducirá a una condición de desequilibrio que transmite vibraciones a la máquina herramienta y puede afectar las tolerancias en las piezas mecanizadas.
• Medio filtrante: Los colectores que utilizan medios filtrantes fibrosos se basan en cuatro mecanismos de filtración para eliminar las gotas de niebla y humo de una corriente de aire (consulte la Figura 2):

Imagen 2 - Mecanismos de filtrado

1. El tamizado es el mecanismo de filtración predominante que recolecta gotas más grandes, mayores de 10 micrones. El tamizado se produce cuando la gota es físicamente demasiado grande para pasar entre dos o más fibras. El tamizado es lo que impide que un insecto volador atraviese la pantalla de una ventana. Cuando la gota entra en contacto con una fibra, se adhiere a la superficie, se fusiona con otras gotas y se drena del colector.
2. La impactación inercial es el mecanismo de filtración que recolecta principalmente gotas de tamaño micrométrico y más grandes. La impactación inercial ocurre cuando la corriente de aire es desplazada por la fibra del medio mientras la gota continúa en su curso original debido a su masa.
3. La interceptación es el mecanismo de filtración que recolecta predominantemente gotas de tamaño de 0,1 a 1 micrón. La interceptación ocurre cuando una gota sigue una corriente de aire pero aún se acerca lo suficiente a una fibra para adherirse a ella.
4. La difusión es el mecanismo de filtración que recolecta predominantemente gotas muy finas, de menos de 0,1 micrones de tamaño. Debido a que las gotas son tan pequeñas, están influenciadas por fuerzas moleculares dentro de la corriente de aire, que hacen que las gotas se muevan en la misma dirección general que la corriente de aire y, sin embargo, se muevan independientemente de ella.

Una vez que las gotas se adhieren a las fibras en el medio filtrante, se fusionan con otras gotas en las fibras mismas. Cuando la gota fusionada es lo suficientemente grande, la fuerza de la gravedad empujará la gota hacia abajo a lo largo de la fibra donde drenará. Una de las grandes compensaciones en la filtración de neblina es equilibrar la necesidad de que las gotas se drenen con la necesidad de una alta eficiencia. Se pueden lograr mayores eficiencias de filtración mediante el uso de fibras más pequeñas. Pero las fibras más pequeñas requieren resinas para mantener unidos los medios, y las resinas evitan que el líquido coalescido se drene de manera efectiva (ver Figura 3).

Imagen 3 - Imagen SEM del medio filtrante de poliéster / vidrio a 500 veces que muestra una "red" de resina entre las fibras.

Los medios filtrantes hechos de fibras pequeñas tienden a taponarse fácilmente con el líquido capturado. Como usar un filtro HEPA sin ninguna separación previa (Figura 4).

Imagen 4 - Imagen SEM de todos los medios filtrantes de vidrio ampliada 1000 veces

Cuando el medio filtrante está hecho de fibras grandes, las características de drenaje mejoran enormemente, pero la capacidad del medio para capturar las gotas de niebla (especialmente las más pequeñas) se ve seriamente comprometida.

Algunos recolectores de medios fibrosos utilizan medios elevados en filtros tipo bolsa. Estos filtros no contienen mucha resina, por lo que drenan con eficacia y tienen una eficiencia bastante buena. Sin embargo, su estructura no es muy estable. Con el tiempo, las fibras del medio colapsarán juntas, lo que conduce a un aumento de la caída de presión, una reducción del flujo de aire y una reducción de la eficiencia de filtración.

• Optimización de filtros de colectores de polvo industrial y neblinas.

Una forma de ayudar a lograr el deseo de lograr una alta eficiencia y un drenaje efectivo es mediante el uso de capas. Muchos colectores de polvo industrial y neblina tienen una capa de pre-filtro, que se compone de fibras, mallas o pantallas generalmente grandes que capturan las gotas más grandes y las dejan drenar fácilmente. Una segunda capa o capa primaria captura la mayoría de las gotas restantes con un medio de mayor eficiencia, pero aún mantiene buenas características de drenaje. Un filtro final generalmente tiene una clasificación HEPA (99.97% de eficiencia en partículas de 0.3 micrones) o DOP (95% de eficiencia en partículas de 0.3 micrones). Estos filtros tienen una alta eficiencia y así eliminan la gran mayoría de las gotas que les llegan; sin embargo, drenan mal y tienden a enchufarse en un colector mal diseñado. En un colector bien diseñado, el pre-filtro captura la gran masa de gotas grandes y las drena eficazmente. Luego, el filtro primario captura la mayoría de las gotas restantes, pero experimenta menos carga porque el prefiltro ya ha capturado una parte sustancial de la masa total. Finalmente, el filtro final experimentará una carga de gotas muy baja pero tendrá una alta eficiencia. Si alguna de estas capas funciona mal, todo el colector funcionará mal.

Una forma más consistente de lograr la alta eficiencia y el drenaje necesarios es mediante el uso de una tecnología de medios diseñada específicamente para abordar los problemas de filtración en la recolección de neblina.

Existen algunas mezclas diseñadas de fibras pequeñas y grandes con un sistema de unión sin resina. El diseño de este tipo permite que el filtro primario funcione con su mayor ventaja. El medio proporciona niveles superiores de rendimiento debido al sistema de unión que fusiona con calor la superficie de las fibras de unión con las micro fibras de vidrio circundantes. Este tipo de unión permite una estructura de poros estable para un rendimiento óptimo y una vida más larga porque ninguna resina bloquea los poros. Ahora, las fibras pequeñas pueden aumentar la eficiencia sin un sistema de resina que comprometa un buen drenaje. Las fibras grandes aún pueden proporcionar el soporte general de la estructura mientras mantienen los canales de drenaje claros para un rendimiento superior.

• Medición de la eficiencia del colector de polvo industrial y neblina

Otro punto interesante sobre la recolección de neblina que usa filtros de medios es que las características de caída de presión son muy diferentes a las de los recolectores de partículas secos. Las partículas secas en un colector estático (sin limpieza) se capturan en los filtros, lo que hace que la caída de presión aumente sustancialmente y que la eficiencia aumente cuanto más tiempo funcione el colector. Esencialmente, las nuevas partículas secas tienen que pasar a través de una torta de partículas secas capturadas previamente. El polvo que se captura sirve para aumentar la eficiencia de partículas del colector.

En la filtración de neblina, la caída de presión aumentará modestamente a medida que el medio se sature con líquido. Sin embargo, la eficiencia generalmente sufre una pequeña disminución a medida que el recolector continúa funcionando. La razón subyacente de la disminución de la eficiencia es la estructura de poros creada por el medio fibroso en un filtro de niebla. A medida que el líquido se captura y se fusiona, los poros pequeños se llenan o se tapan con líquido. Los poros más grandes restantes se dejan hacer todo el filtrado, lo que conduce a dos cosas:

Un aumento en la velocidad del aire a través de los poros restantes y un aumento de la caída de presión que lo acompaña, y un aumento en la velocidad del aire a través de los poros más grandes restantes, que son menos eficientes en la captura de gotas submicrónicas, por lo que hay una aparente reducción en la eficiencia del filtro.

¿Qué significa esto para el comprador de un colector de polvo industrial y neblina?  Si se proporciona la eficiencia declarada del colector para un nuevo filtro, será mayor que la eficiencia obtenida en la aplicación real. La única eficiencia verdadera y representativa es la que se mide, utilizando una neblina, durante un período de tiempo.

- Conclusión

La selección de una tecnología de colector de polvo industrial y neblina puede ser una tarea abrumadora. Sin embargo, al comprender las diferencias y compensaciones entre las tecnologías fundamentales de recolección de neblina y humo, y al hacer coincidir las características y objetivos de su taller se puede encontrar una buena solución.