1. ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERIA (ICAI)INGENIERO TCNICO MECNICODISEO Y CLCULO DE UN BANCO UNIVERSAL DE PRUEBAS DE FILTROS DE AUTOMOCINAutor: Alberto Nieto RollnDirector: Juan de Norverto MorigoMadridMayo de 2012

2. Proyecto realizado por el alumno/a:Alberto Nieto Rolln Fdo.: Fecha: / / Autorizada la entrega del proyecto cuya informacin no es de carcter confidencialEL DIRECTOR DEL PROYECTO Juan de Norverto Morigo Fdo.: Fecha: / / V B del Coordinador de Proyectos Luis Manuel Mochn Castro Fdo.: Fecha: / / 3. ESTE PROYECTO CONTIENE LOS SIGUIENTES DOCUMENTOSDOCUMENTO N1, MEMORIA1 Memoria descriptiva pg. 001 a 182 182 pginas2 Clculos justificativos pg. 183 a 21634 pginas3 Anexospg. 217 a 28266 pginasDOCUMENTO N2, PLANOS1 Lista de planos pg. 01 a 022 pginas2 Planospg. 03 a 12 10 pginasDOCUMENTO N3, PLIEGO DE CONDICIONES1 Tcnicas y Particulares pg. 1 a 2 2pginasDOCUMENTO N4, PRESUPUESTO1 Presupuesto banco aceite pg. 1 a 4 4 pginas2 Presupuesto banco combustiblepg. 5 a 8 4 pginas3 Presupuesto proyecto pg. 9 a 9 1 pginas 4. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIALRESUMEN DEL PROYECTODISEO Y CLCULO DE UN BANCO UNIVERSAL DE PRUEBAS DE FILTROS DE AUTOMOCINAutor: Nieto Rolln, Alberto.Director: De Norverto Morigo, Juan.Entidad Colaboradora: Universidad Pontificia Comillas. El siguiente proyecto consiste en el diseo y el clculo de un banco universalde pruebas de filtros de automocin, es decir, un banco en el que se puedan ensayarlos diferentes tipos y modelos de los filtros de aceite y combustible que existen en elmercado. Para llevar a cabo este proyecto es necesario familiarizarse con la normativavigente que regula las pruebas y ensayos de este tipo de filtros. Una vez conocidadicha normativa, se procede a realizar el diseo de la instalacin hidrulica.Posteriormente, se contina haciendo una seleccin de los distintos componentes queformarn el banco de pruebas. Finalmente se procede a realizar un diseo final de lainstalacin con las dimensiones que tendr, y se adapta a un soporte previamentediseado. En estas instalaciones se pretenden realizar estudios de eficiencia de filtrado yde vida til, principalmente. Por este motivo las instalaciones deben cumplir losrequisitos necesarios para evaluar dichos parmetros durante el ensayo. 5. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL Las instalaciones funcionan mediante el mtodo de ensayos Multi pass. Esteensayo consiste en hacer circular un fluido por una instalacin repetidas vecesdurante un tiempo determinado mientras se va aadiendo suciedad de maneracontrolada. Realizando extracciones de muestra antes y despus del filtro bajoensayo se determina la eficiencia de filtrado mediante el uso de contadores departculas. Para evaluar la vida til del filtro se utiliza un manmetro diferencial quemide la diferencia de presin entre la entrada y la salida del filtro. Este alcanzar elfinal de su vida til cuando la presin diferencial alcance un determinado valor. Cabe destacar que, cuando se realice el ensayo de un filtro de gasoil, sernecesario aadir agua adems de suciedad, ya que se quiere evaluar la eficiencia deretencin de agua que tienen estos filtros. Dicha eficiencia se averigua controlando elagua que se introduce en el circuito y el agua que el filtro retiene en el depsitodestinado a este fin. En lo que respecta a la instalacin para la prueba de los filtros de aceite, se hautilizado una bomba de engranajes, que proporciona el caudal necesario especificadoen la norma y una presin mxima muy por encima de los requerimientos del banco.La presin mxima requerida es de 8,95 bar. Otro parmetro que se debe controlar esla temperatura del fluido, que debe ser de 76,5 C para que el aceite elegido tengauna viscosidad cinemtica de 15 mm2/s, que es lo estipulado en la normativa.Tambin se controlar la presin a la entrada del filtro que tendr un valorcomprendido entre 4 5 bar, dependiendo del filtro que se ensaye. Finalmente, una vez elegidos todos los elementos que compondrn el banco,se disear la instalacin adaptada a un soporte previamente diseado. El resultadose muestra en la siguiente imagen: 6. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIALInstalacin del banco de filtros de aceite. En lo que respecta a la instalacin para la prueba de los filtros decombustible, se ha utilizado una bomba peristltica, tal y como aparece especificadoen la normativa correspondiente, que proporciona el caudal necesario especificado enla norma y una presin mxima suficiente para cumplir con los requerimientos delbanco. La presin mxima requerida es de 4,22 bar. Otro parmetro que se debecontrolar es la temperatura del fluido, que debe ser de 23 C, tal y como estestipulado en la normativa. Tambin se controlar la presin a la entrada del filtroque tendr un valor comprendido entre 2 4 bar, dependiendo del filtro que seensaye. Finalmente, una vez elegidos todos los elementos que compondrn el banco,se disear la instalacin adaptada a un soporte previamente diseado. El resultadose muestra en la siguiente imagen: 7. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL Instalacin del banco de filtros de combustible.Finalmente, el coste total del proyecto ser la suma del coste de ambos bancos:Elemento Mediciones Precio Unitario Sumas Parciales () Banco de filtros de aceite1 Ud.13362,32 /Ud. 13362,32 Banco de filtros de combustible 1 Ud.14645,97 /Ud. 14645,97 28008,29 El presupuesto total necesario para llevar a cabo el proyecto asciende, portanto, a 28008,29 . 8. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIALPROJECT SUMMARY DESIGN AND CALCULATION OF A UNIVERSAL BANK OF TESTS OFAUTOMOTIVE FILTERSAuthor: Nieto Rolln, Alberto.Director: De Norverto Morigo, Juan.Collaborating Organization: Universidad Pontificia Comillas. The following project consists of the design and the calculation of a universalbank of tests of automotive filters, that is to say, a bank in which the different typesand models of oil filters and fuel that exist in the market can be tested. To carry out this project is necessary to become familiar with currentregulations governing the testing and trials of this type of filters. Once it is knowthose rules, it is proceed to develop the design of the hydraulic system. Then,continue with a selection of the different components that make the test rig. Finally itis come to make a final design to installation with dimensions that will have, and it isadapted to a support previously designed. These installations are intended to study for filtration efficiency and lifetime,mainly. For this reason, the installation must meet the requirements needed to assessthese parameters during the test. The installation is operating by the method of multi pass test. This testconsists of circulating a fluid through a rig repeatedly during a given time while youadd dirt in a controlled manner. Performing extractions sample before and after thefilter under test is determined the filtration efficiency using particle counters. To 9. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIALevaluate the life of the filter using a differential pressure gauge which measures thepressure difference between inlet and outlet of the filter. This will reach the end of itslife when the differential pressure reaches a certain value. Notably, when performing the test of a fuel filter, it will be necessary to addwater in addition to dirt, since we want to evaluate the efficiency of retention ofwater with these filters. Such efficiency is ascertained by controlling the waterintroduced into the circuit and the water retained in the filter shell intended for thispurpose. With respect to the installation for testing oil filters, has been used a gearpump, which provides the necessary flow rate specified in the regulation and a highpressure well above the requirements of the bank. The maximum required pressure is8.95 bar. Another parameter to be controlled is the temperature of the fluid, whichshould be 76.5 C for the chosen oil, has a kinematic viscosity of 15 mm2/s, which isstipulated in the regulations. Also controls the pressure at the inlet of the filter willhave a value between 4 to 5 bar, depending on the filter under test. Finally, once elected all the elements that make up the bank, the installationwill be designed to a support adapted previously designed. The result is shown in theimage below: 10. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL Installing oil filter bank. In regard to the installation for testing fuel filters, has been used a peristalticpump, as already specified in the corresponding regulations, which provides thenecessary flow rate specified in the regulation and a high pressure sufficient to meetrequirements of the bank. The maximum pressure of 4.22 bar is required. Anotherparameter to be controlled is the temperature of the fluid, which should be 23 C, asstipulated in the regulations. Also controls the pressure at the inlet of the filter willhave a value between 2 to 4 bar, depending on the filter under test. Finally, once elected all the elements that make up the bank, the installationwill be designed to a support adapted previously designed. The result is shown in theimage below: 11. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIALInstalling fuel filter bank.Finally, the total project cost will be the sum of the cost of both banks:ElementMeasurements Unitary price Partial sums () Bank of oil filters1 You 13362.32 /Ud. 13362,32Bank of fuel filters1 You 14645.97 /Ud. 14645,97 28008,29 The total budget necessary to carry out the project ascends, therefore, a28008,29 . 12. Documento N 1 Memoria. ndice GeneralCaptulo 1: Memoria descriptiva ...............................................1Captulo 2: Clculos justificativos .........................................183Captulo 3: Anexos .................................................................217 13. MEMORIA DESCRIPTIVA 14. Captulo 1: Memoria descriptiva ndice general1.1.- Introduccin .......................................................................1 1.1.1.- Motivacin del proyecto ............................................................ 1 1.1.2.- Objetivos .................................................................................... 3 1.1.3.- Metodologa ............................................................................... 4 1.1.4.- Ubicacin del banco de ensayos ............................................... 61.2.- La filtracin ........................................................................7 1.2.1.- Tecnologas de filtracin .......................................................... 8 1.2.2.- Parmetros de los filtros ......................................................... 19 1.2.3.- Tipos de filtros en automocin ............................................... 30 1.2.4.- Mtodos de ensayo de filtros ................................................... 401.3.- Banco de ensayo filtro de aceite ......................................51 1.3.1.- Especificaciones de partida .................................................... 53 1.3.2.- Esquema hidrulico del banco ............................................... 59 1.3.3.- Componentes ........................................................................... 641.3.3.1.- Depsito principal .............................................................................. 641.3.3.2.- Bomba ................................................................................................ 651.3.3.3.- Vlvulas reguladoras de caudal ........................................................ 691.3.3.4.- Vlvula reguladora de presin .......................................................... 731.3.3.5.- Depsitos adicionales ........................................................................ 751.3.3.6.- Agitador.............................................................................................. 771.3.3.7.- Caudalmetros .................................................................................... 79 i 15. 1.3.3.8.- Sensor de temperatura ....................................................................... 83 1.3.3.9.- Contador de partculas ...................................................................... 85 1.3.3.10.- Vlvula on off ............................................................................... 90 1.3.3.11.- Acoplamientos del filtro bajo ensayo .............................................. 92 1.3.3.12.- Manmetros ..................................................................................... 93 1.3.3.13.- Filtro de micronaje estrecho ........................................................... 96 1.3.3.14.- Calentador........................................................................................ 99 1.3.3.15.- Intercambiador de placas .............................................................. 101 1.3.3.16.- Aceite a utilizar .............................................................................. 103 1.3.3.17.- Conductos y tuberas ..................................................................... 106 1.3.3.18.- Soporte del banco .......................................................................... 107 1.3.3.19.- Mdulo de adquisicin de datos .................................................... 1101.3.4.- Diseo final ........................................................................... 1121.4.- Banco de ensayo filtro de combustible ..........................1171.4.1.- Especificaciones de partida .................................................. 1191.4.2.- Esquema hidrulico del banco ............................................. 1251.4.3.- Componentes ......................................................................... 131 1.4.3.1.- Depsito principal ............................................................................ 131 1.4.3.2.- Bomba .............................................................................................. 132 1.4.3.3.- Vlvulas reguladoras de caudal ...................................................... 134 1.4.3.4.- Vlvula reguladora de presin ........................................................ 139 1.4.3.5.- Depsitos adicionales ...................................................................... 141 1.4.3.6.- Agitador............................................................................................ 144 1.4.3.7.- Caudalmetros .................................................................................. 146 1.4.3.8.- Sensor de temperatura ..................................................................... 150 1.4.3.9.- Contador de partculas .................................................................... 152 1.4.3.10.- Vlvula on off ............................................................................. 157 1.4.3.11.- Acoplamientos del filtro bajo ensayo ............................................ 159 1.4.3.12.- Manmetros ................................................................................... 160 ii 16. 1.4.3.13.- Filtro de micronaje estrecho ......................................................... 163 1.4.3.14.- Calentador...................................................................................... 166 1.4.3.15.- Intercambiador de placas .............................................................. 168 1.4.3.16.- Combustibles a utilizar .................................................................. 170 1.4.3.17.- Conductos y tuberas ..................................................................... 172 1.4.3.18.- Soporte del banco .......................................................................... 173 1.4.3.19.- Mdulo de adquisicin de datos .................................................... 1761.4.4.- Diseo final ........................................................................... 178iii 17. ndice de ilustracionesFigura 1: Mecanismos de retencin de partculas ...................................................... 9Figura 2: Filtracin de profundidad.......................................................................... 13Figura 3: Filtracin por torta .................................................................................... 14Figura 4: Funcionamiento de un filtro coalescente ................................................... 17Figura 5: Paso de una partcula acicular.................................................................. 20Figura 6: Curvas del tamao superficial de un filtro ................................................ 26Figura 7: Efectos del cambio de temperatura ........................................................... 27Figura 8: Efecto de la acumulacin de slidos ......................................................... 28Figura 9: Cada de presin frente a tiempo de proceso ............................................ 28Figura 10: Componentes de un filtro Spin On ........................................................ 31Figura 11: Funcionamiento filtro Spin On ............................................................. 32Figura 12: Elemento filtrante intercambiable ........................................................... 33Figura 13: Filtro de gasolina tipo In Line ................................................................. 34Figura 14: Filtro de gasolina tipo DLF ..................................................................... 35Figura 15: Funcionamiento de un filtro tipo DLF..................................................... 35Figura 16: Filtro de gasoil coalescente ..................................................................... 36Figura 17: Filtros de aire de admisin ...................................................................... 37Figura 18: Partes de un filtro de aceite ..................................................................... 38Figura 19: Filtro de cabina con carbn activado ..................................................... 39Figura 20: Esquema del Single pass ....................................................................... 40Figura 21: Instalacin para ensayo de capacidad de retencin de suciedad ........... 42Figura 22: Distribucin del tamao de partculas de aluminio ................................ 44Figura 23: Esquema del ensayo Multi pass ............................................................ 49Figura 24: Esquema hidrulico del banco de ensayo de filtros de aceite ................. 59Figura 25: Depsito principal de aceite .................................................................... 64Figura 26: Caudal de la bomba ................................................................................. 66Figura 27: Rendimiento volumtrico de la bomba .................................................... 66Figura 28: Potencia consumida por la bomba .......................................................... 67Figura 29: Bomba de engranajes .............................................................................. 68iv 18. Figura 30: Vlvula de regulacin para el caudal principal ...................................... 70Figura 31: Vlvula reguladora del caudal de fluido sucio y caudal de muestra ...... 72Figura 32: Vlvula reguladora de presin ................................................................ 74Figura 33: Depsito supletorio para fluido sucio y recogida de muestras ............... 75Figura 34: Agitador y soporte ................................................................................... 77Figura 35: Caudalmetro para caudal principal ....................................................... 80Figura 36: Prdidas de carga generadas por el caudalmetro ................................. 81Figura 37: Caudalmetro para fluido sucio y muestra .............................................. 82Figura 38: Sensor de temperatura ............................................................................. 84Figura 39: Contador de partculas HYDAC CS 1000 Series .................................... 88Figura 40: Prdidas de carga originadas por el contador de partculas.................. 89Figura 41: Vlvula on off ........................................................................................ 91Figura 42: Croquis del sistema de adaptacin filtros Spin On .............................. 92Figura 43: Manmetro diferencial ............................................................................ 94Figura 44: Manmetro de presin a la entrada del filtro y en el depsito ............... 95Figura 45: Prdidas de carga en funcin del caudal ................................................ 97Figura 46: Eficiencia de filtrado del filtro de micronaje estrecho ............................ 97Figura 47: Filtro de micronaje estrecho ................................................................... 98Figura 48: Calentador elctrico .............................................................................. 100Figura 49: Intercambiador de calor de placas ........................................................ 102Figura 50: Soporte para el banco de aceite ............................................................ 108Figura 51: Mdulo de adquisicin de datos ............................................................ 111Figura 52: Vista frontal del banco de ensayos ........................................................ 112Figura 53: Vista trasera del banco de ensayos ....................................................... 113Figura 54: Esquema hidrulico del banco de ensayo de filtros de combustible ..... 125Figura 55: Depsito principal de combustible ........................................................ 131Figura 56: Funcionamiento de la bomba ................................................................ 133Figura 57: Bomba peristltica ................................................................................. 133Figura 58: Vlvula de regulacin para el caudal principal .................................... 135Figura 59: Vlvula reguladora del caudal de fluido sucio y caudal de muestra .... 138Figura 60: Vlvula reguladora de presin .............................................................. 140Figura 61: Depsito supletorio para fluido sucio y recogida de muestras ............. 142 v 19. Figura 62: Agitador y soporte ................................................................................. 144Figura 63: Prdidas de carga generadas por el caudalmetro ............................... 147Figura 64: Caudalmetro para fluido sucio y muestra ............................................ 148Figura 65: Caudalmetro de agua ........................................................................... 149Figura 66: Sensor de temperatura ........................................................................... 151Figura 67: Contador de partculas HYDAC CS 1000 Series .................................. 155Figura 68: Prdidas de carga originadas por el contador de partculas................ 156Figura 69: Vlvula on off ...................................................................................... 158Figura 70: Croquis del sistema de adaptacin filtros Spin On ............................ 159Figura 71: Manmetro diferencial .......................................................................... 161Figura 72: Manmetro de presin a la entrada del filtro y en el depsito ............. 162Figura 73: Prdidas de carga en funcin del caudal .............................................. 164Figura 74: Eficiencia de filtrado del filtro de micronaje estrecho .......................... 164Figura 75: Filtro de micronaje estrecho ................................................................. 165Figura 76: Calentador elctrico .............................................................................. 167Figura 77: Intercambiador de calor de placas ........................................................ 169Figura 78: Soporte para el banco de aceite ............................................................ 174Figura 79: Mdulo de adquisicin de datos ............................................................ 179Figura 80: Vista frontal del banco de ensayos ........................................................ 178Figura 81: Vista trasera del banco de ensayos ....................................................... 179Figura 82: Esquema parcial de la instalacin del banco de aceite ........................ 195Figura 83: Esquema parcial de la instalacin del banco de combustible ............... 208vi 20. ndice de tablasTabla 1: Relacin Beta y eficiencia ........................................................................... 24Tabla 2: Distribucin del tamao de partculas del azul de metileno ....................... 45Tabla 3: Distribucin del tamao de partculas del cloruro de sodio ....................... 46Tabla 4: Distribucin del tamao de las partculas .................................................. 56Tabla 5: Composicin qumica del ISO MTD............................................................ 56Tabla 6: Precisin requerida de las mediciones........................................................ 57Tabla 7: Asignacin de los nmeros de escala .......................................................... 86Tabla 8: Limpieza del fluido necesaria para componentes lubricados tpicos ......... 87Tabla 9: Propiedades del aceite REPSOL TELEX E ............................................... 103Tabla 10: Precios de los elementos de tuberas ....................................................... 116Tabla 11: Propiedades del gasoil segn la normativa ............................................ 121Tabla 12: Distribucin del tamao de las partculas .............................................. 122Tabla 13: Composicin qumica del ISO MTD........................................................ 123Tabla 14: Precisin requerida de las mediciones .................................................... 124Tabla 15: Asignacin de los nmeros de escala ...................................................... 153Tabla 16: Limpieza del fluido necesaria para componentes lubricados tpicos ..... 154Tabla 17: Propiedades de la gasolina REPSOL Efitec 95 ...................................... 170Tabla 18: Propiedades del gasoil REPSOL Diesel e+ ............................................ 171Tabla 19: Precios de los elementos de tuberas ....................................................... 182Tabla 20: Tiempos de ensayo para los filtros de aceite ........................................... 191Tabla 21: Prdidas de carga en los elementos del banco ....................................... 198Tabla 22: Tiempos de ensayo para los filtros de combustible ................................. 204Tabla 23: Prdidas de carga en los elementos del banco ....................................... 212vii 21. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIALCaptulo 1 Memoria descriptiva1.1.- INTRODUCCIN1.1.1.- MOTIVACIN DEL PROYECTOEl siguiente proyecto consiste en realizar un diseo de una instalacin quepermita realizar ensayos de los filtros ms importantes de un automvil. Estainstalacin tiene bastante importancia ya que los filtros de un automvil son vitalespara el correcto funcionamiento del mismo. Por este motivo es necesario que serealicen ensayos en profundidad para poder garantizar el correcto funcionamiento delos distintos filtros durante toda su vida til.La empresa Millard Filters es una compaa que se dedica al diseo yfabricacin de filtros de aire, cabina, aceite y combustible, entre otros. El mercado alque se destinan estos filtros est basado en la industria automotriz, y este es elmotivo por el cual el diseo del banco universal se realizar en base a losrequerimientos y las normativas vigentes actualmente para este sector.Millard Filters es una empresa relativamente joven que intenta abrirse paso eneste mercado, el cual cuenta ya con una gran competencia entre distintos fabricantes,entre los cuales se encuentran nombres de la importancia de Bosch o Mann Filters.Para poder competir en este mercado necesita incorporar a sus instalaciones un bancode ensayo universal para los filtros de un automvil, el cual es el objetivo final deeste proyecto.1 22. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIALCon este banco de ensayos la empresa desea realizar varias tareas, tales comorealizar ensayos de los filtros que fabrica, realizar ensayos de los filtros de lasempresas de la competencia, para poder comparar productos, y realizar ensayos deprototipos de nuevos filtros antes de lanzarlos al mercado. Millard quiere conocer,entre otros aspectos, la eficiencia de filtracin y la vida til de los filtros que ensaya,por lo que tanto el banco universal como los mtodos de ensayo tienen que estarpreparados para proporcionar dichos parmetros.La intencin primera con la que la empresa ha propuesto este trabajo comoproyecto para alumnos de ICAI es la de instalar dicho banco universal de pruebas enuno de los laboratorios de la universidad. De este modo, la universidad puede utilizarla instalacin para que los alumnos realicen prcticas de laboratorio y la empresaMillard tiene la instalacin que necesita disponible para realizar los ensayos queconsidere oportunos. As ambas partes salen beneficiadas. An as, la empresatambin considera la posibilidad de instalar el banco de ensayos en alguna de susfbricas para poder realizar las pruebas de calidad pertinentes segn fabrican losdistintos filtros.2 23. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL1.1.2.- OBJETIVOSLos objetivos principales que tiene que cumplir este proyecto son los siguientes: Conocer las diferentes tecnologas de filtracin empleadas en la actualidad as como los distintos tipos de filtros existentes en el mercado en funcin del tipo de fluido que se desea filtrar. Disear una serie de instalaciones hidrulicas que se utilicen para realizar ensayos de los distintos tipos de filtros. Se deben realizar dos instalaciones para dos fluidos diferentes: aceite y combustible (diesel o gasolina). Dichas instalaciones tienen que permitir ensayar cualquier tamao de filtro as como medir la eficiencia y la vida til de los filtros ensayados. Realizar estudios de mercado para conseguir que las instalaciones tengan un coste bajo a la vez que realizan todas las funciones requeridas. Los diferentes elementosqueconforman las instalacionessehan seleccionado, primeramente por requerimientos tcnicos y, en segundo lugar, por coste. 3 24. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL1.1.3.- METODOLOGALa metodologa que se seguir para la realizacin del proyecto es la siguiente: Primeramente se profundizar en el estudio de los diferentes filtros incluidos en un automvil para comprender su funcionamiento. Tambin se estudiar la normativa correspondiente a cada uno de los filtros para realizar las instalaciones de tal forma que cumplan con los requisitos establecidos en dichas normas. Aunque estos bancos no vayan a ser empleados para homologar filtros, si se requiere que cumplan con la mayor parte de los requisitos impuestos en la normativa, ya que los filtros que se ensayen sern filtros homologados por los distintos fabricantes en base a dicha normativa, y as los datos que se obtengan en los ensayos de los bancos a disear sern comparables con los datos proporcionados por el fabricante del filtro que se ensaye. Se realizar un diseo preliminar de la parte hidrulica de las instalaciones para cada tipo de filtro, determinando los parmetros que se deben controlar durante los ensayos y en qu puntos deben controlarse. Los parmetros fundamentales que se desean medir son temperatura de operacin, caudal que circula por la instalacin, presin diferencial en el filtro, la cual determinar el final de la vida til del filtro, y el nmero y tamao de partculas que contiene el fluido, lo cual permite conocer la eficiencia de filtrado para distintos tamaos de partculas en base a lo establecido en la norma ISO 4406. Tras el diseo hidrulico se seleccionarn los diferentes componentes y sensores por medio de los cuales se van a realizar las mediciones de los distintos parmetros. 4 25. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL Una vez realizado el diseo hidrulico y seleccionados los distintoscomponentes, se proceder a realizar el diseo final de la instalacin,teniendo en cuenta las dimensiones reales de los aparatos que se van autilizar. Los bancos se han de colocar en emplazamientos del tipo delaboratorios o fbricas, donde el espacio disponible es reducido, por lo quelas instalaciones deben ser de pequeas dimensiones. Tambin se situarn enuna estructura vertical, la cual reduce el rea ocupada por la instalacinadems de ser ms accesible para la persona que se encargue de utilizarla. Tras la finalizacin del diseo de las diferentes instalaciones se proceder arealizar un presupuesto detallado de los distintos bancos diseados, as comode la instalacin completa, que es lo que finalmente desea realizar la empresaMillard Filters.5 26. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL1.1.4.- UBICACIN DEL BANCO DE ENSAYOS El banco de ensayos que se va a disear se instalar en el laboratorio deMquinas de Fluidos y Motores Trmicos de la Escuela Tcnica Superior deIngeniera ICAI (Universidad Pontificia Comillas), situada en la calle AlbertoAguilera, 25, Madrid. Plano de situacin de ICAI. Es importante destacar la ubicacin final del banco de ensayos porque, paraque este funcione correctamente, se necesitarn ciertos recursos que estndisponibles en el mencionado laboratorio. Principalmente se emplearn en el banco de ensayos las siguientesinstalaciones y recursos del laboratorio: Instalacin de aire comprimido: 1000 m3/h a una presin mxima de 7 bar. Instalacin de agua: 100 m3/h a una presin mxima de 10 bar.6 27. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL1.2.- LA FILTRACIN La filtracin comenz a mediados del siglo XIX como un proceso paralimpiar el agua que se consuma por parte de los habitantes de las ciudades. Losprimeros filtros constaban de un recipiente con pequeas piedras y arena en el que seechaba el agua, la cual se filtraba por gravedad. Hoy da la filtracin es un apartado fundamental en el funcionamiento de lossistemas mecnicos, hidrulicos, neumticos, etc. Con las tecnologas actuales defabricacin es imprescindible controlar los diferentes elementos a escalamicromtrica, por lo que es necesario evitar que partculas de unas micras de tamao(10 200 m) penetren en los sistemas porque pueden interferir en elfuncionamiento de los mismos. Gracias al desarrollo cada vez mayor de la nanotecnologa, actualmente seestn consiguiendo resultados estupendos en materia de filtracin. Se han conseguidofiltros que prcticamente son capaces de limpiar los fluidos completamente (filtros demicronaje estrecho o filtros de absorcin).7 28. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL1.2.1.- TECNOLOGAS DE FILTRACIN Los dos modos de filtracin en los que actualmente se basa el funcionamientode los filtros de un automvil son la filtracin superficial y la filtracin deprofundidad. A continuacin se describe el funcionamiento de estos dos modos defiltracin, as como los distintos mecanismos de retencin de partculas en los que sebasan. La base de un separador mecnico de partculas, tambin llamado filtro, essituar una barrera atravesada en el flujo, el medio filtrante. Esto acta como unapantalla porosa permitiendo que las partculas que llegan pasen a travs de lasaperturas que dan al elemento filtrante su porosidad, junto con el fluido que lastransporta. Aquellas partculas que son demasiado grandes para pasar son retenidasen el medio. La naturaleza del medio filtrante es crtica para el proceso de filtracin.Existen diez tipos de materiales que forman los medios filtrantes, pero de estos diezsolo uno no posee una estructura formada por fibras. El resto de los medios sonfibras o tienen un componente importante formado por una estructura fibrosa. Paraentender cmo funciona la filtracin es necesario examinar la manera por la cual unacapa de fibras puede detener una partcula movindose hacia y a travs de ella. Elproceso se ilustra en la figura 1, la cual muestra la seccin transversal de una fibra enun flujo de izquierda a derecha, el cual transporta algunas partculas en suspensin. 8 29. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL Impacto inercialFibraDifusin Intercepcin directaFig. 1: Mecanismos de retencin de partculas. El primer punto a destacar es que cualquier partcula, en ausencia de cargaselctricas en la fibra o en la partcula, una vez se acercan lo suficiente a la fibra,sern atradas por esta, hasta que se produzca contacto, y entonces la partcula sequedara fija. Las fuerzas de atraccin son dbiles (conocidas como fuerzas de Vander Waals), pero son lo suficientemente fuertes con para retener la partcula en lasuperficie de la fibra una vez esta se encuentra all, independientemente del caminopor el cual la partcula lleg. La partcula debe estar muy cerca de la fibra para queeste proceso ocurra, pero una vez que la partcula ha sido atrapada, esta acta comouna extensin de la fibra, y puede atrapar otras partculas. De ello se deduce que, si el flujo de fluido es tal que la partcula entra encontacto con la fibra, esta ser capturada por la fibra; la partcula ha sido filtrada.Otro punto a recordar es que el flujo dentro del medio est prximo a ser, si no lo esya, flujo laminar, de manera que el fluido que circula alrededor de los obstculossigue las lneas de corriente mostradas en la figura 1. A menos que existanperturbaciones, las partculas siguen dichas lneas de flujo a travs de la capa defibras. Si la partcula es pequea, seguir las lneas de corriente y pasar la capa defibras sin ser capturada.9 30. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL Como las lneas de corriente se desvan alrededor del obstculo, las partculasson arrastradas, y si estas se acercan a una distancia de la superficie de la fibra menorque la mitad de su dimetro, como sucede en la partcula inferior de la figura 1,entrar en contracto con la fibra y ser atrapada. Este mecanismo de retencin esconocido como intercepcin directa, y, por definicin, debe darse en los flancos de lafibra, no directamente delante de ella. Cuando las lneas de corriente se desvan para pasar por la fibra, arrastran alas partculas en suspensin que hay en ella. Sin embargo, una partcula grande (ouna partcula que se mueve rpido) tendr demasiada inercia como para desviarse.Esta partcula cruzara la lnea de corriente y colisionar con la fibra, y ser atrapada.Este mecanismo se denomina impacto inercial, el cual se representa en la partculasuperior de la figura 1. Otro grupo de partculas no siguen las lneas de corriente pero serpenteanalrededor, y las cruzan. Este comportamiento se denomina difusin y afectaprincipalmente a partculas pequeas. La partcula aparece fuera del patrn de lneasde corriente, cerca de la superficie de la fibra, donde es atrapada. Este es el caso de lapartcula atrapada ms pequea mostrada en la figura 1. Estos son los tres principales mecanismos por los cuales una partcula quedaatrapada en una capa de fibras, pero existen otros. Por ejemplo la partcula pequeaque se encuentra a la izquierda en la figura 1 seguir un camino alrededor de la fibraque es difcil de determinar. Probablemente ser llevada hacia la cara frontal, peroantes de alcanzarla, se ver envuelta en el remolino de fluido que se forma justodelante de la fibra. Esta partcula podr salir de este remolino entrando en una lneade corriente de derivacin, o ser atrapada en la superficie frontal de la fibra. 10 31. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL- Filtracin superficial frente a filtracin de profundidad. Ya se ha indicado que un medio filtrante es una barrera porosa (o almenos muy semipermeable) colocada a travs de un flujo para contener unaparte o la totalidad del material suspendido. Si esta barrera es muy delgada encomparacin con el dimetro de as partculas filtradas ms pequeas, yperforada con agujeros de igual tamao, entonces toda la filtracin tendrlugar en la superficie aguas arriba del medio. Cualquier partcula mspequea que el dimetro del poro atravesar el medio filtrante, y cualquierpartcula ms grande que el dimetro del poro (asumiendo que las partculasson rgidas) quedara retenida en la superficie aguas arriba del medio filtrante.Algunas de las partculas ms grandes, sin embargo, pueden situarse sobre losporos individualmente y bloquearlos. La superficie del medio iraaumentando gradualmente el nmero de poros bloqueados, hasta que el flujode fluido se reduce por debajo de un nivel aceptable. En este punto lafiltracin se detendra y la superficie del medio se cepilla o se raspa paralimpiarla (aunque en muchos filtros automticos la superficie se limpia demanera continua). Este mecanismo de filtracin se llama filtracin superficial, porquefunciona exclusivamente en funcin del tamao de las partculas y el tamaode los poros del medio filtrante. A menos que las partculas sean fcilmentedeformables, la filtracin superficial separar los slidos en suspensin quetengan un tamao mayor que el tamao de los poros del medio filtrante. Estemecanismo trabaja cribando las partculas por medio de una placa perforada ode una malla de alambre tejido o de plstico con una precisin elevada.Tambin se aplica en los medios metlicos y cartuchos similares en los quelos poros estn formados por ranuras que quedan entre los discos o lashlices que forman el medio filtrante. 11 32. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL Los medios filtrantes no son infinitamente delgados, es decir, tienenun fino grosor en la direccin del flujo de fluido. En este grosor se sitan losporos del medio que varan su dimetro a lo largo de la trayectoria del fluido.Un segundo mecanismo, llamado filtracin de profundidad, se aplica cuandouna partcula se mueve a travs de los poros hasta que llega a un punto en elque el poro es demasiado pequeo, y la partcula es retenida a causa de sutamao. El poro entonces se bloquea, y permanece as hasta que el mediofiltrante se colmate y no se pueda seguir utilizando. En este momento elmedio filtrante debe ser desechado o, preferiblemente, limpiado con un flujode fluido inverso al de funcionamiento que arrastre a los slidos al exteriordel medio. De la misma manera que las partculas pueden ser retenidas en unacapa de fibras debido a los procesos de adsorcin descritos anteriormente, laspartculas finas que se desplazan a travs de los caminos creados por losporos irregulares pueden quedar atrapadas en la superficie de estos poros porlos mecanismos de intercepcin directa o inercial o por el mecanismo dedifusin. Este proceso es conocido como filtracin de profundidad, y semuestra en la figura 2. El bloqueo del poro tambin se produce con estemecanismo, como partculas que quedan atrapadas entre s, aunque no seproduce un bloqueo absoluto del poro porque el lquido todava puede fluir atravs de los espacios que quedan entre las partculas. Como antes, un mediocompletamente obstruido tendra que ser desechado o limpiado por un flujoinverso al de funcionamiento (tambin se podra limpiar qumicamente). 12 33. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL Fig. 2: Filtracin de profundidad. En la prctica, los efectos de la filtracin superficial y la filtracin deprofundidad son igualmente efectivos el medio se colapsa a causa de laspartculas atrapadas en los poros y difciles de diferenciar, as que ambosmecanismos suelen agruparse juntos bajo el nombre de filtracin deprofundidad. Cuando las concentraciones de slidos son ms altas, como es el casode la mayora de los procesos de separacin, un mecanismo diferente se poneen juego, el cual es el desarrollo de la filtracin superficial. Ahora, a causa dela elevada concentracin de slidos en suspensin, las partculas chocan entreellas a la entrada de cada poro y, despus de un perodo muy corto en el quealgunas partculas pequeas se escapan a travs del poro, las partculastienden un puente cruzando la apertura del poro. Estos puentes de partculasactan entonces como el medio filtrante para permitir que las capas departculas queden retenidas aguas arriba de dichos puentes y que el flujo defluido pase a travs de ellos para ser filtrado. La acumulacin de partculas enel medio filtrante forma una torta de slidos separados, por lo que elmecanismo se denomina filtracin por torta, que produce filtracin deprofundidad en el espesor de la torta y filtracin superficial en la superficie dela torta aguas arriba. Este mecanismo se ilustra en la figura 3. 13 34. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL Fig. 3: Filtracin por torta. La filtracin por torta presenta problemas complicados porque la tortapuede ser ms o menos compresible bajo la fuerza de la presin diferencialque existe a lo largo de la torta. En algunos de los procesos que emplean lafiltracin por torta como la limpieza de gases de escape o el tratamiento dealgn lquido diluido en suspensin la torta acumulada se separa de lasuperficie por medio de un flujo de fluido inverso al de funcionamiento.- Coalescencia. La separacin de lquidos que se encuentran en dispersin puede serdifcil y costosa, dependiendo de las propiedades fsicas de las dos faseslquidas. La contaminacin de lquidos en las industrias de petrleo, gas yproductos qumicos, por ejemplo, puede hacer que los productos finales nocumplan los requisitos necesarios, o puede causar la desactivacin de loscatalizadores que se encuentren aguas abajo, la corrosin de instalaciones dealmacenamiento aguas abajo, y puede aumentar los costos de tratamiento deaguas residuales.14 35. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL El peso especfico, la viscosidad y la tensin superficial de las dosfases lquidas son parmetros importantes para determinar la facilidad con laque los dos lquidos se pueden separar. Generalmente, los filtros coalescentesconvencionales comienzan a perder eficacia cuando la tensin superficialalcanza un valor inferior a 20 dyn/cm. Una separacin eficiente depende dela compatibilidad de los lquidos con el medio coalescente. Un mediocoalescente bueno no tiene por qu ser compatible con ciertos lquidos, y unmedio compatible no es necesariamente un buen medio coalescente. De una forma simple, los filtros coalescentes pueden ser descritoscomo un tipo especial de separador diseado para recoger gotitas de uno delos fluidos, presentes en el fluido portador, y juntar estas gotitas en gotasgrandes que rpidamente se separan del fluido portador. Especficamente, seutilizan para separar el agua de los aceites y de los combustibles, sobre tododel diesel. La manera por la cual se consigue esto es hacer pasar el aceitecontaminado con agua a travs de una capa de fibras inorgnicas densa. Lasgotas de agua son interceptadas por las fibras. El aceite en las fibras seestrecha por el desplazamiento y el efecto de arrastre viscoso, hasta quefinalmente se rompe la pelcula de aceite y permite que las gotas de agua seadhieran completamente a la fibra, con la pelcula de aceite dispersa. Lasgotitas de agua son recogidas por las fibras, y se unen con otras, formandocorrientes a lo largo de las fibras. Las gotas siguen creciendo hasta que las fuerzas de arrastre y lagravedad llevan el agua retenida en el elemento filtrante hacia un sumidero.En la prctica, es deseable una etapa de extraccin final del agua, tal comouna malla fina localizada aguas abajo del filtro coalescente para recoger laspequeas gotitas de agua. 15 36. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL En la figura 4 se muestra un dibujo en corte de un filtro coalescente enel que el aceite contaminado va hacia fuera a travs de los agujeros en laseccin superior de la columna central, montado a travs de la placa deseparacin. El aceite fluye entonces desde el interior hacia el exterior delcartucho de doble etapa. Las partculas son retenidas por un prefiltrosinttico, y el agua se separa del aceite dentro del elemento coalescenteinorgnico. El aceite filtrado pasa entonces a travs de una malla metlicarecubierta de PTFE, que asegura la ausencia de agua residual libre. El aceitelimpio y seco finalmente fluye hacia arriba, hacia una salida en la partesuperior del filtro, mientras que el agua se une y forma gotitassuficientemente grandes como para que caigan por gravedad a travs deaberturas en la placa de separacin que est en el sumidero. El cartucho esuna unidad integral que consta de un prefiltro y de elementos coalescentesencerrados en cilindros perforados para dar al filtro mayor rigidez. Los prefiltros estn hechos de un medio de fibra sintticaespecialmente desarrollada, que es plegada, con los pliegues separados pormedio de espaciadores. La estructura proporciona una buena capacidad deretencin de suciedad, elimina la distorsin del elemento, y asegura que seutilice toda el rea del filtro para poder mantener el flujo mximo. Adems deeliminar las partculas de hasta 5 m, el prefiltro protege el elemento filtrantede cantidades excesivas de contaminantes. Esto es especialmente importanteen aplicaciones de filtracin de combustible diesel, donde se puede bloquearla tubera debido a xidos, ceras, etc. O se podran bloquear los poros finosdel elemento coalescente. El elemento coalescente se compone de un cilindro de finas fibrasinorgnicas, prensadas a una densidad y profundidad predeterminada,suficiente para asegurar una separacin mxima de agua. El elementotambin est diseado para mantener un flujo de velocidad relativamente baja 16 37. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIALa travs de su grosor para asegurar la eliminacin eficiente del agua. Loscaudales que se pueden conseguir, a travs de un cartucho con unasdimensiones de 435 mm de largo por 216 mm de dimetro, sonaproximadamente 1400 l/h para el combustible diesel y 500 l/h para el aceitelubricante.Respiradero Vlvula de vaporcontrolada por Aceite limpiotermostatoy seco Entrada de vaporAliviaderoMalla metlicarecubierta de Entrada de PTFE aceite sucio Salida de aceitecalentado sucio del calentadorSensor Salida de vaporde aguaPlaca de Entrada de separacinaceite sucio Vlvula sin calentarde drenaje Agujeros para sujecinFig. 4: Funcionamiento de un filtro coalescente.Las aplicaciones tpicas industriales para filtros coalescentes incluyen:Eliminacin de la sosa custica incluida en los combustibles refinados.Separacin de agua en varios aceites.Eliminacin de agua y sosa custica en sistemas analizadores en lnea.17 38. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL Separacin de agua incluida en soluciones de perxido de hidrgeno. Separacin de perxido de hidrgeno en soluciones que contienen perxido de hidrgeno. Eliminacin de aminas de hidrocarburos. Eliminacin de aceite en amonaco. Para prolongar la vida de un filtro coalescente, y para reducir laconcentracin de partculas, a fin de cumplir con las especificaciones de losfluidos, los contaminantes slidos siempre deben ser eliminados con unprefiltro. La eliminacin de los slidos tambin disminuye la estabilidad de laemulsin lquido-lquido, haciendo que la separacin lquido-lquido seproduzca de una manera ms sencilla. Generalmente, con filtros coalescentes, el coste global de laeliminacin de contaminantes puede ser bajo, incluso cuando se compara conotros mtodos menos eficientes, tales como secadores salinos, separadoreselectrostticos y filtros de arena. Los filtros coalescentes tambin se puede utilizar para eliminar el aguade aceites lubricantes, aceites hidrulicos, etc. siempre que stos nocontengan ningn aditivo detergente. Los detergentes reducen la tensinsuperficial e inhiben la formacin de gotitas grandes en el filtro coalescente.18 39. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL1.2.2.- PARMETROS DE LOS FILTROS Los filtros se comparan de acuerdo a su capacidad de separar las partculas ensuspensin de un determinado tamao de un fluido. Hay muchos mtodos diferentesen los que el rendimiento del proceso puede especificarse de esta manera, y lainformacin del rendimiento de un filtro debe asociarse siempre con elcorrespondiente mtodo de ensayo utilizado para determinarlo. La finalidad de un filtro es separar partculas slidas de una corriente defluido por completo, o al menos hasta un tamao determinado. Aparte de lapreparacin especial de los slidos en suspensin para los ensayos, los slidos ensuspensin en los fluidos reales tienen una amplia gama de tamaos y la eficienciareal de separacin de las partculas depende de la cantidad de slidos que puedenatravesar el filtro y de la energa necesaria para capturar el resto de las partculas (porejemplo el grosor del medio filtrante, el cual determina la energa consumida por elfiltro y, por lo tanto, una gran parte del coste de funcionamiento). - Valores absolutos. Dado que un filtro puede no ser capaz de separar todos los slidos en suspensin habr, no obstante, un tamao de partcula determinado por encima del cul ninguna partcula debe ser capaz de atravesar el filtro. El punto de corte se refiere al dimetro, normalmente expresado en micras, de la partcula ms grande que puede pasar a travs del filtro, aunque este no ser el tamao de partcula ms pequeo retenido por el filtro ya que las partculas ms pequeas sern, probablemente, retenidas por los mecanismos de adsorcin explicados anteriormente.19 40. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL Si el medio filtrante tiene un tamao de poro uniforme y exacto,entonces este punto de corte puede incluirse como un valor absoluto. Losmedios filtrantes reales, obviamente, no tienen una distribucin uniforme delos poros ni stos tienen un tamao exacto. Adems los ensayos paradeterminar las clasificaciones de los filtros se realizan normalmente conpartculas esfricas (porque es ms fcil controlar su tamao), mientras queen condiciones reales las partculas en suspensin rara vez son esfricas. La forma real de la partcula tiene un marcado efecto sobre laeficiencia de un filtro. Partculas en forma de aguja o en forma de placapueden pasar a travs de un poro de tamao considerablemente menor que eldimetro nominal de la partcula, como se muestra en la figura 5. La figuramuestra una partcula acicular, pero la ilustracin podra fcilmente mostraruna partcula de tipo placa que pasa a travs de una ranura en un filtrometlico. Este ejemplo muestra el cuidado que se debe tener en la seleccinde un filtro de proteccin para asegurar que se consigue la proteccinadecuada.Tamaode poro Partcula cilndrica Fig. 5: Paso de una partcula acicular. La posibilidad de una alineacin de una partcula y un poro como semuestra en la figura 5 es poco frecuente, pero si el dao potencial que puedecausar la partcula atravesando el filtro es importante, entonces se debentomar las medidas necesarias para evitar que esto ocurra. Con la filtracin enprofundidad las posibilidades de paso de este tipo de partculas se minimizan. 20 41. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIALOtro seguro contra este riesgo se logra mediante el uso de dos capas de mediofiltrante separadas y colocadas en serie, minimizando as la posibilidad deque exista un poro continuo a travs de ambas capas. La aparicin de grandes poros continuos tambin se reduce porque lossistemas de filtracin reales crean una torta de filtro, aunque muy delgada.Estos slidos disminuyen la permeabilidad del medio y aumentan la eficaciade filtracin. Esto explica por qu el rendimiento de un filtro a menudo puedeexceder su valor absoluto, que se corresponde con el valor absoluto de unelemento limpio, y tambin por que las condiciones en las que se realizan laspruebas de elementos idnticos pueden diferir ampliamente de lascondiciones de operacin reales. Algunos tipos de medios filtrantes, tales como papel, fieltro y telatejida, tienen un tamao de poro variable, y por lo tanto no tienen un valorabsoluto. La efectividad de corte se determina principalmente por ladisposicin aleatoria de los poros y el espesor del medio. El rendimientopuede entonces ser descrito en trminos de un valor nominal de corte. Se puede argumentar que el valor absoluto no es, en la mayora de loscasos, una descripcin realista. Estrictamente hablando, un valor absoluto es,como su nombre indica, absoluto, y ninguna partcula con un tamao mayordel valor asignado puede pasar a travs del filtro. Esto limita el tipo de medioque puede tener un valor absoluto a los de tamao de poro constante, capazde retener 100% de las partculas. Es probable que el valor absoluto seamayor que un valor medio o nominal. Incluso con tamaos de poroconstantes, un valor absoluto no es realista si se basa en la dimensin mspequea de un poro no circular, como un poro con forma de cuadrado,tringulo o rectngulo. 21 42. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL Pueden existir diferencias considerables entre el rendimiento real y lasclasificaciones citadas debido a las diferencias entre las condiciones deservicio y las condiciones de la prueba. Las pruebas prcticas para establecerlos valores se llevan a cabo normalmente con altas concentraciones departculas suspendidas, que tendern a dar una mayor eficiencia de filtradodebido al efecto de la torta que se forma en el filtro. Muchas pruebas, dehecho, pueden llevarse a cabo bajo condiciones en las que el filtro est casiobstruido, mientras que, en la prctica, el filtro puede estar funcionandodurante largos perodos de tiempo con fluidos relativamente limpios y en unestado de carga parcial, situacin en la que su eficacia es mucho menor. Unvalor absoluto verdadero es necesario para poder predecir el rendimiento defiltracin bajo estas condiciones.- Valor nominal. Un valor nominal es un valor arbitrario para el rendimiento de unfiltro, determinado por el fabricante del filtro, y se expresa en trminos deporcentaje de retencin de un contaminante especificado (perlas de vidriogeneralmente esfricas) de un tamao dado. El valor nominal de un filtro serepresenta por medio de las cifras de rendimiento en porcentaje. Las cifrascitadas son tpicamente el nivel de 90, 95 o 98% de retencin del tamao departcula especificado. Muchos fabricantes de filtros utilizan estas pruebas,pero la falta de uniformidad y reproducibilidad han causado que esta medidaest en desuso. Las variaciones pueden ser muy grandes. Por ejemplo, un elemento defieltro con una capacidad nominal de 30 m permite pasar un 20 40% de laspartculas de este tamao. Al mismo tiempo, tambin puede retener unaproporcin significativa de partculas con un tamao inferior a 30 m. Esta 22 43. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIALretencin de partculas de tamao inferior, por supuesto, depende del diseodel elemento filtrante.- Valor principal del filtro. Un valor principal del filtro es una medida del tamao medio de porode un elemento filtrante. Es mucho ms significativo que un valor nominal y,en el caso de elementos filtrantes con diferentes tamaos de poros, msrealistas que el valor absoluto. Se establece el tamao de las partculas porencima del cual el filtro comienza a ser eficaz, y es relativamente fcil dedeterminar por medio de la prueba de punto de burbuja.- Relacin Beta. La relacin beta es un sistema de clasificacin introducido con elobjetivo de dar tanto al fabricante del filtro como al usuario del mismo unacomparacin precisa y representativa entre los diversos medios filtrantes. Esla relacin entre el nmero de partculas en suspensin por unidad devolumen con un tamao especfico antes del filtro y despus del filtro, y sedetermina en un banco de pruebas que permite contar de forma precisa laspartculas de un tamao determinado en ambas partes del filtro. La relacinbeta es entonces:donde x es la relacin beta para partculas mayores de x m, Nu es el nmerode partculas por unidad de volumen ms grandes que x m aguas arriba delfiltro, y Nd es el nmero de partculas por unidad de volumen ms grandesque x m aguas abajo del filtro. 23 44. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL De ello se deduce que cuanto mayor es el valor de la relacin beta,mayor es el nmero de partculas del tamao especificado, o de mayortamao, retenidas en el filtro. La eficacia del filtro en este tamao de partculase puede determinar a partir de la relacin beta: La relacin beta y la eficiencia correspondiente se ilustran en la tabla1 en una prueba en la que se ensay el filtro con 1 milln de partculas porunidad de volumen aguas arriba del filtro (los nmeros en la tabla 1 serefieren, por supuesto, al mismo tamao de partcula).N de partculasRelacin Beta Eficiencia (%) aguas abajoTabla 1: Relacin Beta y eficiencia.- Permeabilidad del filtro. La permeabilidad es la resistencia al flujo ofrecida por el filtro - por lotanto, una alta permeabilidad representa una baja resistencia y viceversa. Lapermeabilidad se expresa generalmente en trminos de un coeficiente depermeabilidad, que es directamente proporcional al producto de la velocidaddel flujo, la viscosidad del fluido y el espesor medio del filtro, e inversamente24 45. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIALproporcional al producto de la superficie del filtro y la densidad del fluido, loque da el coeficiente de permeabilidad. El comportamiento de la permeabilidad de un filtro se expresa mejorpor una serie de curvas que relacionan la cada de presin a travs del mediofiltrante con el caudal del fluido a travs de l. Las curvas de cada de presinse puede configurar con respecto a: Tamao del filtro (por ejemplo rea de filtracin). Temperatura del fluido. Tiempo de filtracin (por ejemplo grado de contaminacin del medio). En la figura 6 se representa la variacin de la cada de presin enrelacin a la velocidad del flujo en funcin del tamao superficial del filtro.Para un caudal dado, un aumento de la superficie del filtro reduce la cada depresin a travs del filtro, porque la cantidad de fluido que fluye por unidadde rea de filtracin disminuye (la cada de presin es inversamenteproporcional al rea del filtro). Esto conduce a un mtodo estndar para eldimensionamiento de un filtro. Una combinacin de la velocidad del flujo delproceso requerido y una cada de presin aceptable conduce a la zona ptima(aunque debe tenerse en cuenta que la cada de presin aumentar con eltiempo conforme el medio filtrante se va obstruyendo). 25 46. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIALIncremento de Cada de presin tamao Velocidad del fluidoFig. 6: Curvas del tamao superficial de un filtro.Si el espesor medio se incrementa al mismo tiempo que rea, entoncesse produce un conjunto diferente de curvas, dado que el medio tambinimpone una restriccin en el flujo del fluido. Cada elemento filtrante, por lotanto, tiene su propia cada de presin especfica velocidad del flujo,dependiendo de su rea, espesor y permeabilidad.La temperatura de funcionamiento del fluido afectar a la cada depresin a travs del filtro, ya que la viscosidad del fluido va a cambiar. Unfluido menos viscoso experimentar menos resistencia a fluir a travs delmedio, y as provocar una menor cada de presin. Como resultado, la cadade presin es inversamente proporcional a la temperatura. Una disminucinde la temperatura provoca un aumento de la cada de presin, como semuestra en la figura 7. Una serie de curvas de cada de presin frente a lavelocidad del caudal a diferentes temperaturas establecen las caractersticasde un filtro en su rango de temperatura de trabajo (hay que sealar que elefecto de la temperatura es mucho ms pronunciado para los lquidos quepara los gases).26 47. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL Disminucin temperaturaCada de presinAumentotemperaturaVelocidad del fluido Fig. 7: Efectos del cambio de temperatura. Una variacin en la velocidad del fluido no es el nico efectopotencial del cambio de temperatura. A bajas temperaturas, el agua contenidaen el aceite puede congelarse, causando la obstruccin o al menos laobstruccin parcial del filtro, y un aumento anormal de la cada de presin.Un efecto similar se produce con ceras disueltas en un aceite. Estos son loscambios que deben ser controlados en un avin volando muy alto, o un barcoque navega en las aguas polares, situaciones en las que las temperaturasextremadamente bajas pueden provocar la congelacin del agua. El efecto de una filtracin prolongada es una acumulacin de losslidos recogidos sobre o en el medio filtrante, reduciendo as lapermeabilidad (y aumentando la resistencia al paso del flujo) en proporcindirecta a la cantidad de slidos acumulados, como se muestra en la figura 8,que muestra otro conjunto de curvas para un filtro determinado. 27 48. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIALMismo fluido IncrementoMisma temperatura Cada de presin de tamao TiempoFig. 8: Efecto de la acumulacin de slidos. Las caractersticas expresadas en la figura 8 no son particularmentetiles, debido a que un filtro se dimensiona para un caudal de diseo, y estafigura representa una evolucin en condiciones de trabajo. Es ms bieninformativa para trazar la cada de presin a travs del filtro a medida queaumenta el tiempo de filtracin, para producir una sola curva, como semuestra en la figura 9. El hecho de que este aumento sea causado por unaacumulacin de contaminantes es slo una causa, y no un efecto, aunque lacarga de contaminantes retenidos por un filtro durante su ciclo de trabajopuede ser significativo, ya que puede dictar la eleccin del tipo y del tamaodel elemento filtrante. Mismo fluido Misma temperatura Cada de presin Rango de presin diferencial de trabajo Tiempo Fig. 9: Cada de presin frente a tiempo de proceso.28 49. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIALLa forma de la curva de la figura 9 es muy tpica: un aumento inicialbastante fuerte, seguido de una seccin de crecimiento prolongado lineal, queluego se curva hacia arriba en un aumento mucho ms pronunciado. El puntoen el que este aumento es ms pronunciado es el tiempo a partir del cualcomienza a obstruirse el filtro la eficiencia seguir aumentando con la cadade presin, pero el costo de operacin se vuelve demasiado alto, y elelemento debe ser limpiado o cambiado.El aumento de la cada de presin puede ser utilizado para indicar lanecesidad de cambiar el filtro, o puede determinar el cambio entre un filtrooperativo y su unidad de reserva en una carcasa que contenga dos elementosfiltrantes diferentes.29 50. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL1.2.3.- TIPOS DE FILTROS EN AUTOMOCIN Los filtros empleados en la industria automotriz se utilizan en la limpieza delos fluidos ms importantes para el funcionamiento de un vehculo, como son el aireque aspira el motor, el aceite que se encarga de la lubricacin de los sistemasmecnicos y el combustible que emplea para su funcionamiento. Tambin seemplean filtros en la limpieza del aire de la cabina por razones de salud para losocupantes del vehculo. Los filtros ms importantes que se pueden encontrar en un vehculo son lossiguientes: Filtro de aceite del motor Este filtro es el encargado de retener todas las pequeas partculas que se pueden generar por fricciones entre los elementos mecnicos (partculas metlicas) o aquellas que provengan de la cmara de combustin o del resto del circuito de engrase (partculas de polvo, restos de combustible, etctera). Es importante que un motor tenga una lubricacin correcta que disminuya al mximo el coeficiente de rozamiento entre las partes mviles, para as evitar desgastes prematuros o incluso roturas de dichas partes del motor. Los filtros de aceite que actualmente son los ms importantes en el mercado son los siguientes:o Filtros de aceite tipo Spin On: En estos filtros el cuerpo y el elemento filtrante estn fijos y no pueden separarse, es decir, cuando30 51. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIALel filtro alcanza el final de su vida til se debe reemplazarcompletamente, mientras que en los filtros tipo ECO solo es necesarioreemplazar el elemento filtrante. Esto mejora la estanqueidad del filtroy favorece la separacin entre el fluido limpio y el sucio, pero se elevael coste de mantenimiento. Para conseguir una buena estanqueidadtambin incorporan, generalmente, una junta sujeta por un muelle a laentrada del fluido sucio. Fig. 10: Componentes de un filtro tipo Spin On. El funcionamiento de un filtro de aceite tipo Spin On sedescribe en la figura 11.31 52. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIALFig. 11: Funcionamiento filtro Spin On.o Filtros de aceite tipo ECO: Estos filtros estn compuestos por un elemento filtrante, como una malla metlica (en desuso) o un papel filtrante, y una carcasa metlica, el cual contiene al elemento filtrante. En estos filtros, ambas partes no son fijas entre s, sino que son desmontables, pudiendo intercambiarse solo el elemento filtrante cuando este obture alcanzando el final de su vida til. De aqu proviene el nombre de ECO ya que se consideran ecolgicos por reducir los residuos no reciclables que se generan en el cambio de un filtro tipo Spin On, como las partes metlicas del mismo, que no se pueden reutilizar.Las ventajas principales de este tipo de filtros frente a los filtros tipo Spin - On son el bajo coste de mantenimiento, ya que se puede intercambiar nicamente el elemento filtrante sin reemplazar el filtro completo, y el beneficio con el medio ambiente, ya que la parte desechable est formada nicamente por papel y pegamento, los cuales son reciclables.32 53. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIALFig. 12: Elemento filtrante intercambiable. Filtro de gasolinaLa funcin principal de este filtro es retener las partculas que se introduzcan con el propio combustible. Dichas partculas pueden provenir de la obtencin del combustible, de los tanques en los que se introduce para su transporte, o de los depsitos en los que se almacena para su distribucin, o pueden provenir de la oxidacin del depsito del propio vehculo si se diese. Si estas partculas no se eliminan del combustible, pueden causar obturaciones y roturas de los elementos que componen el sistema de alimentacin del motor.Los filtros de gasolina pueden ser tambin filtros coalescentes, es decir, filtros que adems de separar las partculas slidas suspendidas en el fluido tambin separan el agua que se encuentra en ste.o Filtros In Line: Son filtros que se conectan directamente en elcircuito de alimentacin del motor, de tal forma que en una base est 33 54. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL la entrada del combustible y en la otra base se encuentra la salida del mismo, tal y como se aprecia en la figura 13. Son caractersticos de los vehculos carburados. Fig. 13: Filtro de gasolina tipo In Line.o Filtros DLF: Estos filtros son similares a los filtros Spin On de aceite, en el sentido en que las piezas que lo componen son similares y su sistema de instalacin en el circuito de alimentacin es tambin por medio de una rosca. Las diferencias con los filtros tipo In Line son el modo de instalacin en el circuito de alimentacin y el sistema que proporciona la estanqueidad entre el fluido sucio y limpio, que en los filtros Spin On est formado por juntas tricas y en los filtros In Line simplemente se pega el papel filtrante a la carcasa metlica. 34 55. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIALFig. 14: Filtro de gasolina tipo DLF.El funcionamiento de este tipo de filtros se describe en la figura 15que se muestra a continuacin. Fig. 15: Funcionamiento de un filtro tipo DLF.35 56. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL Filtro de gasoilEl filtro de gasoil tiene la funcin de retener las partculas slidas, al igual que el filtro de gasolina. Sin embargo, en el filtro de gasoil es fundamental la eliminacin de agua, por lo que prcticamente la totalidad de los filtros de gasoil son filtros coalescentes, como el de la Figura 16. Fig. 16: Filtro de gasoil coalescente.El gasoil tiene unas propiedades lubricantes excelentes, las cuales ayudan al correcto funcionamiento de los sistemas de inyeccin, ya que mejora la circulacin del fluido por los conductos tan estrechos que componen dicho sistema. Si el gasoil contiene un pequeo porcentaje de agua, disuelta o no, pierde gran parte de las propiedades lubricantes que posea, lo que puede originar fallos en el funcionamiento de la alimentacin del motor. Adems el agua en el combustible puede provocar corrosin en los elementos que componen la inyeccin, as como la formacin de microorganismos y bacterias en el depsito que provoquen la aparicin de lodos o de cido sulfrico. 36 57. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL Filtro de aire de aspiracinEste filtro se encarga de retener las partculas y el polvo que se encuentra suspendido en el aire que aspira el motor y que proviene del ambiente. Si este filtro no funciona correctamente, entrarn partculas de polvo al cilindro y puede ocurrir que se estropeen los componentes ms importantes del motor, por ejemplo, se puede rayar la camisa de un cilindro, comprometiendo la estanqueidad del mismo durante su funcionamiento. Tambin pueden originar prdidas de potencia y de rendimiento en el motor.Existen filtros de aire de aspiracin de diversas formas, aunque los ms comunes son los filtros rectangulares y los filtros cilndricos. Los rectangulares suelen ir alojados en una caja de plstico mientras que los cilndricos suelen estar expuestos directamente al ambiente.Fig. 17: Filtros de aire de admisinLos filtros rectangulares son los ms empleados en automocin en la actualidad. Por otro lado, los filtros cilndricos son ms comunes en los motores cuya alimentacin se produzca por medio de un carburador, por lo que eran los ms utilizados antiguamente y, hoy da, son ms comunes en los motores de motocicletas. 37 58. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL En la figura 18 se describen las diferentes partes de un filtro de aire de admisin y se muestra como se produce la retencin de las partculas.Fig. 18: Partes de un filtro de aire. Filtro de aire de la cabina La funcin de este filtro es eliminar las partculas de polvo y los posibles elementos alrgenos que puedan estar mezclados con el aire ambiente, proporcionando as a los ocupantes del vehculo un aire ms limpio para respirar. Tambin se encarga de neutralizar los elementos qumicos nocivos que se encuentran en el ambiente, como los xidos de nitrgeno o azufre. El elemento filtrante mantiene una carga electrosttica, lo que significa que se fabrica con partculas que han sido tratadas con una carga elctrica esttica positiva o negativa. Las partculas en el ambiente tienen 38 59. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIALcargas negativas o positivas, as que son atradas por las partculas filtrantescon cargas opuestas. Adems, el filtro realiza una filtracin mecnica, esdecir, el elemento filtrante con poros de un tamao especfico atrapa laspartculas ms grandes. La capa de carbn elimina los olores. El carbn est "activado", lo quequiere decir que est tratado con productos qumicos y calor para darlecaractersticas especficas que controlan los olores (odor - control). El carbnactivado atrapa los gases que producen olores por adsorcin (no absorcin),mantenindolos en la superficie del material. Debido a que el carbn activadoes poroso, cada poro tiene una superficie expuesta, as que el filtro tiene unacapacidad muy alta para atrapar gases nocivos.Fig. 19: Filtro de aire de cabina con carbn activado.39 60. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL1.2.4.- MTODOS DE ENSAYO DE FILTROS Existen diversos mtodos de ensayo para evaluar los parmetros defuncionamiento ms importantes de los filtros, como son la eficiencia de filtrado y lavida til. stos son los parmetros que son objeto de control en este proyecto. Acontinuacin se describen algunos ensayos que permiten determinar dichosparmetros del proceso de filtracin. - Ensayo Single pass.Como su nombre implica, el ensayo Single pass consiste en alimentar a un filtro con un flujo constante que contenga partculas en suspensin, pero sin reciclar el fluido filtrado, como se ilustra en la figura 20.Contaminante FiltroEnsayado Fig. 20: Esquema del ensayo Single pass.El fluido filtrado se recoge en un depsito separado, y los slidos atrapados en el filtro bajo ensayo se van acumulando, con su correspondiente aumento en la presin diferencial a travs del filtro. Se recogen muestras 40 61. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIALsimultneas del fluido de alimentacin y del fluido filtrado y se hacenrecuentos de partculas obtenidos como con el ensayo Multi pass,obtenindose la relacin beta y la eficiencia de la filtracin del filtroensayado. En el ensayo Single pass el filtro ensayado se alimenta con unacomposicin de contaminante que no cambia, lo que se asemeja a la mayorade los procesos de filtracin, que tienen una alimentacin relativamenteinalterada durante el funcionamiento. En esta prueba, los cambios en elrendimiento del filtro son reflejados por los cambios en las condiciones delfluido aguas abajo. Es posible, con esta prueba, mostrar con mayor facilidadel efecto de las variables importantes que afectan al rendimiento del filtro.Una de ellas es la capacidad de un elemento filtrante para retener suficientescontaminantes slidos sin que se produzca una cada de presin demasiadoelevada la capacidad de retencin de un elemento filtrante se determinafcilmente en un ensayo Single pass.- Ensayo de capacidad de retencin de suciedad. Ya se ha mencionado que el ensayo Single pass es capaz dedeterminar la capacidad del medio filtrante para mantener la suciedadacumulada sobre o dentro del propio medio. Una instalacin bastante mscomplicada para este fin se muestra en la figura 21, que puede ser usado paradeterminar la vida til del elemento filtrante, en trminos de la cada depresin mxima aceptable a travs del elemento, como se determina por lacantidad de slidos acumulados en o sobre l. En el sistema mostrado en lafigura 21, un flujo continuo con partculas en suspensin se mantiene a travsdel elemento de ensayo. Una cantidad especificada de contaminante se aadeal flujo aguas arriba del filtro a intervalos regulares de tiempo, y la presindiferencial a travs del elemento se registra, por lo que se puede obtener un41 62. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL grfico de contaminante aadido frente a la cada de presin. Ser posible especificar la cada de presin mxima que sea aceptable a travs del elemento (en trminos de fluido de bombeo de energa), y por lo tanto la acumulacin mxima permitida de slidos y por lo tanto el tiempo entre cambios de los elementos filtrantes. Intercambiador de calorFiltro de altalimpiezaDepsito ManmetroManmetro de entradade salidaManmetrodiferencialAliviadero BombaCaudalmetro Unidad Piezmetroensayada Filtro de alta limpieza Sistema de inyeccin PirmetroA 15 x dimetro tubo de suciedadB 4 x dimetro tubo Fig. 21: Instalacin para ensayo de capacidad de retencin de suciedad. En la misma, o una instalacin similar, a la de la figura 21, pero sin la adicin de contaminantes slidos, el lquido limpio se hace circular a velocidades de flujo medidas y temperaturas controladas. Se puede extraer entonces un diagrama de la cada de presin en el elemento filtrante frente al caudal de fluido limpio. Esto se puede hacer primero en ausencia del elemento filtrante, para determinar la resistencia de la carcasa del filtro por separado, y despus se determina la resistencia del elemento y la carcasa combinados. Para comprobar la cada de presin solo en el elemento filtrante42 63. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIALpuede darse el caso de que la cada de presin a travs del elemento y lacarcasa juntos no sea la suma exacta de las dos cadas de presiones de cadaelemento por separado por lo que no se podra determinar con exactitud. La continuacin de la prueba de cada de presin, ahora utilizando unfluido contaminado, a la velocidad de flujo que luego tendr el filtro en lascondiciones de operacin, permitir que la presin diferencial suba (dada unabomba capaz de lograr los diferenciales de presin necesarios) hasta el puntodonde el elemento alcance la presin diferencial de fallo o colapso.- Ensayos de filtros de aire. Todos los ensayos de los filtros que funcionan con sustancias gaseosastienen el formato del ensayo Single pass, pero los mtodos son muydiferentes, al igual que los tipos de partculas utilizados en el ensayo y losmedios de anlisis para demostrar el rendimiento del filtro. Los materialesutilizados incluyen arena natural o arena con mezcla de cuarzo, polvo dealuminio, aerosoles de azul de metileno, etc. En la normas ISO 5011 seespecifica una mezcla de arena de cuarzo para la valoracin de los filtros deaire para motores de combustin interna y compresores. Los polvos de aluminio, tales como Aloxite 50 y 225, se especificanpara las pruebas de filtros de ventilacin en la norma BS EN 779. Lasdistribuciones del tamao de las partculas de estos dos polvos se muestran enla figura 22. En ella se muestra el porcentaje de partculas de la muestra quetienen un tamao igual o inferior al correspondiente en el grfico. Un aerosol de colorante azul de metileno se usa principalmente para laprueba de los filtros de baja penetracin. Las partculas son extremadamentefinas, con un tamao promedio de alrededor de 0,5 m, y sin partculas con 43 64. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIALtamaos por encima de 1,3 m, tal como se muestra en la tabla 2. Estematerial de ensayo no sera utilizado para probar los filtros de aireacondicionado, ya que estos muestran una baja eficiencia con este material.La tcnica de ensayo implica la atomizacin de una solucin con coloranteazul de metileno a travs de una boquilla de pulverizacin a una presindeterminada, descargando la pulverizacin en un conducto que aloja el filtrobajo ensayo. Los puntos de muestreo se encuentran aguas arriba y aguas abajodel filtro, en las secciones rectas de conducto. La seccin de aguas arribatiene una longitud suficiente como para permitir que la humedad del azul demetileno se evapore, dejando una nube de polvo de partculas dispersas demetileno azul. Porcentaje en masa de partculas con tamao inferiorTamao de partculamFig. 22: Distribucin del tamao de partculas de aluminio.44 65. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIALPorcentaje en masa de Tamao (m) Porcentaje en nmero departculas con tamao partculas con tamao inferior inferior Tabla 2: Distribucin del tamao de partculas del azul de metileno. El rendimiento del filtro se evalu mediante la comparacin de lasmuestras tomadas de las tinturas a ambos lados del elemento filtrante. Una tcnica que es algo ms fcil de utilizar es la prueba de llama desodio, que produce un aerosol de partculas de cloruro de sodio, como conazul de metileno, pero evala el contenido de polvo del aire aguas arriba yaguas abajo del filtro por la intensidad del color amarillo producido por elpolvo de sodio en una llama de hidrgeno (segn la norma BS 3928). Ladistribucin del tamao del polvo de sodio se muestra en la tabla 3, con untamao promedio de alrededor de 0,6 m, y ninguna partcula mayor que 1,7m. El color de la llama es observada por una clula fotosensible conectado aun metro, que puede ser calibrado para leer la concentracin de sodiodirectamente.45 66. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)INGENIERO TCNICO INDUSTRIAL Porcentaje de partculasTamao (m)con tamao inferior Tabla 3: Distribucin del tamao de partculas del cloruro de sodio. Hay tres tipos principales de ensayos de filtros de aire (adems de laprueba de llama de sodio): Las pruebas de tincin (como con el azul de metileno). Las pruebas gravimtricas. La eficiencia segn la concentracin de partculas. La determinacin de la eficiencia de filtrado mediante una prueba detincin se describe en detalle en la norma BS EN 779, y se utiliza para aireacondicionado y filtros de ventilacin. Se basa en la intensidad de la tincinde un papel blanco ultra fino causada por el flujo a travs de l de unacantidad de aire polvoriento. La intensidad de la tincin se mide por medio deun opacmetro, y proporciona una medida emprica de la concentracin decontaminante en la corriente de aire. En la prueba del filtro, el aire fluyeaguas abajo constantemente a travs del papel ultra fino, mientras que el aire46 67. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIALascendente se muestrea slo durante una parte del tiempo (debido a suconcentracin mucho mayor de polvo), y esta proporcin es controlada paraproducir una tincin equivalente a la del flujo aguas abajo. La relacin deflujo se puede convertir a una eficiencia de filtracin.El peso del polvo de la prueba gravimtrica es equivalente al ensayoSingle pass que se describi anteriormente. El filtro bajo ensayo se atacacon una cantidad pesada de un polvo de ensayo, el fluido filtrado pasa atravs de un segundo filtro muy fino, que captura todo el polvo que pasa atravs de la unidad de prueba. La cantidad de polvo que pasa por el filtro bajoensayo se determina pesando el filtro final. La suspensin de polvo en el airede alimentacin se crea continuamente por la accin de un alimentador depolvo y de un eyector de aire comprimido, que sopla el polvo en la corrientedel aire de alimentacin. Segn avanza la prueba, el peso del polvo queatraviesa el filtro bajo ensayo y la cada de presin en el mismo se midencontinuamente.Las pruebas de concentracin de partculas se utilizan para determinarlos diversos grados de alta eficiencia de los filtros de aire (HEPA, ULPA), yutilizan los aerosoles descritos en prrafos anteriores. Los procedimientos sedescriben en detalle en la norma BS EN 1822, que tambin destaca el tamaode partcula ms penetrante (MPPS) como la caracterstica ms importante dela filtracin del aire.- Ensayo Multi pass.En este proyecto el mtodo de ensayo para los distintos tipos de filtrosser el ensayo Multi pass, el cual es el recomendado por la normativacorrespondiente a los ensayos de los filtros de aceite y combustible de un 47 68. UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLASESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI) INGENIERO TCNICO INDUSTRIALautomvil. A continuacin se describirn los aspectos ms importantes deeste mtodo de ensayo, el cual est normalizado segn la norma ISO 16889. El ensayo Multi pass se destina especficamente para determinar larelacin beta, por ejemplo, para los filtros utilizados en los sistemashidrulicos y de lubricacin. El principio de funcionamiento de la instalacinde prueba se muestra en la Figura 23, en la cual circula continuamente unfluido que lleva una cantidad especfica de las partculas, de tamao ycomposicin conocidos. El fluido transcurre por un bucle en el cual seencuentra una carcasa que contiene el filtro bajo ensayo con suscorrespondientespuntos demuestra. Adicionalmente se aadencontaminantes de forma continua en el flujo circulante para mantener un flujoconstante de contaminantes en el filtro de prueba, compensando las partculasque quedan retenidas en el filtro y el lquido extrado del sistema comomuestras. Estas muestras se recogen simultneamente aguas arriba y aguasabajo del filtro, cuando la cada de presin en el filtro bajo ensayo alcanzaunos valores predeterminados, y se analizan con un contador automtico departculas. El contaminante ser un polvo de ensayo estndar, tales comopolvo de ensayo ISO MTD (Medium Test Dust) para los sistemas hidrulicosy lubricantes. En las muestras controladas, se determina la distribucin del tamaode las partculas por unidad de volumen de fluido, en una gama de tamaosque coincida con el polvo alimentado (tal como 5, 10, 20, 30 y 40 micras).