precipitador de humo

8/17/2019 Precipitador de humo

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Laboratorio de Electromagnetismo 1, Facultad de CienciasUniversidad Nacional Autónoma de México

INFORME 1MEDICIÓN DE LA EFICACIA DEL FILTRO DE HUMO EN FUNCIÓN DEL VOLTAJE

D. Cruz Pérez, A. Guillé Martínez, A. I. Gutiérrez Pereda, D. I. Reyes Murcia

Resumen

En este experimento se elaboró de un precipitador electrostático casero (filtro dehumo) y se obtuvo la relación entre la cantidad de residuos (humo) que retiene elfiltro y la cantidad de energía inducida en el sistema (voltaje). Para su realizaciónse utilizaron materiales comunes como un frasco de plástico, popotes, alambre, papelaluminio y rejilla para mosquitero. Se colocaron cartulinas sobre el filtro pararegistrar el humo impregnado en el papel, éstos eran los residuos que el dispositivono podía retener. El proceso se realizó 3 veces para 4 voltajes distintos.Posteriormente las muestras se analizaron y se encontró una función creciente querelacionaba al voltaje y la “blancura” (cantidad de humo retenido en el dispositivo que no alcanzó a la cartulina). Se obtuvieron gráficas y se pudo establecer unarelación matemática entre estas variables. Esta función se acotó superiormente porla blancura máxima del papel, por lo que se obtuvo un resultado cercano a lashipótesis, comprobando así su validez.

I. Introducción

Desde finales del siglo XVIII, en laprimera revolución industrial, uno delos problemas más grandes de lapoblación mundial es la contaminaciónpor combustión en las industrias. Segúnreportajes en 2014, una industriagrande como Pepsi o Nestlé produce,actualmente, al año un estimado de 26.3millones de toneladas de gases deefecto invernadero [1] , y una de laspreguntas que han realizado cada uno

de los organismos en materia deecología en distintos países es, ¿cómoreducir y, en dado caso, aprovechar losresiduos de la industria actual?Como respuesta en el año 2000, elBoletín de la Sociedad Española deCerámica y Vidrio publicó unainvestigación en la que se analizaaprovechar las cenizas de las centralestérmicas, resultado de la combustión,para la elaboración de materia prima

para la fabricación de materialescerámicos estructurales [2] .

El proceso utilizado para este fin, esla precipitación electrostática.

La precipitación electrostáticaconsiste en atrapar partículasgaseosas mediante la ionización,atrayéndolas por una cargaelectrostática inducida. Estosdispositivos están basados en el efectocorona. Un precipitador (odescontaminador) electrostáticoconsiste en un ducto aterrizado por elcual circula gas contaminado departículas sólidas. Se producen ionesalrededor del alambre colgado que tieneuna carga positiva, los cuales cargana las partículas que se mueven a lasparedes en donde son recolectadas.Periódicamente se golpean las paredespara hacer que los residuos caigan alrecolector inferior [3] [4] (Fig. 1).

Estos precipitadores aprovechan en lainducción de carga electrostática unefecto conocido como Efecto Punta oViento Eléctrico , el cual se produce


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por la acumulación de energíaelectrostática en las puntas de uncuerpo, haciendo más efectivo eldispositivo [5] .Muchas centrales eléctricas quemancombustibles como el carbón y elpetróleo, pero producen una cantidadconsiderable de humo. El humo comprimepequeñas partículas sólidas de carbónsin reaccionar, el cual puede causardesgaste del medio en donde está yproblemas respiratorios. Para evitaresto, el humo es removido de loscombustibles de residuo antes de saliral medio que los rodea y el filtro dehumo hace esa tarea.

El efecto corona es un fenómenoeléctrico que se produce en losconductores de las líneas de altatensión y se manifiesta en forma dehalo luminoso a su alrededor. Dado quelos conductores suelen ser de seccióncircular, el halo adopta una forma decorona, de ahí el nombre del fenómeno.Este efecto está causado por laionización del aire circundante alconductor debido a los altos nivelesde tensión de la línea. Al momento que

las moléculas que componen el aire seionizan, éstas son capaces de conducirla corriente eléctrica y parte de loselectrones que circulan por la líneapasan a circular por el aire. Talcirculación producirá un incremento detemperatura en el gas, que se tornaráde un color rojizo para niveles bajosde temperatura, o azulado para nivelesaltos. La intensidad del efecto corona,por lo tanto, se puede cuantificarsegún el color del halo, que serárojizo en aquellos casos leves yazulado para los más severos. [6]

En el precipitador casero delexperimento, se espera que laspartículas de humo adquieran una cargaal entrar en contacto con la rejilladel precipitador, y al pasar larejilla, son atraídas a una tira depapel aluminio cargado con la cargaopuesta, resultando así una atracciónentre las partículas de humo y las

paredes del filtro con papel aluminio.El final del proceso es la salida degases de desecho con muy pocas o casinada de partículas de humo [7] .

El objetivo del experimento es lacreación de un precipitadorelectrostático, elaborado demateriales comunes, que permitafiltrar humo mediante la ionización delaire dentro del descontaminador. Asícomo establecer una relación entre elhumo filtrado y la energía eléctricainducida en el filtro. Es decir, larelación entre la cantidad de humo quese retiene en el dispositivo, y elvoltaje suministrado por una fuente.

FIGURA 1. Precipitador electrostático

industrial con electrodos ionizando el gas.


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II. Desarrollo experimental

2.1 Elaboración del dispositivo

Se utilizó un recipiente cilíndrico deplástico y se le realizó un corte deforma transversal en la parte donde eldiámetro era máximo. Posteriormente secortó un trozo de alambre de longitudligeramente menor al perímetro internodel cilindro y haciendo un círculo condicho alambre, se soldó con el fin demantenerlo fijo en el recipiente. Laparte sobrante del alambre se dejaintacta para poder conectar elcircuito. Una vez teniendo el círculode alambre, se utilizó rejilla metálicapara mosquitero. Ésta se cortó de formacircular con un diámetro deaproximadamente 1 centímetro mayor ala circunferencia de alambre, parapoder doblar la rejilla excedentealrededor del alambre y no crear unefecto punta mayor al contemplado enla rejilla.

Ya teniendo nuestra rejilla armada, seperfora un agujero pequeño en un ladodel recipiente plástico, se introducela rejilla circular y el alambresobrante del anillo se introduce porel agujero del cilindro.En el otro lado, se pegan 3 popotessaliendo del cilindro, que serviráncomo sostén de la siguiente estructura.Haciendo uso de un cable de longitudigual al perímetro interno delrecipiente, se hace una placa de papelaluminio sujeta al cable. Dicha placaforma un pequeño cilindro metálico yse coloca dentro de los 3 popotes,quedando firme en el recipiente deplástico.Por último, se coloca un nuevo cablecon una punta pegada al aluminio, y laotra se deja libre para cerrar elcircuito [8] (Fig. 2).

FIGURA 2. Elaboración del dispositivo. 1) Corte del recipiente; 2) Medición y recorte del alambre; 3) Ajuste de la rejilla metálica alanillo de alambre; 4) Montaje de la rejilla en el recipiente; 5) Montaje de los popotes comosoporte del aluminio; 6) Placa de aluminio enrollada en el cable; 7) Montaje de un cable en elaluminio


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2.2 Montaje del dispositivo

Para el montaje se realizó un acomodoen el que el dispositivo se mantuvieraen equilibrio. Es una parte esencial,dado que en un principio resultacomplicado mantener el aparato en unaposición que no fuera susceptible adesequilibrarse. El sistema se montóde la siguiente forma:Se colocaron dos soportes universalesa los cuales se sujetaron dos pinzasde tres dedos (las cuales sostenían alfiltro de humo por la base delrecipiente, con la ayuda de dos ligas);también a los soportes se les colocarondos varillas en la parte superior (unaa cada uno), tal que fueran ortogonalesa ambos soportes. Sobre estas varillasse amarraron varios hilos para formarun techo sobre el filtro de humo, enel cual se colocaría una cartulina decolor blanco.

Esta cartulina fue previamentedividida en tres franjas verticales conel objetivo de reducir el área sobreel cual se analizarían las mediciones.Debajo de la hoja de cartulina secolocó el filtro de humo, y en un nivelinferior se puso un vaso pequeño devidrio con plastilina dentro, cuyafunción era albergar a las puntas deocote, a las que se les prendería fuegopara la liberación de humo.Al lado de este sistema, se colocó unafuente de alto voltaje para inducircorriente al sistema. Cada punta de lafuente se conectó a un cable del filtro(Fig. 3) .

FIGURA 3. Diagrama del montaje del sistema experimental.1) Soportes; 2) Pinzas de tres dedos; 3) Nueces; 4) Varillas metálicas; 5) Hilos; 6) Cartulina; 7)Frasco de vidrio con plastilina dentro; 8) Punta de ocote; 9) Generador de alto voltaje, 10) Basede madera; 11) Caimanes; 12) Filtro de humo


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2.3 Desarrollo del experimento

El experimento iniciaba cuando seencendía con fuego una punta de ocotey ésta empezaba a emitir humo(semejante a las emisiones de distintosgases en la industria) [8] . Siendo así,el gas llegaba hasta la rejilla demosquitero (colocada en la base delfiltro de humo) en donde se cargabanegativamente (con el generador de altovoltaje) y al pasar por la rejilla, laspartículas del humo se adherían a laparte del filtro con papel aluminio.Al final, los residuos de gas quelograban salir, quedaban impregnadosen el techo de cartulina colocado sobreel filtro de humo.Se procuró que la hoja de cartulinaestuviera colocada de la mejor manera,paralela a la boca del filtro de humo,ya que, si no se encontraba bienubicada, los patrones que aparecieranen la cartulina estarían mal ubicados,así que se tensaron muy bien los hilosy se colocaron las hojas de cartulinasobre éstos, teniendo el cuidado de queestuvieran perfectamente aplanadas(sin dobladuras) y limpias (Fig. 4) .

Al momento de realizar el experimentose observó que no aumentaba el voltajecorrectamente; la causa fue que uno delos caimanes estaba cerrando elcircuito con las varillas, entonces setuvo que tener mucho cuidado de quedurante el experimento no volviera apasar eso.Otra de las variables a considerar fueel viento, ya que en el lugar en dondese llevó a cabo el experimento habíauna corriente de aire, por lo que setuvieron que cerrar las puertas yventanas.Uno de los principales cuidados durantetodo el desarrollo fue la punta deocote, de ésta se desprenden trescaracterísticas importantes, una esque el grosor de la punta de ocotetenía que ser muy delgado(aproximadamente como un palillodental); la siguiente es la altura de2.3cm que debía haber entre la puntadel ocote y la base del filtro de humo(para mantener una sistematización) ypor último tenemos a la resina delocote.

FIGURA 4. Realización del experimentoPartes del montaje detalladas en Figura 3.


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Esta última característica essumamente importante porque es muyvariante, es decir, si la punta deocote no tenía nada de resina, podríapasar que el ocote no prendiera o queprodujera muy poco humo, en cambio, siel ocote tenía bastante resina, podíaproducir una llama muy intensa y porlo tanto, una cantidad de humo muyalta, lo cual podría afectar mucho alexperimento, por lo tanto procuramoscontrolar que la cantidad de resina enlas puntas fuera una cantidadintermedia (esto se comprobabamediante el tacto con el ocote).Se estudió el comportamiento delexperimento con cuatro voltajes: 0 kV,2.5 kV, 5 kV y 7.5 kV, y de cada voltajese tomaron tres medidas, cada una conuna duración de exposición al humo de2 minutos.

Al realizar estar trabajando con elocote y el humo, notamos que en elfiltro se acumulaban partículas de humoque hacían ver al filtro sucio,entonces con un palito de maderaenvuelto en papel de baño, pudimoslimpiar la ligera cortina de partículasde humo que estaba en el filtro (estose hacía con bastante regularidad).

2.4 Análisis de los datos

Habiendo realizado la combustión porun lapso de 2 min (± 1s), se retiró lacartulina del soporte de hilos parapoder ser analizada.Para poder analizar las imágenes en elsoftware ImageJ, se recortaron lasimágenes originales de la cartulina enun cuadro, usando las líneas dereferencia que se hicieron antes decomenzar el experimento (Fig. 5) .

FIGURA 5. Distribuciones de humo en la cartulina.1) Cartulina original después de ser retirada del soporte. a) Cuadro utilizado para análisis enImageJ; b) Líneas de referencia; 2) Conjunto de cuadros de todas las cartulinas


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III. Resultados

Se recolectaron los datos del softwareImageJ, los cuales indican el área delcuadro de cada cartulina, la blancurapromedio en el área (siendo 0 el colormás negro y 255 el blanco perfecto) yla desviación estándar en laestadística de los datos.Con esto se obtuvo una media de cadadato, y notando que el área no esconstante, se obtuvo un factor deBlancura por unidad de Área (Tabla 1) (V. IV) .

Con los datos obtenidos en la media deblancura por cada voltaje (Franja verdeoscuro), se utilizaron métodos deaproximación gráfica para obtener unaexpresión matemática que describierala relación entre Blancura y Voltaje(Fig. 6) (V. IV).

La expresión Matemática hallada es (1):

= −153 . + 250 1

(Para más detalle, véase Sección IV)

Partiendo de la Figura 6 , se obtuvo lagráfica final de las medicionesBlancura vs Voltaje, y su aproximaciónpromedio (Fig. 7).

Y finalmente, obteniendo la funcióninversa de (1), se realizó un cambiode variable para la Blancura, con lacual se logra establecer unaaproximación lineal entre Blancura yVoltaje (Fig. 8) . El cambio de variableBlancura* se establece como (2):

∗= −6.25ln(0.00653595250− ) 2

TABLA 1. Resultados de ImageJ, análisis de Blancura/Área y análisis porcentual


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FIGURA 6. Aproximación de la curva B-V por métodos gráficos usando el software Geogebra. A la izquierda aparecen: A, B, C, D) Coordenadas, donde la primera entrada es el voltaje y la

segunda es la blancura; f) Función aproximada a los puntos A ... D; a, b, c) Constantes en la función; d) Valor máximo de la blancura, 255, que describe una asíntota horizontal de la función.

FIGURA 7. Gráfica B-V. Aparecen las mediciones de cada voltaje (azul) y la curva de la Blancura Promedio (naranja).


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IV. Discusión

De la Tabla 1 se puede destacar el“Porcentaje de Blancura” (franjaamarilla), la cual denota que entremayor era voltaje que se inducía alsistema, la cantidad de blancuraaumentaba. Por lo que podemos notar queentre más alto el voltaje inducido,menos era la cantidad de humo quellegaba a la cartulina. Por lo cual se

puede deducir que existe una funcióncreciente entre la Blancura y elVoltaje.

De la misma Tabla 1, se puede observarque el porcentaje de blancura de 7.5kVes de 77.45%, mientras que a 0V es de37.82%, lo que significa que eldispositivo en 7.5kV tiene el doble deeficacia de 0V. Por lo que la eficaciadel dispositivo aumenta en función del

voltaje inducido.

Sin embargo, sabemos que la blancuratiene un valor máximo (255 en escala

RGB), por lo cual la función quenecesitamos necesita tener unaasíntota horizontal, donde 255 es unvalor que acota a la funciónsuperiormente, y a su vez es el valorsupremo de la función.De la Figura 6 , se debe recalcar queexisten funciones polinómicas queatraviesan los puntos en el planocoordenado, un ejemplo sería (3):

= 0.1122 − 2.12 + 24.706+ 96.466 3

Sin embargo, el uso de estas funcionesen el modelo es erróneo debido a queeste tipo de funciones no está acotadosuperiormente. Esto se puede comprobarfácilmente tomando el límite de lafunción cuando tiende a infinito.Por lo que debemos rechazar esta idea,y buscar una función acotada, por loque la función exponencial con unexponente negativo, cumple con estacondición. Y más aún, 255 es una cotasuperior de la función (1).

FIGURA 8. Aproximación lineal de Blancura* vs Voltaje.Blancura* se obtiene mediante el cambio de variable expresado en (2).


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Para comprobar la validez de la funciónpropuesta se realizó el cambio devariable (2) en la Figura 8 . Observandoque el factor de correlación (R 2) entreBlancura y Voltaje es de 0.9983,entonces es correcto decir que estafunción es lo suficientementeaproximada a R 2=1 para ser válida.

Con estos datos y resultados, se aportaun método y una solución a lainterrogante sobre la relación entrela energía suministrada a unprecipitador electrostático y lacantidad de residuos (en este caso,humo) retenidos con dicho dispositivo.Por lo que pueden servir de base a lainvestigación, o en su mejor caso, laimplementación de filtroselectrostáticos en mayor medida parala disminución y recolección deresiduos en diversas situaciones talescomo industrias y plantas generadoras.

V. Conclusiones

Se concluye que por las razonesexpuestas en la Sección IV (Discusiónde resultados), se cumplió el objetivode encontrar una relación entre lacantidad de humo retenido en unprecipitador electrostático casero yla cantidad de energía inducida alsistema.Sin embargo, se puede notar que elsistema empleado tiene limitaciones,puesto que, al ser materiales comunes,son susceptibles a cambiar y/odeformarse en el transcurso delexperimento, por lo que los resultadospueden cambiar notablemente si no setienen las precauciones adecuadas. Unejemplo claro es el plástico usado comoducto del precipitador, que con elcalor del humo y voltajes grandes(arriba de unos 10 kV) durante unperiodo de tiempo bastante prolongadose puede deformar con facilidad eincluso se puede quemar. Otralimitación del sistema es elcombustible usado, en este caso maderacon resina (ocote), que impide que lacantidad de humo liberada sea constante

entre cada una de las mediciones. Asímismo, el uso de papel aluminio yrejillas metálicas no es lo másrecomendado para un sistema complejo,dado que se rompen con facilidad yresulta complicado desprender losresiduos de dichos componentes, adiferencia de los precipitadoresindustriales que usan electrodos parala inducción de corriente.Esta práctica nos ayudó a comprendermejor y apreciar a nivel macroscópicolos fenómenos conocidos por un grannúmero de personas que pueden ser o noexpertos en la materia, que es laexistencia de dos tipos de carga(positiva y negativa); y la Ley deCoulomb que nos indica el tipo deinteracción que hay entre ellasdependiendo de su signo. Conocimos unuso práctico que era desconocido hastaahora para nosotros que es el uso delfiltro de humo para poder reducir lacontaminación ambiental por gasesemitidos para la producción de diversasindustrias en la actualidad.En cuanto al aspecto experimental, noshizo pensar bastante en como tener elmayor control posible de las variablesexternas con los materiales de los quedisponíamos como las relacionadas conel ocote (resina presente, largo,ancho, etc.) con las corrientes de airepresentes en la habitación o inclusola construcción de nuestro propiofiltro de humo, por mencionar algunas.Esto nos ayudará en futuras prácticasa poder tener los mismos y mejorescuidados con nuestro sistemaexperimental y poder obtenermediciones más exactas.

VI. Referencias

[1]OXFAM (2014). “ Coca Cola, Pepsi,Danone y Nestlé las empresas que

más contaminan al planeta ”.Regeneración.

[2]RUIZ- ROMAN, J. (2000) “ Aprovechamientode las cenizas volantes, claseF, de centrales térmicas para la

fabricación de materialescerámicos ”, Boletín de laSociedad Española de Cerámica y


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Vidrio, Vol. 39 No. 3, P. 229-232.

[3]GONZÁLEZ, V. “ Física fundamental ”,3era Edición, Edit. Progreso,México, 2004, P. 244-245

[4] Precipitadores electrostáticos ,Wikipedia [En línea]. 2016.[fecha de consulta: 3 de marzo,2016]. Disponible en:https://es.wikipedia.org/wiki/Precipitadores_electrost%C3%A1ticos.

[5] Efecto punta , Wikipedia [En línea].2014. [fecha de consulta: 3 demarzo, 2016]. Disponible en:https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_punta.

[6] Efecto corona , Wikipedia [En línea].2015. [fecha de consulta: 3 demarzo, 2016]. Disponible en:https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_corona.

[7] Precipitadores electrostáticos , BBC.2014. [fecha de consulta: 3 demarzo, 2016]. Disponible en:http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/science/add_ocr_gateway/radiation/electrostaticsusesrev1.shtml

[8] Precipitador de humo / Electrostático ,Rimstar Org [En línea]. 2011.[fecha de consulta: 23 defebrero, 2016]. Disponible en:http://rimstar.org/science_electronics_projects/electrostatic_precipitator_smoke_precipitator_simple.htm

[9] Electrostatic smoke precipitators ,Explainthatstuff. 2008. [fechade consulta: 4 de marzo, 2016]Disponibleen:http://www.explainthatstuff.com/electrostaticsmokeprecipitators.html

[10] FEAL, A. (2001) “ Precipitadoreselectrostáticos (I)

Aplicaciones y procesosintervinientes ”, Ingenieríaquímica, No. 381, P. 177-187.

[11] FERNÁNDEZ, J. “ Iniciación a laFísica ”. 1era Edición, Edit.Reverté. Barcelona, España,1992. P. 5-7.

[12] Coeficiente R.2 , Microsoft Office,2016. [fecha de consulta: 5 demarzo, 2016] Disponible en:https://support.office.com/es-es/article/COEFICIENTE-R2-funci%C3%B3n-COEFICIENTE-R2-d7161715-250d-4a01-b80d-a8364f2be08f

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