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Simulación numérica y evaluación analítica de la eficiencia de recolección de partículas en un gas mediante precipitadores electrostáticos de alambre y placas

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Basado en Kılıç, Mutlu & Altun · Applied Sciences, 2022

Ruta de la exposición

Del problema a las conclusiones

Cómo se separan partículas de un gas con electricidad, cómo lo modelaron los autores y qué aprendieron variando el diseño.

I

Contexto

  • Presentación y problema
  • Cómo funciona el precipitador
II

Modelo

  • Objetivo y método numérico
  • Hipótesis y condiciones
  • Ecuaciones principales
  • Eficiencia analítica
III

Resultados

  • Validación del modelo
  • Condiciones que variaron
  • Campo y trayectorias
  • Intervalo de captura más difícil
  • Diseño y consumo de energía
IV

Cierre

  • Interpretación de resultados
  • Utilidad en Ing. Electromecánica
  • Conclusiones
01 Presentación y problema

Partículas suspendidas en un gas

  • Los gases de procesos industriales arrastran partículas que hay que retirar.
  • El precipitador usa electricidad para separarlas del gas.
  • Su eficiencia depende de la operación y la geometría; probar cada combinación físicamente es costoso.
Estrategia de los autores

Simulación tridimensional + un modelo analítico más sencillo.

02 Cómo funciona el precipitador

Un canal, alambres y placas

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  • El gas contaminado entra por un extremo del canal y sale por el otro.
  • En el centro: alambres de descarga a tensión elevada.
  • A los lados: placas colectoras conectadas a tierra.
Alta tensión Placa · 0 V W = 2·Sy
Figura 1: esquema del precipitador de alambre y placas
Figura 1. Esquema del modelo de precipitador electrostático de alambre y placas. Fuente: artículo base.
02 Cómo funciona el precipitador

El proceso en tres pasos

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PASO 01

Corona y carga

Cerca de los alambres, la descarga de corona ioniza el gas. Los iones se adhieren a las partículas y las cargan.

PASO 02

Migración a la placa

Las partículas cargadas reciben una fuerza eléctrica y se desplazan hacia las placas, donde quedan retenidas.

PASO 03

Limpieza

El polvo acumulado se retira para que el equipo siga operando.

Vista superior · esquema interactivo
02 La idea clave

Dos movimientos a la vez

El gas arrastra la partícula a lo largo del canal; la fuerza eléctrica la empuja hacia un costado. Gana la captura si llega a la placa antes de salir.

—
capturadas
en el esquema

Animación cualitativa para ilustrar tendencias; no reproduce los valores del artículo.

03 Objetivo y método numérico

Tres procesos conectados, en 3D

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Representar a la vez el movimiento del aire, la distribución del campo eléctrico y la trayectoria y carga de las partículas.

Y proponer una expresión analítica para estimar la eficiencia sin repetir toda la simulación detallada.

≋
Flujo de aireturbulento, estacionario
ϕ
Campo eléctricopotencial y carga espacial
•
Partículastrayectoria y carga
CFD 3Dacoplado
Expresión analítica de ηestimación rápida
Figura 2: geometría y malla computacional
Figura 2. Geometría y malla utilizada en el modelo numérico. Fuente: artículo base.
03 Método numérico

La malla computacional

El interior se divide en pequeñas celdas donde se calculan las magnitudes físicas. Es más fina cerca de los alambres, donde el campo y la densidad de corriente cambian rápido.

≈0M
elementos
19.2
ANSYS Fluent
TAMAÑOS DE PARTÍCULA ESTUDIADOS
0.01 0.1 1 10 µm 0.02 10

Escala logarítmica · independencia de malla comprobada

04 Hipótesis y condiciones del modelo

Lo que se fija para poder resolver

k·εFlujo turbulento

Estado estacionario, modelo RNG k-ε.

u=0No deslizamiento

La velocidad del gas junto a la pared se toma como cero.

pared

VPotenciales

Alambre al potencial de operación; placas a 0 V (tierra).

ρRegión de corona

La densidad de carga iónica se supone uniforme.

DPMModelo de fase discreta

Cada partícula se sigue con el modelo de fase discreta de Fluent, sumando arrastre, gravedad y fuerza eléctrica.

Estas hipótesis delimitan la lectura: describen el modelo y las condiciones analizadas, no todas las configuraciones posibles de un equipo real.

05 Ecuaciones principales y significado físico

Masa y campo eléctrico

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EC. (1)
Conservación de masa

El flujo de masa se conserva: no se crea ni se pierde gas al atravesar el canal.

densidad del gaskg/m³ componente de velocidadm/s coordenada espacialm
EC. (3)
Campo a partir del potencial

El campo depende de cómo cambia el potencial en el espacio: potencial y campo no son lo mismo.

campo eléctricoV/m potencial eléctricoV
ϕ alto → bajo · E apunta "cuesta abajo"
05 Ecuaciones principales y significado físico

Carga espacial y fuerza sobre la partícula

EC. (4)
Ecuación de Poisson

Conecta el potencial con la carga espacial de los iones y de las partículas.

densidades volumétricas de cargaC/m³ permitividad (representa al aire)F/m
EC. (12)
Fuerza de Coulomb

El efecto eléctrico directo: carga de la partícula por campo eléctrico.

fuerza eléctricaN carga de la partículaC campo eléctricoV/m
potencial
campo · ec. 3
carga · ec. 4
fuerza · ec. 12
↗
trayectoria
06 Eficiencia analítica

La expresión propuesta

EC. (24)
Eficiencia de recolección
adimensional
Velocidad de migración eléctrica
m/s
Longitud de la placa colectora
m
Velocidad media del gas
m/s
Separación alambre–placa
m
06 Paso matemático

¿Tiene sentido el exponente?

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El argumento de una exponencial debe ser adimensional. Revisamos las unidades paso a paso.

Pulse → para avanzar cada paso.

Exponente
Numerador
Denominador
Cociente   
Resultado Exponente adimensional ⇒ también sin unidades ✓
06 Lo que anticipa la fórmula

Competencia: llegar a la placa antes de salir

Valores ilustrativos para explorar la ecuación (24); no son datos del artículo.

—
eficiencia η
exponente
—
100%50%0x = 50
↑Más migración Wp → más η
↑Placa más larga L → más η
↓Gas más rápido Uin → menos η
↓Mayor separación Sy → menos η
07 Validación del modelo

Contrastar con mediciones

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Una simulación no se acepta solo porque produzca gráficas detalladas.

  • Potencial calculado vs. datos experimentales publicados, en varias posiciones del equipo.
  • Eficiencia comparada con estudios experimentales previos (Figuras 4 y 5): concordancia general buena.

Apoya usar el modelo para explorar tendencias. No significa que cada configuración posterior se haya construido y medido.

Figura 3: potencial calculado vs datos experimentales
Figura 3. Comparación del potencial eléctrico calculado con datos experimentales: curvas = modelo, puntos = medición. Fuente: artículo base.
08 Condiciones operativas que variaron

Cuatro parámetros, muchas combinaciones

3
Voltaje aplicado
35 kV45 kV55 kV
3
Diámetro del alambre
0.3 mm1 mm2 mm
2
Velocidad del gas
1 m/s2 m/s
2
Separación alambre–placa
90 mm115 mm
3×3×2×2 = 0condiciones de operación → ≈0simulaciones 3D (con tamaños de partícula)
09 Qué muestran el campo y las trayectorias

Potencial y campo eléctrico

Los valores más intensos aparecen cerca de los alambres y disminuyen hacia las placas a tierra. Ahí, las partículas encuentran condiciones de carga más intensas.

Figura 7: potencial eléctrico
Figura 7. Distribución del potencial eléctrico. Fuente: artículo base.
Figura 9: módulo del campo eléctrico
Figura 9. Módulo del campo eléctrico. Fuente: artículo base.
09 Trayectorias de partículas

Cada tamaño recorre un camino distinto

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El color es tiempo de residencia, no eficiencia de captura.

  • Las partículas más grandes pueden quedar retenidas cerca de la entrada; otras siguen avanzando.
  • No depende solo de ser grande o pequeña: intervienen la carga que adquiere, las fuerzas que actúan y el tiempo que permanece en el equipo.
Figura 10: trayectorias según el tiempo de residencia
Figura 10. Trayectorias y tiempo de residencia para varios tamaños de partícula. Fuente: artículo base.
10 El intervalo de captura más difícil y el modelo analítico

El mínimo de la curva: MPPS

Figura 11: eficiencia analítica vs CFD
Figura 11. Eficiencia por el modelo analítico (líneas) y por CFD (puntos); el mínimo corresponde al MPPS. Fuente: artículo base.
← domina la difusión de iones domina la carga por campo → 0.1 – 0.2 µm 0.02 µm 10 µm
Máxima penetración

La eficiencia baja, llega a un mínimo y vuelve a subir. Alrededor de 0.1–0.2 µm se captura la menor proporción: es lo que más escapa.

Por qué

En partículas grandes pesa la carga por campo; en las muy pequeñas, la difusión de iones. Entre ambas quedan las difíciles.

<10%

diferencia entre el modelo analítico y el CFD 3D en los casos comparados, dentro de su rango de aplicación.

11 Efecto del diseño y consumo de energía

Cuatro tendencias

↑VMás voltaje

Generalmente aumenta la eficiencia.

↓UGas más lento

Más tiempo disponible para la captura.

↓SMenor separación

De 115 a 90 mm mejora la recolección.

↑dAlambre más grueso

También mejora η en los casos analizados.

Figura 12: eficiencia con alambre de 0.3 mm
Figura 12. Alambre de 0.3 mm, separación 115 mm.
Figura 14: eficiencia con alambre de 2 mm
Figura 14. Alambre de 2 mm, separación 115 mm. Fuente: artículo base.
11 Efecto del diseño y consumo de energía

Capturar más cuesta energía

Figura 17: eficiencia con separación de 90 mm
Figura 17. Eficiencia con separación de 90 mm. Fuente: artículo base.
+0%

potencia de un alambre de 1 mm vs. 0.3 mm, a igual voltaje

+0%

potencia de un alambre de 2 mm vs. 0.3 mm, a igual voltaje

Figura 18: consumo relativo de potencia
Figura 18. Consumo relativo de potencia según voltaje y diámetro del alambre. Fuente: artículo base.

No basta con maximizar la captura: también hay que considerar la energía necesaria.

12 Interpretación de resultados y utilidad

Lo que dicen los resultados en conjunto

0.1–0.2 µm

No todo se captura igual

Entre 0.1 y 0.2 µm aparece el intervalo de máxima penetración.

η ⇄ P

Captura y potencia, juntas

La opción que retiene más partículas no es necesariamente la más conveniente si requiere más energía.

Aporte a la Ingeniería Electromecánica

Comparar combinaciones de voltaje, geometría y velocidad del gas antes de modificar o fabricar un equipo.

CFD 3D muestra el detalle; el modelo analítico da estimaciones rápidas para orientar qué opciones estudiar a fondo.

No reemplaza la comprobación en el equipo real, pero apoya decisiones de diseño con más información.

12 Conclusiones

Una herramienta para estimar la recolección y saber qué la afecta

  • El modelo analítico difiere menos de 10% de la simulación 3D en los casos comparados.
  • Su aporte práctico: valorar la eficiencia junto con el consumo de potencia y las condiciones de funcionamiento.
Muchas gracias ¿PREGUNTAS?

Fuente: Kılıç, M.; Mutlu, M.; Altun, A. F. “Numerical Simulation and Analytical Evaluation of the Efficiency of Particle Collection in a Gas by Wire-Plate Electrostatic Precipitators”. Applied Sciences, 2022, 12, 6401. DOI: 10.3390/app12136401