Diseño y Validación de un Ciclón Stairmand Destinado al Filtrado Parcial de Material
Particulado
Design and Validation of a Stairmand Cyclone for Partial Filtering of Particulate
Material
Resumen
Los materiales particulados incluyen solidos o líquidos o una mezcla de ellos a escalas
micrométricas. Estas partículas, pueden ser perjudiciales para el medio ambiente y se asocia a
algunos problemas de salud humana, debido principalmente a su tamaño. Por esta situación se
han creado tecnologías para su mitigación, como los ciclones. Esta tecnología aprovecha la
energía cinética del movimiento de flujo contaminado para efectuar una separación de forma
mecánica, por ello son implementados en diversas aplicaciones industriales como en los
prelimpiadores de líquidos o gases. El objetivo de esta investigación fue diseñar un ciclón de
alta eficiencia tipo Stairmand para separación de partículas sólidas en un flujo gaseoso, con una
eficiencia del 80%, a partir de un problema de estudio, donde se conocen los parámetros iniciales
junto a las variables implicadas en el sistema. El proceso metodológico empleado para esta
investigación se centró en un estudio descriptivo-correlacional, siguiendo los siguientes pasos:
1) clasificación de las variables para calculo teórico, diseño tridimensional con análisis de
simulación, 2) determinación de los parámetros geométricos teóricos, 3) diseño y modelado de
ciclón en software Solidworks®, 4) cálculo teórico de eficiencia de colección, 5) análisis de
eficiencia de colección con Solidworks® Flow Simulation a partir de resultados de simulación.
Los resultados teóricos, aunados a los de simulación mostraron una coincidencia con error
inferior a 1%, demostrando la hipótesis planteada en esta investigación.
Palabras clave: Diseño, validación, ciclón stairmand, filtrado parcial.
Abstract
Particulate materials include solids or liquids or a mixture of them at micrometer scales.
These particles can be harmful to the environment and are associated with some human
health problems, mainly due to their size. Because of this situation, technologies have been
created for their mitigation, such as cyclones. This technology takes advantage of the kinetic
energy of the contaminated flow movement to perform a mechanical separation, so they are
implemented in various industrial applications such as pre-cleaners of liquids or gases. This
research was aimed to design a high-efficiency Stairmand type cyclone for the separation
of solid particles in a gaseous flow, with an efficiency of 80%, based on a study problem,
where the initial parameters are known together with the variables involved in the system.
The methodological process employed for this research focused on a descriptive-
correlational study, following the following steps: 1) classification of variables for
theoretical calculation, three-dimensional design with simulation analysis, 2)
determination of theoretical geometric parameters, 3) cyclone design and modeling in
Solidworks® software, 4) theoretical calculation of collection efficiency, 5) collection
efficiency analysis with Solidworks® Flow Simulation from simulation results. Together
with the simulation results. The theoretical results showed a coincidence with an error of
less than 1%, demonstrating the hypothesis put forward in this research.
Keywords: Vermicompost, organic waste, interactive and integrating.
¹Universidad Internacional
Iberoamericana (UNINI)
¹https://orcid.org/0000-0001-8538-0767
¹México
Montijo-Valenzuela, E. (2021). Diseño y
validación de un ciclón Stairmand
destinado al filtrado parcial de material
particulado. Revista Tecnológica-
Educativa Docentes 2.0, 11(1), 80-88.
https://doi.org/10.37843/rted.v11i1.196
E. Montijo-Valenzuela, "Diseño y
validación de un ciclón Stairmand
destinado al filtrado parcial de material
particulado", RTED, vol. 11, n.° 1, pp. 80-
88, sep. 2021.
https://doi.org/10.37843/rted.v11i1.196
Eliel Eduardo Montijo-Valenzuela¹
28/diciembre/2020
28/marzo/2021
16/abril/2021
Montijo-Valenzuela, E. (2021). Diseño y validación de un ciclón Stairmand destinado al filtrado parcial de material particulado. Revista Tecnológica-Educativa
Docentes 2.0, 11(1), 80-88. https://doi.org/10.37843/rted.v11i1.196
Diseño y validación de un ciclón Stairmand destinado al
filtrado parcial de material particulado
Introducción
El material particulado (PM) es un término
empleado para describir una mezcla de partículas
en estado sólido o gotas líquidas presentes en el
aire (EPA, 2020). La generación del PM se debe
a fuentes de contaminación naturales o de tipo
antropogénicas, como consecuencia de
actividades del ser humano (Echeverri, 2019),
teniendo serias implicaciones en suelo, aire y
agua (Sotomayor, 2018), incluso en la salud
humana; principalmente relacionada con
problemas cardiovasculares (Khaniabadi et al.,
2016; Mannucci, 2017; Fiordelisi et al., 2017; An
et al., 2018; Kirrane et al., 2019; Yin et al., 2020;
Hadei & Naddafi, 2020), sumados a los
respiratorios (Yao et al., 2018; Sicard et al.,
2019; Leikauf, Kim & Jang, 2020; Kyung &
Jeong; 2020).
Como medida precautoria para mitigar las
emisiones antropogénicas de PM, se han
implementado diversas estrategias (Sofia, 2020),
tecnologías domésticas (World Health
Organization, 2020), tecnologías industriales
(Kwiatkowski et al., 2019), entre estas últimas,
los ciclones. Los separadores ciclónicos son
reconocidos y aceptados en diversas
aplicaciones, generalmente del tipo industrial,
entre ellas, el condensado de vapor, colección de
polvos en hornos (Wang et al., 2019; Cao & Bian,
2019; Wasilewski & Brar, 2019), o en
elaboración de alimentos, minería y construcción
(Gamiño et al., 2018; EPA-CICA, 2012). Los
ciclones de alta eficiencia Stairmand, manejan
una separación eficiente de MP en diámetros
aerodinámicos de entre 5 a 10 µm (Gamiño et al.,
2018), con una eficiencia de colección promedio
del 80%.
Debido al complejo nivel de operación y
las variables de entrada-salida, el rendimiento de
los diseños de ciclones es validado mediante
simulación fluidodinámica (Makwana &
Lakdawala, 2016; Vakamalla et al., 2016; Kumar
& Jha, 2018; Gopalakrishnan & Arul-Prakash,
2019). La simulación fluidodinámica o dinámica
de fluidos computacionales (CFD, por sus siglas
en inglés), es una herramienta para resolver
numéricamente las ecuaciones del movimiento
de los fluidos con uso de computadora (Xamán
& Girón, 2015). En trabajo recientes, el uso de
herramientas CFD es aplicado a ciclones para
análisis de optimización de modelos, incluyendo
cambios en geometrías (Luciano et al., 2018), en
este contexto, existen investigaciones dentro de
literatura, que centran métodos de validación de
eficiencia en separación con ciclones, a partir de
los cálculos teóricos en conjunto con CFD.
Con base a lo anterior, en esta
investigación se toma como referencia el
siguiente caso de estudio: Diseñar un ciclón para
separar sólidos de una corriente gaseosa. La
densidad de las partículas es de 1500 kg/m
3
y el
gas es aire a 450 °C. El caudal de la corriente es
3.2 m
3
/s, y la operación es a una presión de 85.3
kPa. La concentración de las partículas es de 2.0
g/m
3
y, según las normas de emisión, se requiere
una eficiencia de separación del 80% (Echeverri,
2006, p. 135). El objetivo general de esta
investigación fue diseñar un ciclón de alta
eficiencia tipo Stairmand utilizando los
parámetros establecidos en (Echeverri, 2006)
junto con el software Solidworks®, para
posteriormente validar el porcentaje de eficiencia
de colección utilizando los análisis de
Solidworks® Flow Simulation.
Metodología
Esta investigación es de carácter
cuantitativa cuyo alcance se basa en la revisión
de literatura y estudios relacionados al campo de
aplicación, específicamente de carácter
descriptivo y correlacional. El primero busca una
especificación de propiedades, sumado a una
consideración del fenómeno de estudio y sus
componentes, para medir conceptos y definir
variables. El segundo permite una asociación
entre los conceptos y variables, permitiendo
predicciones y cuantificaciones (Hernndez-
Sampieri & Mendoza-Torres, 2014).
El alcance de esta investigación está
orientado a un estudio descriptivo-correlacional.
El estudio descriptivo se asocia a las
especificaciones de carácter geométricas y de
diseño, utilizando metodologías teóricas,
aunadas a las de simulación. En el estudio
correlacional, se pretende medir el grado de
eficiencia de los cálculos teóricos, junto a
ecuaciones aplicables con los valores obtenidos
por CFD.
Montijo-Valenzuela, E. (2021). Diseño y validación de un ciclón Stairmand destinado al filtrado parcial de material particulado. Revista Tecnológica-Educativa
Docentes 2.0, 11(1), 80-88. https://doi.org/10.37843/rted.v11i1.196
Diseño y validación de un ciclón Stairmand destinado al
filtrado parcial de material particulado
Tabla 1
Clasificación de las variables implicadas en el cálculo teórico y diseño del ciclón tipo Stairmand
Nombre
de la variable
Representación
Tipo
Naturaleza
Independiente
Dependiente
Cuantitativa
Cualitativa
Densidad del
material particulado
ρ
X
X
Temperatura de
operación de la
mezcla de aire y
material particulado
T
X
X
Caudal de entrada al
sistema
Qi
X
X
Velocidad de entrada
al sistema
Vi
X
X
Presión de operación
Po
X
X
Concentración de
partículas
PM
X
X
Área
A
X
X
Altura de entrada del
ciclón
a
X
X
Ancho de la entrada
del ciclón
b
X
X
Altura de salida del
ciclón
SA
X
X
Diámetro de salida
del ciclón
Ds
X
X
Altura de la parte
cilíndrica del ciclón
h
X
X
Altura total del
ciclón
H
X
X
Altura de la parte
cónica del ciclón
Z
X
X
Diámetro de salida
del polvo
B
X
X
Velocidad
equivalente
Veq
X
X
Velocidad de
saturación
Vsat
X
X
Tiempo de retención
Tr
X
X
Eficiencia de
colección
ni
X
X
Densidad del aire
ρg
X
X
Densidad de la
partícula
ρp
X
X
Viscosidad dinámica
del aire
µ
A
X
X
Vórtice
VRX
X
X
Gravedad
Gr
X
X
Diámetro de las
partículas
Dpi
X
X
Factor de
configuración
Gr
X
X
Número de cabezas
de velocidad
NH
X
X
Número de vórtices
N
X
X
Nota. Tipos de variables y su naturaleza, implicadas en el cálculo y diseño, elaborado por: Echeverri (2006), Hoffmann
et al., (2008), Petit & Barbosa (2013) y Petit et al., (2012).
La hipótesis de esta investigación se centra
en la validación de un ciclón Stairmand y se
formula a continuación: se puede validar un
modelo teórico de ciclón tipo Stairmand a partir
de simulación CFD, implementando los mismos
parámetros de entrada tanto en el modelo teórico
y el modelo simulado, obteniendo un error no
mayor a un 5% en el total de colección de PM.
Las variables se clasifican a través de tablas (ver
Tabla 1 y Tabla 2), donde se concentran los
aspectos más relevantes en el cálculo teórico y el
diseño del ciclón tipo Stairmand, junto con las
implicaciones dependientes e independientes en
el análisis de CFD, clasificadas por tipo y por
naturaleza. Para la tipología se establecen las
variables como dependientes e independientes, y
para la naturaleza, como cuantitativas y
cualitativas.
Montijo-Valenzuela, E. (2021). Diseño y validación de un ciclón Stairmand destinado al filtrado parcial de material particulado. Revista Tecnológica-Educativa
Docentes 2.0, 11(1), 80-88. https://doi.org/10.37843/rted.v11i1.196
Diseño y validación de un ciclón Stairmand destinado al
filtrado parcial de material particulado
Tabla 2
Clasificación de las variables implicadas en
CFD del ciclón tipo Stairmand
Nombre
de la
variable
Rep
re-
sent
ació
n
Tipo
Naturaleza
Indepe
ndient
e
Depen
diente
Cuant
itativa
Cual
itativ
a
Temperatur
a de
operación
de la mezcla
de aire y
material
particulado
T
X
X
Caudal de
entrada al
sistema
Qi
X
X
Velocidad
de entrada
al sistema
Vi
X
X
Presión de
operación
Po
X
X
Densidad
del aire
ρg
X
X
Densidad de
la partícula
ρp
X
X
Viscosidad
dinámica
del aire
µ
A
X
X
Vórtice
VR
X
X
X
Nota. Tipos de variables y su naturaleza, implicadas en
simulación, elaborado por: Ast Ingeniería (2016),
Bahamón et al., (2009), Capote et al., (2008), Gamiño et
al., (2018) y Witt et al., (1999).
Ecuaciones para parámetros geométricos de
diseño en ciclón Stairmand
Para el dimensionamiento del ciclón
Stairmand, se establecen una serie de ecuaciones
determinantes para su diseño, siguiendo el
proceso metodológico empleado en
(Maduabuchi & Kuye, 2017; Miller, 2017;
Echeverri, 2006), cuyas variables se encuentran
caracterizadas en Tablas 1 y 2, esquematizadas
en Figura 1. Las ecuaciones se muestran a
continuación (Ecuaciones 1 a 8):
A= a * b =
(1)
a= 0.5Dc
(2)
b= 0.2Dc
(3)
S= 0.5Dc
(4)
Ds= 0.5Dc
(5)
h= 1.5Dc
(6)
z= 2.5Dc
(7)
B= 0.375Dc
(8)
Figura 1
Parámetros dimensionales de un ciclón tipo
Stairmand
Nota. Representación dimensional de variables en ciclón,
elaborado por el autor (2021).
Ecuaciones para determinar el rendimiento del
ciclón Stairmand
Para el cálculo del rendimiento del ciclón
se utilizaron las ecuaciones propuestas en la
metodología empleada por (Tahir et al., 2020;
Schnelle et al., 2016; Echeverri, 2006), cuyas
variables se encuentran caracterizadas en tabla 1.
Es importante señalar que las variables
implicadas son de entrada y salida, y están
relacionadas con la velocidad equivalente, la
velocidad de saturación, parámetros
dimensionales del diseño del ciclón y la densidad
del material, por mencionar algunas. Las
ecuaciones son mostradas a continuación
(Ecuaciones 9 a 13):
Veq=
(9)
Montijo-Valenzuela, E. (2021). Diseño y validación de un ciclón Stairmand destinado al filtrado parcial de material particulado. Revista Tecnológica-Educativa
Docentes 2.0, 11(1), 80-88. https://doi.org/10.37843/rted.v11i1.196
Diseño y validación de un ciclón Stairmand destinado al
filtrado parcial de material particulado
Vsat=
(10)
n= 1 – (1 – 0.67(Dc0.14)
(
)0.3
(11)
Tr=
(12)
ni= 1–e
(2(
)(0.5/(n+1)))
(13)
Simulación CFD
Solidworks® Flow Simulation es una
herramienta de análisis de fluidos como
complemento del software Solidworks®,
permitiendo el análisis y solución de problemas
relacionados a fluidos, a partir de las ecuaciones
de Navier-Stokes. Para el análisis de CFD
utilizando Solidworks® Flow Simulation, se
emplea el desarrollo metodológico de (Matsson,
2018), resumido en el diagrama de Figura 2.
Figura 2
Metodología para simulación CFD en
Solidworks® Flow Simulation
Nota. Resumen metodológico para simulación CFD,
elaborado por Matsson (2018).
Resultados
Para determinar los parámetros
geométricos a partir de las ecuaciones 1 a 8, se
establecieron las condiciones iniciales con base a
la problemática planteada, las cuales se recopilan
en Tabla 3, donde se especifican las condiciones
cuantitativas iniciales del sistema. Aplicando las
ecuaciones 1 a 9, se obtuvieron los parámetros
geométricos del ciclón Stairmand, mostrados en
tabla 4.
Tabla 3
Condiciones iniciales del sistema
Variable
Valor
Densidad de la partícula
(Kg/m
3
)
1500
Temperatura de aire (ºC):
450
Caudal de corriente (m
3
/s)
3.2
Presión (kPa):
85.3
Concentración de partícula
(g/m
3
)
2
Velocidad inicial (m/s)
22
Viscosidad dinámica del aire
(kg/ms)
3.57×10
-5
Material particulado (kg/m
3
)
0.411
Área del conducto de entrada
(m
2
)
0.1455
Velocidad equivalente (W)
1.6064
Nota. Especificación cuantitativa de las condiciones
iniciales del ciclón, elaborado por el autor (2021).
Tabla 4
Valores de los parámetros geométricos
Parámetro geométrico
Valor en metros
Dc
1.35
a
0.675
b
0.27
S
0.675
Ds
0.675
h
2.025
H
5.4
z
3.375
B
0.5063
Nota. Cuantificación de parámetros geométricos,
elaborado por el autor (2021).
Con los valores de Tabla 4, se procedió a
realizar el diseño en el software Solidworks®,
dando como resultado el modelo mostrado en
Figura 3. Los diámetros aerodinámicos de las
partículas presentes en la problemática, el
porcentaje en masa, el tiempo de retención y el
porcentaje de eficiencia de colección, se pueden
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Diseño y validación de un ciclón Stairmand destinado al
filtrado parcial de material particulado
observar en Tabla 5, a partir de las ecuaciones 9
a 13. Bajo las condiciones iniciales, se realizó el
análisis de simulación con Solidworks® Flow
Simulation para validar los resultados teóricos
obtenidos en tabla 5. Los resultados obtenidos se
muestran en figura 4.
Figura 3
Modelo tridimensional de ciclón Stairmand,
diseñado con los parámetros teóricos calculados
Nota. Modelos del ciclón en Solidworks®, elaborado por
el autor (2021).
Tabla 5
Eficiencia total de colección
Tamaño
aerodiná
mico
(µm)
%
en
ma
sa
Dp
(µ
m)
Dp
(m)
Tr (s)
ni
ni *
%
en
mas
a
5-20
100
12.
5
12.5x
10
-6
3.668x
10
-4
0.7
94
79.
40
Nota. Porcentaje de colección para partículas de 5 a 20 µm,
elaborado por el autor (2021).
Figura 4
Simulación CFD de eficiencia de colección en un
rango de 10,000 partículas (100%)
Nota. Análisis de simulación para eficiencia de colección,
elaborado por el autor (2021).
Conclusiones
Se dimensionó un ciclón de alta eficiencia
mediante las ecuaciones propuestas por
Maduabuchi & Kuye, 2017; Miller, 2017;
Echeverri, 2006), para las condiciones de un
proceso de corriente gaseosa propuesto por
(Echeverri, 2006), teniendo como punto de
partida la densidad de las partículas y del gas a
una temperatura dada, además del caudal de
entrada, presión de operación y concentración del
PM.
Los datos del dimensionamiento generaron
un modelo tridimensional en Solidworks® del
ciclón de alta eficiencia tipo Stairmand.
Posteriormente se procedió a realizar los cálculos
para determinar de forma teórica el porcentaje de
eficiencia del ciclón con base a las ecuaciones
propuestas por (Tahir et al., 2020; Schnelle et al.,
2016; Echeverri, 2006), haciendo uso de los
parámetros geométricos calculados, además de
las condiciones iniciales de operación del
sistema, obteniendo un valor teórico de colección
de 79.40% en partículas de 5 a 20 µm (diámetro
aerodinámico promedio de partícula equivalente
a 12.5 µm), como se mostró en tabla 5.
Con el modelo tridimensional del ciclón de
alta eficiencia tipo Stairmand se procedió a
realizar el análisis de simulación en CFD,
agregando las mismas condiciones del sistema
calculado de forma teórica, con la intención de
validar el porcentaje de eficiencia de colección,
en donde se estableció un total de 10 mil
partículas entrantes al ciclón (este valor se tomó
como 100%), con un tiempo de retención
simulado de 3.668x10-4 segundos (iteración
equivalente al valor teórico). En este tiempo, se
colectaron 8 mil partículas, liberándose 2 mil al
exteriro, equivalentes a un 80 y 20%
respectivamente.
Estos datos demostraron que para las
configuraciones geométricas y condiciones
iniciales del problema de estudio, existe una
discrepancia mínima (menor a 1%) entre el
cálculo teórico versus resultados de simulación
en CFD con Solidworks® Flow Simulation,
corroborando la hipótesis planteada en esta
investigación, para el caso de estudio analizado.
Los cálculos con CFD para el estudio de
partículas con Solidworks® Flow Simulation son
una herramienta invaluable en el diseño de
Montijo-Valenzuela, E. (2021). Diseño y validación de un ciclón Stairmand destinado al filtrado parcial de material particulado. Revista Tecnológica-Educativa
Docentes 2.0, 11(1), 80-88. https://doi.org/10.37843/rted.v11i1.196
Diseño y validación de un ciclón Stairmand destinado al
filtrado parcial de material particulado
dispositivos de separadores (Kurtin, 2020), ya
que presentan gran precisión en los resultados
obtenidos bajo los términos de los modelos
teóricos (Alahmer & Al-Dabbas, 2014;
Gheorghe et al., 2018; Gopalakrishnan & Arul-
Prakash, 2019).
La importancia de los análisis con CFD en
el diseño y validación de ciclones, posibilita
ajustar de forma rápida los modelos
tridimensionales, permitiendo predecir casi de
forma automática el comportamiento de los
fluidos dentro del ciclón, e igualmente su
eficiencia de colección. En este caso, los ajustes
de diseño dentro de Solidworks®, permiten
generar nuevos resultados de simulación a partir
de las condiciones de entrada y salida,
únicamente modificando las condiciones
geométricas.
El comportamiento de los flujos es
competencia de la mecánica de fluidos, analizada
desde diferentes perspectivas mediante pruebas
experimentales con plantas piloto a través del
funcionamiento de bombas hidráulicas (Barrios,
Ferrer, & Rosillón, 2020), o a partir del estudio
de fenómenos físicos naturales o de laboratorio
(Cengel & Cimbala, 2018), es por ello, que se
recomienda en futuras investigaciones, realizar
pruebas experimentales de validación de los
sistemas teóricos y simulados mediante CFD.
Reconocimiento
Agradezco al Dr. Pedro Jancarlo Gómez-
Vega quien funge como coautor de esta
investigación, además por su apoyo como
director de mi tesis doctoral, orientada al tema
abordado en este trabajo.
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