¿Qué es un purificador de aceite combustible?
Un separador centrífugo, también conocido como ‘centrífuga’, es un tipo de máquina utilizada para separar fases de un fluido basándose en la densidad. El nombre ‘separador centrífugo’ surge porque el principio de funcionamiento de la máquina se basa en la fuerza centrífuga. Purificadores y clarificadores son tipos de separadores centrífugos.
Purificador de Aceite Combustible 3D
Este artículo se centra en los purificadores de aceite combustible utilizados en el sector marítimo. A lo largo de este artículo, es posible reemplazar la palabra ‘combustible’ por ‘fluido’ y aplicar el conocimiento y los principios de funcionamiento a otras aplicaciones e industrias, por ejemplo, purificador de aceite lubricante (en lugar de purificador de aceite combustible). Si deseas aprender más sobre los purificadores de aceite combustible después de leer este artículo, por favor consulta nuestro Curso en Video en Línea sobre los Fundamentos de Purificadores y Clarificadores.
Nota: Los términos ‘separador centrífugo’ y ‘centrífuga’ a menudo se usan indistintamente; no hay diferencia entre los dos elementos más allá de la terminología.
Aplicaciones del Separador Centrífugo
La separación de un fluido en sus diversas fases es necesaria en muchos procesos de ingeniería, algunos ejemplos comunes incluyen:
- Eliminar sólidos y agua del aceite combustible (agua del diésel, etc.).
- Eliminar grasa de la leche para hacer leche desnatada (la grasa eliminada se vende como nata).
- Eliminar gomas y lecitina del aceite vegetal (mejora la calidad del aceite, las gomas se venden como subproducto).
- Eliminar agua de la ropa mojada (lavadoras).
Sistema de Combustible Marino
Este artículo se centra en los purificadores de aceite combustible utilizados dentro del sistema de combustible de un barco, es decir, purificadores que eliminan agua e impurezas del aceite combustible. Un sistema típico de aceite combustible para un gran buque comercial (buque portacontenedores, petrolero, etc.) se muestra a continuación. Las ‘centrífugas’ podrían ser purificadores o clarificadores, dependiendo de los requisitos del sistema.
Sistema de Combustible de Buque Comercial
Los barcos comerciales tradicionalmente quemaban aceite combustible pesado (HFO), pero esto ha cambiado en la última década debido a la nueva legislación de protección ambiental. Un barco que quema aceite diésel no requerirá calentadores en el sistema de combustible, ya que el combustible fluye fácilmente en la mayoría de las condiciones (baja viscosidad). El aceite combustible pesado requiere calentadores dentro de los tanques de combustible y cualquier tanque de almacenamiento intermedio debido a su alta viscosidad (alta resistencia al flujo, es decir, es ‘espeso’ a temperaturas más bajas y no fluye fácilmente).
¿Cuál es la diferencia entre un purificador y un clarificador?
Los purificadores y clarificadores son tipos de separadores centrífugos. Un purificador está diseñado para separar fases de un fluido e impurezas. Un clarificador está diseñado para separar solo impurezas. Por ejemplo, un purificador de aceite combustible separará el agua del combustible, que representan diferentes fases del fluido, y también separará impurezas sólidas como partículas de óxido, partículas de hierro, partículas de aluminio, etc. del combustible. Un clarificador solo separará impurezas sólidas del combustible, no separará el agua del combustible.
Flujo de Fluido dentro y fuera de un Purificador
La imagen anterior muestra un purificador siendo alimentado con aceite combustible sucio. El aceite limpio y el agua se descargan continuamente del purificador (flechas hacia abajo). Cualquier sólido/impureza en el combustible sucio se acumulará dentro del purificador y debe ser eliminado periódicamente.
Purificador y Clarificador Comparados
Hay varias diferencias importantes entre un purificador y un clarificador:
- Los purificadores tienen un disco de gravedad, los clarificadores no.
- Los purificadores requieren agua de sellado, los clarificadores no.
- Los purificadores separan agua e impurezas, los clarificadores solo separan impurezas.
Partes Internas del Purificador de Aceite Combustible
Las partes internas de un purificador se pueden dividir aproximadamente entre desechables y no desechables. Las partes desechables son sellos y juntas tóricas; las partes no desechables son todas las demás partes. Las partes internas comunes de un purificador de aceite combustible auto-deslodante se muestran a continuación.
Partes Internas del Purificador de Aceite Combustible
Las partes internas de un purificador de aceite combustible consisten en:
- Anillo de Bloqueo (‘Lock Ring’) – un anillo de bloqueo superior e inferior. El anillo de bloqueo superior se refiere como el ‘gran anillo de bloqueo’ mientras que el anillo de bloqueo inferior se refiere como el ‘pequeño anillo de bloqueo’.
IMPORTANTE
Los anillos de bloqueo tienen una rosca a la izquierda, es decir, deben girarse a la izquierda para apretarlos y a la derecha para aflojarlos. ¡Otras partes internas también usan una rosca a la izquierda!
- Capucha del Tazón – se une al cuerpo del tazón para formar un contenedor sellado.
- Disco Superior – retiene la tubería de entrada y salida, discos de emparejamiento y disco de gravedad, en posición sobre el conjunto de discos.
- Tubería de Entrada y Salida – los fluidos entran en el tazón y se descargan del tazón a través de esta conexión.
- Disco de Gravedad – establece la interfaz entre el combustible y el agua dentro del purificador. Los clarificadores no tienen disco de gravedad porque no separan agua del combustible.
- Discos del Tazón – los discos del tazón se presionan juntos en el distribuidor para formar un conjunto de discos.
- Auto-deslodante – el deslizador de descarga, deslizador de operación, soporte y anillo de agua de operación, se utilizan para controlar la operación de deslodado de un purificador auto-deslodante (discutido más adelante en el artículo).
- Cuerpo del Tazón – forma la parte inferior del contenedor sellado; la parte superior del contenedor es la capucha del tazón.
Todas las partes de un purificador de aceite combustible deben fabricarse con tolerancias exactas debido a las altas velocidades de operación a las que operan. Cualquier imperfección presente en las partes internas causará desequilibrios cuando el purificador esté en funcionamiento, con efectos perjudiciales correspondientes para el purificador. Cada una de las partes de un purificador tiene un código de fabricación estampado/grabado en su superficie para asegurar que se pueda obtener una pieza de repuesto adecuada del fabricante (el fabricante equilibra cada una de las partes en la fábrica y registra sus características). ¡Las partes del purificador nunca deben compartirse entre máquinas!
Partes Externas del Purificador de Aceite Combustible
La apariencia externa de cada purificador de aceite combustible difiere considerablemente, sin embargo, hay algunas partes comunes presentes en la mayoría de los purificadores.
Partes Externas del Purificador de Aceite Combustible
Algunas de las partes más relevantes se discuten en más detalle a continuación.
- Freno – para desacelerar la máquina. El freno debe aplicarse cuando el purificador ya no esté girando o cuando esté girando a una velocidad muy baja.
- Sistema de Aceite – compuesto por el tapón de drenaje, tapa de llenado y visor de nivel de aceite. Se agrega aceite de lubricación a través de la tapa de llenado y se drena a través del tapón de drenaje. Se proporciona un visor de nivel de aceite para verificar visualmente el nivel de aceite (el nivel de aceite debe estar entre las marcas mínimas y máximas en el visor).
- Contador de Velocidad – muestra la velocidad de rotación de la unidad en revoluciones por minuto (rpm).
- Motor de Impulso – un motor de inducción eléctrico conectado a través de engranajes o una correa al eje de transmisión del purificador. La velocidad de rotación del motor generalmente se regula mediante un variador de velocidad (VSD)/variador de frecuencia (VFD).
- Conexiones – para combustible sucio, agua y combustible limpio.
Impulsos del Purificador de Aceite Combustible
Los purificadores de aceite combustible pueden ser impulsados por engranajes o correas. El arreglo de un purificador impulsado por engranajes se muestra a continuación.
Purificador de Aceite Combustible Impulsado por Engranajes
Los purificadores de aceite combustible impulsados por correas también son bastante comunes; un arreglo se muestra a continuación.
Purificador de Aceite Combustible Impulsado por Correas
Los engranajes dentro de un purificador de aceite combustible están fabricados de acero inoxidable y no se desgastan considerablemente con el tiempo, por lo tanto, se reemplazan infrecuentemente. Las correas deben reemplazarse frecuentemente ya que se desgastan con el tiempo y pierden su resistencia a la tracción, lo que lleva a que se estiren (alarguen).
Teoría del Purificador de Aceite Combustible
Para entender cómo funciona un purificador -de hecho, cómo funciona cualquier centrífuga-, es necesario entender el concepto de densidad y fuerza centrífuga.
Densidad
La densidad puede describirse como el peso de algo en relación con su volumen. Un objeto pesado (gran peso) con un pequeño volumen se considera que tiene una alta densidad. Un objeto ligero (bajo peso) con un gran volumen se considera que tiene una baja densidad. Por ejemplo, el metal plomo se considera muy denso porque tiene una alta relación peso-volumen.
Si dos fluidos de diferentes densidades se mezclan, se separarán por densidad si se dejan sin agitar. El diagrama a continuación muestra un tanque lleno de aceite combustible sucio, es decir, aceite combustible que contiene agua e impurezas.
Tanque de Aceite Combustible
El proceso anterior puede describirse como:
- La imagen de la izquierda muestra el tanque de combustible lleno de aceite combustible sucio.
- La imagen del medio muestra la condición del tanque después de esperar un período de tiempo, por ejemplo, 24 horas.
- La imagen de la derecha muestra la condición del tanque una vez que el agua ha sido drenada del tanque.
Al observar la imagen del medio, se nota que el agua en el combustible se ha acumulado en la base del tanque porque es más densa que el combustible. Los fluidos más ligeros siempre serán desplazados por fluidos más densos si se dejan sin agitar, es decir, los fluidos más densos se hunden por debajo de los fluidos más ligeros. El agua generalmente se considera ‘peso’ y la mayoría de los aceites combustibles -y aceites vegetales- serán desplazados por ella si se mezclan juntos en un contenedor. El tipo de separación descrito se refiere como ‘separación por gravedad’, o ‘separación debido a la gravedad’.
Aceite Vegetal Desplazado por Agua
Fuerza Centrífuga
La fuerza centrífuga no es una fuerza verdadera, es una fuerza ficticia (no verdadera) utilizada para explicar la segunda ley del movimiento de Newton. La segunda ley del movimiento de Newton se describe como:
El cambio de movimiento de un objeto es proporcional a la fuerza impresa; y se realiza en la dirección de la línea recta en la que se imprime la fuerza.
Para propósitos de ingeniería, es mejor imaginar que la fuerza centrífuga es la fuerza hacia afuera ejercida sobre un objeto en rotación. Por ejemplo, la imagen a continuación muestra dos fuerzas actuando sobre la Tierra, centrípeta y centrífuga. Si la fuerza centrípeta está causando que la Tierra sea atraída hacia el sol, se requiere otra fuerza para mantener la Tierra en su órbita; esta fuerza es la fuerza centrífuga.
IMPORTANTE – la explicación dada anteriormente no es estrictamente correcta en términos de física newtoniana, pero una explicación más detallada está más allá del alcance de este artículo.
Fuerzas Centrífuga y Centrípeta
Es posible aumentar la fuerza centrífuga ejercida sobre un objeto aumentando su velocidad de rotación. Cuando un objeto está restringido a un punto central y se aplica una fuerza, el objeto girará alrededor de ese punto, porque las fuerzas centrípeta y centrífuga están equilibradas. Si el objeto se desata, viajará en un camino en ángulo recto al punto de rotación; esto se puede demostrar en la imagen a continuación de un hombre girando a un niño en círculos.
Ejemplo de Fuerza Centrífuga
Se puede ver que cuando un objeto está girando a velocidad, las fuerzas actúan sobre ese objeto. Cuando un fluido se rota a velocidad, las fuerzas actúan sobre el fluido causando que el fluido se separe en sus diversas fases. Las fases más densas se mueven más lejos del punto de rotación y desplazan cualquier fase más ligera en el proceso. Por ejemplo, si un contenedor cilíndrico sellado estuviera lleno de aceite combustible sucio y se rotara muy rápido a lo largo de su eje central, las moléculas de agua viajarían hacia el exterior del contenedor y las moléculas de aceite serían forzadas hacia el centro del contenedor; las impurezas densas en el combustible sucio desplazarían el agua y se acumularían en la periferia más externa del contenedor.
Separación del Purificador de Aceite Combustible
Cómo Funcionan los Purificadores de Aceite Combustible (Básico)
Un purificador de aceite combustible es un contenedor sellado que se rota a alta velocidad por un motor eléctrico. Un fluido se alimenta al contenedor y el movimiento rotacional (energía cinética) del contenedor se transfiere al fluido. A medida que se imparte energía al fluido, comienza a separarse en sus fases (agua y aceite) debido a sus diferencias de densidad; las impurezas se acumulan en la periferia externa del contenedor ya que son las partículas más pesadas suspendidas dentro del fluido. El agua y el combustible limpio se descargan continuamente del purificador, mientras que las impurezas se eliminan periódicamente.
Nota - el ‘contenedor’ se forma al sujetar el cuerpo del tazón y la capucha del tazón juntos.
Cómo Funciona el Purificador de Aceite Combustible (Detallado)
El aceite combustible sucio se alimenta al purificador a través de la entrada de combustible sucio. El aceite combustible sucio entra en la cubierta del purificador y fluye hacia abajo a través del distribuidor y sale de su base. Desde la base del distribuidor, el aceite combustible sucio fluye hacia arriba a través del conjunto de discos. El flujo a través del conjunto de discos ocurre a través de pequeños agujeros ubicados en la periferia externa de cada uno de los discos.
Componentes Internos del Purificador de Aceite Combustible
La separación de agua e impurezas ocurre entre los discos del conjunto de discos. Las moléculas de agua coalescen en la parte inferior de cada disco y viajan hacia afuera hacia la periferia del tazón; partículas extrañas y otras impurezas también viajan hacia la periferia del tazón. El ‘aceite combustible limpio’ (combustible sin agua ni impurezas) viaja a la parte superior del conjunto de discos y se extrae a través de la conexión de descarga de aceite limpio.
Conjunto de Discos del Purificador
El agua se acumula en la superficie interna del tazón del purificador hasta que tiene suficiente volumen para fluir alrededor del disco de gravedad y salir a través de la conexión de descarga de agua. A menudo se puede ver un goteo de agua desde la conexión de descarga de agua cuando un purificador está en funcionamiento, pero la cantidad de agua separada que se ve depende en gran medida del tipo de combustible y su contenido de agua.
Salidas de Agua y Combustible Limpio
Las impurezas se acumulan en la superficie interna del tazón del purificador y pueden descargarse automáticamente a través de auto-deslodado, o deben eliminarse manualmente.
Mantenimiento del Purificador
Los purificadores y clarificadores requieren relativamente poco mantenimiento. Las intervenciones de mantenimiento se clasifican como ‘menores’ o ‘mayores’, y ocurren en intervalos programados basados en el tiempo (horas de servicio) o la fecha (días desde el último servicio, independientemente de las horas de servicio).
Servicio Menor
Un servicio menor solo requerirá que el purificador sea limpiado y que se reemplacen los sellos y/o juntas tóricas. Las piezas de repuesto necesarias para un servicio menor se proporcionan en un Kit de Servicio Menor.
Servicio Mayor
Un servicio mayor incluye un servicio menor y otras tareas adicionales. Un servicio mayor requiere el uso de muchas más piezas de repuesto, como rodamientos y ejes, etc. Las piezas de repuesto necesarias para un servicio mayor se proporcionan en un Kit de Servicio Mayor.
¿Por qué usar centrífugas en lugar de separación por gravedad?
El proceso de separación por gravedad es demasiado lento para ser utilizado en la mayoría de los procesos industriales. Muchos procesos industriales requieren grandes volúmenes continuos de fluidos, y no es posible lograr esto cuando se depende solo de la separación por gravedad. Además de los bajos volúmenes, la calidad del resultado también es difícil de determinar en comparación con el uso de una centrífuga.
La separación centrífuga ocurre porque los efectos de la gravedad se simulan y magnifican dentro del purificador. Cuando un purificador gira a alta velocidad, las fases del fluido dentro del purificador se separan debido a las fuerzas aumentadas a las que están sometidas. Los astronautas experimentan una situación similar cuando son sometidos a una fuerza gravitacional aumentada (fuerza g) como parte de su entrenamiento para entrar en el espacio. Se colocan dentro de una cabina y se giran a alta velocidad para simular una fuerza gravitacional aumentada; el tipo de máquina utilizada para esto se llama ‘centrífuga humana’. La máquina mostrada a continuación es capaz de proporcionar 20g (20 veces la fuerza de gravedad de la Tierra). Este tipo de entrenamiento ha demostrado ser valioso porque la sangre fluirá lejos del cerebro a medida que aumenta la fuerza g, lo que puede causar visión de túnel y desmayos; entrenar para esta eventualidad aumenta la probabilidad de que un astronauta identifique y remedie la situación antes de que se vuelva crítica.
Centrífuga Humana de 20 g
Cómo Funciona el Auto-Deslodado del Purificador de Aceite Combustible
Los purificadores de aceite combustible más grandes están equipados con una capacidad de auto-deslodado. A medida que el tazón de un purificador se ensucia, el diámetro de trabajo del tazón disminuye gradualmente, y la eficiencia de la unidad disminuye. En los purificadores más antiguos, era necesario abrir el purificador con frecuencia para limpiar las impurezas/lodo de la superficie interna del tazón del purificador, pero la función de auto-deslodado permite que un purificador se enjuague con agua y se deslodado sin necesidad de abrirlo.
Operación de Auto-Deslodado
La operación de deslodado se logra utilizando un sistema de control hidráulico ubicado debajo del tazón deslizante del purificador (un pequeño tazón colocado dentro del tazón principal). Se drena el agua del sistema, lo que hace que el tazón deslizante se mueva hacia abajo, descubriendo los puertos de deslodado. El lodo se descarga a través de los puertos de descarga en el tazón del purificador, luego el agua (agua de operación) vuelve a llenar la cámara debajo del tazón deslizante, lo que hace que el tazón deslizante se eleve y vuelva a cubrir los puertos de descarga de lodo.