DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EVALUACIÓN DE UN AIREADOR TIPO VÓRTICE LIBRE

Arturo Lizardi R., Alen Díaz C., Raymundo López C., Juan R. Morales G., Araceli Lara V. Universidad Autónoma Metropolitana- Azcapotzalco Departamento de Energía, Área de Termofluidos Av. San Pablo 180, Col. Reynosa Tamaulipas Del. Azcapotzalco, C.P. 02200, México D.F. Tel. 5318-9060 Fax: 5318-9058 E-Mail: [email protected]

RESUMEN Se presenta el diseño, construcción y evaluación de un modelo de aireador de tipo sumergido que aprovecha las características del vórtice libre para hacer más rentable el proceso de aireación. El equipo diseñado genera una diferencia de presiones con la cual se introduce el aire atmosférico al seno del líquido y se mantiene un cierto nivel de turbulencia de los fluidos en el interior del tanque de pruebas. Lo anterior se logra al utilizar un impulsor de diseño especial que genera el flujo potencial, que con ayuda del tubo de succión produce los efectos antes mencionados. La evaluación del aireador se determinó por medio de la cantidad de oxígeno introducido al agua, la cual se midió con un analizador de oxígeno disuelto. Los resultados experimentales indican que la saturación de oxígeno en el agua se llevó acabo en un tiempo aproximado de 2.5 minutos.

INTRODUCCIÓN En una planta de tratamiento de aguas residuales los objetivos del aireador son: la transferencia de moléculas gaseosas, principalmente de oxígeno, del aire al agua, y el mantener una concentración más o menos uniforme del oxígeno y de los microorganismos en la masa líquida. El propósito de la transferencia de oxígeno al agua tiene relevancia en el campo de la oxidación bioquímica, ya sea de compuestos inorgánicos, orgánicos o bien de impurezas volátiles. Los equipos utilizados en el proceso de aireación pueden ser de dos tipos: por gravedad (cascada, aspiración forzada y aireadores empacados de coque), o por rocío (difusión, de superficie y de turbina sumergida). Los aireadores de difusión y de turbina sumergida ponen al aire en contacto con el agua, mientras que los aireadores de superficie operan en modo inverso, es decir, ponen en contacto al agua con la atmósfera. En los aireadores de tipo sumergido se requiere de un flujo másico de aire, que por lo general es proporcionado por un sistema de compresión y distribución de aire (motocompresor, tanque de almacenamiento de aire, dispositivos de control, red de tubería, etc.), que eleva el costo del proceso considerablemente (Ramalho, 1998).

En el presente trabajo se presenta el diseño, construcción y evaluación de un modelo de aireador de tipo sumergido que aprovecha el efecto del vórtice libre y que elimina el equipo de compresión y distribución de aire, haciendo más rentable el proceso de aireación. En general, el movimiento como vórtice libre o torbellino potencial se forma de partículas de fluido que se mueven alrededor de un eje vertical y que tienen una velocidad que varia inversamente a la distancia desde el centro de rotación, el flujo generado es irrotacional, el cambio de momento angular es cero, y se forma una superficie libre en forma de hiperboloide de revolución, Figura 1a. En el aireador propuesto, la flecha que une el eje motor con el impulsor se encamisa con un tubo de diámetro interior mayor que el diámetro exterior de la flecha con el fin de confinar el aire que ocuparía la hipérbola formada sin dicha camisa. Lo anterior provoca un flujo másico de aire que pasa a lo largo del espacio formado entre la flecha y el tubo, y que es producto de la diferencia de presiones que genera el impulsor, Figura 1b.

Fig. 1 Esquema del a) vórtice libre, b) aireador tipo vórtice libre El flujo másico de aire depende de las r.p.m. y potencia del motor, del diámetro interior del tubo que encierra al eje, de la distancia entre la superficie libre del líquido y el impulsor, del tamaño del impulsor, entre otras variables. Este trabajo es el producto de una extensa investigación acerca del flujo rotatorio tipo vórtice libre, primeramente al analizar los resultados numéricos de sus ecuaciones gobernantes (López et al; 1999), y posteriormente al aplicar dichos resultados a dispositivos de uso en ingeniería tales como sellos hidráulicos para bombas centrífugas (Díaz et al; 1999) o aplicaciones en plantas de tratamiento de agua (López et al; 2000).

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Las partes que componen al equipo diseñado se describen a continuación: §

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Un motor eléctrico monofásico de corriente alterna de 372.8 W [1/2 HP] que gira a 3750 r.p.m. sin carga y a presión atmosférica. Dicho motor se encuentra perfectamente aislado para evitar el paso del agua a su interior y se encuentra provisto de aletas longitudinales para su enfriamiento. Una flecha de acero inoxidable SA-240-316 de 9.52 mm [0.375”] de diámetro por 520 mm de longitud, tiene la función transmitir el movimiento del eje del motor al impulsor. Un cople unión de acero inoxidable SA-240-316 de 19.05 mm [0.75”] de diámetro exterior por 26 mm de longitud, tiene la función de transmitir el par del eje del motor hacia la flecha. La sujeción del cople unión con el eje del motor y la flecha transmisora se hace por medio de pernos de acero que atraviesan transversalmente ambos elementos. Un tubo de acero inoxidable SA-240-316 calibre 16, con costura, de 38 mm [1.5”] de diámetro por 480 mm de longitud, tiene la función de permitir el acceso del aire atmosférico hacia el interior del líquido. Uno de los extremos del tubo se encuentra soldado a una placa de acero inoxidable de 80 mm x 80 mm, calibre 12. La placa tiene un barreno en cada esquina y tiene la función de sujetar el tubo con una base adaptada especialmente para el motor. Un buje-soporte de bronce autolubricado de 50.8 mm [2”] de diámetro exterior por 38.1 mm de longitud, tiene la función de mantener una correcta alineación entre la flecha y el eje del motor, y a la vez, de evitar vibraciones por el posible desbalanceo del impulsor. El bujesoporte posee 8 barrenos distribuidos geométricamente por los cuales escapa el flujo de aire. Un impulsor, de diseño especial, de acero inoxidable SA-240-316 de 92 mm de diámetro exterior aproximadamente. El impulsor consta de 4 álabes de 19 mm de alto que se encuentran soldados a un buje de 19 mm diámetro exterior por 17 mm de longitud. El impulsor se sujeta a la flecha por medio de un perno de acero que atraviesa transversalmente ambos elementos. Una base, de diseño especial, de lámina de acero inoxidable SA-240-316 calibre 12, tiene la función de proveer un soporte sólido para el motor y los demás elementos. El acoplamiento adecuado de la base permite ajustar el ángulo de inclinación del conjunto a tres posiciones diferentes respecto a la horizontal siendo éstos de 45°, 67° y 90°.

Para realizar las pruebas de funcionamiento del aireador se diseñó y construyó un tanque de lámina lisa galvanizada calibre 12. Las dimensiones aproximadas del tanque son 800 mm x 800 mm x 800 mm con el fondo piramidal. El tanque puede contener un volumen máximo de 0.520 m3 (al 100 %) y la estructura que lo sostiene soporta más de 700 kg, que es el peso del tanque lleno de agua (al 100 %) junto con todos los componentes del equipo. Para observar el funcionamiento del aireador en cuanto al tamaño de burbujas expulsado, geometría de la zona de dispersión de las burbujas, distancia máxima a la que llegan las burbujas respecto a la superficie libre del líquido, etc., se dotó al tanque de dos mirillas de acrílico transparente de 250 mm x 350 mm x 5 mm. El tanque de pruebas con el aireador y el equipo de medición de oxígeno disuelto, así como el equipo completamente ensamblado se muestran en las Figuras 2 y 3, respectivamente.

Fig. 2 Tanque de pruebas con el equipo

Fig. 3 Aireador ensamblado

PRUEBAS EXPERIMENTALES Una vez construidos los componentes antes mencionados, se procedió a su ensamble y puesta en operación. En esta experimentación se dejó una distancia de 250 mm entre la superficie libre del líquido y el impulsor, y una distancia de 10 mm entre el buje soporte y el impulsor, ya que estos valores son los más adecuados para el buen desempeño del aireador (Lizardi et al; 2001). Es importante señalar que como primer aproximación todas las pruebas se realizaron con agua proveniente de la toma común. Durante la experimentación se llevó a cabo una prueba fotográfica del evento, ésta se hizo con una cámara digital Epson Photo 800 de 1600x1200 pixeles de resolución que toma una imagen por segundo. En las Figuras 4 a 7 se muestra al aireador en posición estática, al momento de arranque, funcionando en régimen permanente, y al inicio del proceso pero desde una vista superior.

De las fotografías anteriores se puede decir que el impulsor genera una diferencia de presión aceptable pues el flujo másico de aire es abundante, además a simple vista se observa que el aireador también produce un buen proceso de mezclado notándose esto con la distribución de las burbujas en la masa líquida del tanque de pruebas.

Fig. 4 Aireador en posición estática

Fig. 5 Aireador al inicio del proceso

Fig. 6 Aireador trabajando permanentemente

Fig. 7 Aireador al arranque (vista sup.)

Por otro lado, la determinación experimental del oxígeno disuelto en el agua se llevó a cabo con un analizador de oxígeno disuelto modelo YSI 58 que cuenta con un sistema de agitación integrado para evitar que las burbujas de oxígeno se adhieran a la membrana del medidor. Aún así, en la experimentación, el electrodo del medidor YSI 58 se introdujo en el fondo del tanque de pruebas para evitar que las burbujas de aire, que salían directamente del impulsor, se impactaran en él y proporcionaran una lectura incorrecta. Con el equipo y aparato de medición en condiciones de operar, se procedió a realizar la prueba. Las condiciones iniciales del sistema fueron: temperatura del agua 19.3o C, presión barométrica 585 mm de Hg y cantidad de oxígeno disuelto 2.76 mg/l. El equipo se dejó trabajar 14 minutos y se tomaron lecturas cada 2 minutos, los resultados aparecen en la Tabla 1, y los datos graficados en la Figura 8.

Tabla1 Resultados experimentales Tiempo (min) Medidor YSI 58 (mg/l) 0 3.24 2 8.09 4 8.22 6 8.25 8 8.24 10 8.26 12 8.25 14 8.26 YSI 58 YSI 58 9 Concentración (mg/l)

8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

Tiempo (min)

Fig. 8 Grafica de resultados Como puede observarse, el tiempo que el aireador tomó para saturar de oxígeno el volumen de agua manejado fue muy corto. Lo anterior lleva a la conclusión de que el equipo es eficiente en cuanto a la velocidad de transferencia de oxígeno al agua. Es importante señalar que aunque el medidor de oxígeno se introdujo en el fondo del taque de pruebas, donde aparentemente no hay interacción directa con la zona de burbujeo, los resultados fueron alentadores. Sin embargo, aún se requiere de mayor experimentación para probar el equipo en condiciones normales de operación tanto de agua residual como de contenido de microorganismos.

CONCLUSIONES Se ha diseñado, construido y evaluado un modelo de aireador de tipo sumergido que trabaja aprovechando el efecto del vórtice libre. El impulsor diseñado cumple con sus objetivos que son el generar una diferencia de presión suficiente para introducir el aire atmosférico al seno del líquido y el mezclar adecuadamente los fluidos en el tanque de pruebas. Con base en los resultados experimentales se determinó que la saturación de oxígeno, en el volumen de agua manejado, se llevó a cabo en un tiempo máximo de 2.5 minutos, por lo que se concluye que el equipo es eficiente en cuanto a la velocidad de transferencia de oxígeno. Aunque el aireador cumple con el objetivo para el cual fue creado, se requiere de más experimentación para lograr obtener las dimensiones y condiciones óptimas de su funcionamiento. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA Díaz, A., López, R., Morales, J., Lizardi, A., Lara, A. (1999). Flujo rotatorio en un sello hidráulico para bombas centrífugas. IV Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica, Noviembre, Santiago de Chile, Chile. Lizardi, A., Díaz, A., López, R., Morales, J. R., Lara, A. (2001). Diseño de un dispositivo para aireación de aguas residuales. 6o Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas, 27-30 de Noviembre, Ciudad de México, D.F., México. López, R., Díaz, A., Morales, J., Lizardi, A. (1999). Solución numérica de la ecuación de NavierStokes para flujo rotatorio en un medio finito. IV Congreso de Métodos Numéricos en Ingeniería, 7-10 de Junio, Sevilla, España. López, R., Morales, J., Díaz, A., Vaca, M., Lara, A., Lizardi, A. (2000). Modelado del flujo en una planta de tratamiento de agua. XII Congreso Nacional 2000 Ciencia y Conciencia FEMISCA-AIDIS, 21-24 de Marzo, Morelia, Michoacán, México. Ramalho, R. S., (1998). Tratamiento de Aguas Residuales. Edit. Reverté, S. A.