Diseño y evaluación de alternativas para la captura de ...

1

Diseño y evaluación de alternativas para la captura de materiales

orgánicos volátiles mediante un dispositivo “denuder” de carbón

activado

David Nicolás Becerra Ballén - Ana María Palomares Gutiérrez

Universidad de los Andes, Colombia.

Departamento de Ingeniería Química

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental

2

ÍNDICE GENERAL

1. RESUMEN ........................................................................................................................................................5

2. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................5

3. OBJETIVOS .....................................................................................................................................................6

3.1 OBJETIVO GENERAL ...........................................................................................................................6

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................................................................6

4. MONTAJE EXPERIMENTAL.......................................................................................................................6

4.1 Descripción de equipos utilizados en el montaje experimental ............................................................7

4.1.1 DEKATI DILUTER DI 1000 ...........................................................................................................7

4.1.2 DEKATI MASS MONITOR DM 230 .............................................................................................7

5. CARACTERIZACIÓN DEL CARBÓN ACTIVADO ..................................................................................8

6. DIMENSIONAMIENTO DEL DENUDER ................................................................................................ 10

6.1 Fenómenos de transporte dentro del denuder ..................................................................................... 10

6.2 Aerodinámica del fluido dentro del denuder ....................................................................................... 13

6.3 Otros parámetros trascendentales del denuder ................................................................................... 14

7. SIMULACIÓN CFD USANDO STAR CCM+ ........................................................................................... 15

7.1 Modelos físicos, condiciones de frontera y suposiciones .................................................................... 16

7.2 Especificaciones de simulación y condiciones de frontera ................................................................. 16

7.3 Construcción del Mallado y calidad de celdas .................................................................................... 16

7.4 Perfiles de Velocidad ............................................................................................................................. 18

8. DISEÑO Y DESARROLLO DEL DENUDER ........................................................................................... 19

8.1 Prototipo inicial del denuder ................................................................................................................. 19

8.2 Descripción del prototipo final del denuder ........................................................................................ 19

8.3 Alternativas de prototipos del denuder ................................................................................................ 20

8.4 Hoja de especificaciones final del denuder .......................................................................................... 21

8.5 Costeo del prototipo funcional.............................................................................................................. 22

8.6 Pruebas de evaluación del dispositivo .................................................................................................. 22

8.6.1 Descripción general de las fases. .................................................................................................. 22

8.6.2 Fase de montaje ............................................................................................................................. 23

8.6.3 Fase de evaluación y uso ............................................................................................................... 25

8.6.4 Fase de limpieza/recambio ............................................................................................................ 27

3

8.6.5 Fase de desmontaje ........................................................................................................................ 28

9. RESULTADOS EXPERIMENTALES Y ANÁLISIS ................................................................................ 28

9.1 Descripción general de los datos arrojados por el DMM 230 y algoritmo para analizar los datos 28

9.2 Descripción de jornadas ........................................................................................................................ 31

9.3 Resultados generales y gráficas asociadas a las jornadas de experimentación ................................ 33

9.3.1 Jornada de caracterización del denuder: Rectificación para la teoría de la deposición .......... 34

9.3.2 Jornadas de experimentación a diferentes temperaturas del doble diluidor. .......................... 36

9.4 Análisis Estadístico ................................................................................................................................ 43

10. RECOMENDACIONES Y CONSIDERACIONES FUTURAS ........................................................... 46

11. CONCLUSIONES ..................................................................................................................................... 47

12. REFERENCIAS ........................................................................................................................................ 48

13. ANEXOS .................................................................................................................................................... 51

4

INDICE DE TABLAS, FIGURAS Y GRAFICAS

Tabla 1. Especificaciones generales del Dekati Diluter DI 1000 [7]. ........................................................................7

Tabla 2. Especificaciones generales del DMM230 [8]. ..............................................................................................8

Tabla 3. Especificaciones CAG La Leñaría [12] ........................................................................................................9

Tabla 4. Contribuciones de volúmenes moleculares por compuestos. [15]..............................................................11

Tabla 5.Contribuciones de volúmenes moleculares por átomos. [15] ......................................................................11

Tabla 6. Resultados finales de difusividad de COV en aire. ....................................................................................12

Tabla 7. Parámetros de cálculo de Diámetro externo, Masa requerida y tiempo de regeneración [12] [8] [16] ......14

Tabla 11. Costos de construcción del equipo ...........................................................................................................22

Tabla 12. Nomenclatura de piezas para el prototipo denuder. .................................................................................24

Tabla 13. Diámetro de corte aerodinámico y presión de cada etapa de impactación. [8] ........................................29

Tabla 14. Resultados Jornadas de caracterización con sus desviaciones absolutas respecto a la media ..................35

Tabla 15. Resultados del porcentaje de remoción de número de partículas en cada etapa de impactación y

porcentaje de pérdida de concentración másica Jornada 2A. ...................................................................................38

Tabla 16. Resultados del porcentaje de remoción de número de partículas en cada etapa de impactación y

porcentaje de pérdida de concentración másica Jornada 2B. ...................................................................................39

Tabla 17. Resultados de porcentaje en pérdidas de concentración másica promedio por el uso del denuder de cada

Jornada con su respectiva temperatura .....................................................................................................................40

Figura 1. Montaje experimental..................................................................................................................................7

Figura 2. Calidad de celda de simulación 75cm. ......................................................................................................17

Figura 3. Perfil de velocidad. a) Longitud de tubo: 75 centímetros. b) Longitud de tubo: 80 centímetros. c)

Longitud de tubo: 100 centímetros. ..........................................................................................................................18

Figura 4. Prototipo inicial del denuder. ....................................................................................................................19

Figura 5. Vista lateral del Denuder. ..........................................................................................................................20

Figura 6. Vista axial del Denuder. ............................................................................................................................20

Figura 7. Dispositivo Denuder construido. ...............................................................................................................21

Figura 8. Hoja de especificaciones denuder. ............................................................................................................21

Figura 9. Sistema experimental completo. ...............................................................................................................23

Figura 10. Diluidor en serie (izquierda), y Dekati Mass Monitor (derecha). ...........................................................26

Figura 11. Montaje total de experimentación. ..........................................................................................................27

Figura 12 .Resultados de la prueba estadística t-pareada Jornada 2B. .....................................................................45

Gráfica 1.Eficiencia denuder con respecto a la longitud a diferentes temperaturas .................................................12

Gráfica 2. Número de Reynolds contra radio interno con 7 lpm. .............................................................................13

Gráfica 3.Ejemplo gráfico de las distribuciones en número de partículas para cada impactador. ...........................31

Gráfica 4.Función de penetración de las partículas vs parámetro de deposición a diferentes temperaturas. ...........34

Gráfica 5. Distribución discretizada de monitoreo ambiental Jornada 1B. ..............................................................36

Gráfica 6. Distribución discretizada de todos los impactadores Jornada 2A. ...........................................................37

Gráfica 7. Distribución discretizada de la Jornada 2B .............................................................................................39

Gráfica 8. Concentración total másica Jornada 2B. ..................................................................................................44

5

1. RESUMEN Este documento presenta el diseño de un prototipo funcional para la remoción de compuestos orgánicos volátiles

(COV, por sus siglas en español), en pruebas del Dekati Mass Monitor (DMM). Para el diseño preliminar y la

construcción de alternativas, se establece un dimensionamiento detallado según los fenómenos de transporte dentro

del equipó, la aerodinámica del fluido y simulaciones CFD (Computational Fluid Dynamics). Ya con esto, se

selecciona la alternativa apropiada para mejorar el proceso de monitoreo y se establece un marco de referencia para

la evaluación de la funcionalidad del dispositivo.

El documento se estructura de la siguiente manera. Primero, se contextualiza la posición que toma el equipo dentro

del proceso de monitoreo según las medidas de calidad del aire, luego, describe los parámetros de entrada y salida

del equipo y las características del sustrato de adsorción. Segundo, se explica detalladamente el dimensionamiento

del prototipo. Tercero, se desarrollan y explican las simulaciones CFD (Computational Fluid Dynamics), las cuales

tienen la finalidad de modelar los perfiles de velocidad y presión antes de la construcción del dispositivo. Cuarto,

se describen los costos de construcción, se muestra la hoja de especificaciones del dispositivo y el protocolo de

manejo e instalación. Finalmente, se analizan los resultados de las diferentes jornadas experimentales según la teoría

de deposición por difusión de las partículas, el porcentaje de remoción en número de los compuestos orgánicos

volátiles y un análisis estadístico detallado.

2. INTRODUCCIÓN

Desde la revolución industrial, en la segunda mitad del siglo XVII, la contaminación del aire empezó a ser una

amenaza importante, pues, la tecnificación en el desarrollo de actividades antropogénicas ha incrementado las tasas

de emisión de contaminantes hacia la atmosfera. Según evaluaciones realizadas por la Organización Mundial de la

Salud (OMS), en el 2014, alrededor de 3 millones de las muertes prematuras están relacionadas con la alta

exposición a contaminantes en espacios urbanos e interiores [1] [2]. Por lo tanto, la importancia de mediar los

efectos de la contaminación del aire es un factor de gran impacto e interés sobre la salud humana y el estado

ambiental.

La Agencia de protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA, por sus siglas en inglés) y la OMS describen en

sus reportes que la contaminación del aire está asociada principalmente a siguientes elementos: material particulado

(MP), ozono, dióxido de nitrógeno, monóxido de carbono, dióxido de azufre y compuestos orgánicos volátiles

(COV) Estos últimos, son aquellos en los cuales nos enfocaremos en el presente trabajo [2] [3].

Dentro de este marco, una parte fundamental para entender la contaminación del aire es su medición. Actualmente,

se está realizando el monitoreo de una emisión contaminada con COV, según reportes experimentales, se ha

encontrado una excesiva cantidad de material particulado, dando órdenes de 9000 material particulado [ug/m3], lo

cual podría indicar que parte de los compuestos orgánicos volátiles, producto de la combustión gasolina-aceite,

están recondensándose y generando altas de tasas de emisión de material particulado [4].

Dada la necesidad de remover los compuestos que se volatilizan y evitar que se recondensen sobre las partículas de

la corriente gaseosa, el proyecto descrito a continuación propone el diseño de un dispositivo que utiliza el fenómeno

de adsorción para capturar compuestos orgánicos volátiles de muestras de aire obtenidas de un motor de dos tiempos

simple. Es importante mencionar que, este prototipo es comúnmente nombrado en la literatura como “denuder” [5]

[6], y va a ir acoplado a dos equipos. El primero, llamado Dekati Diluter DI-1000 [7], el cual consiste en un sistema

de dilución que aumenta la temperatura de la muestra de aire para inducir a una mezcla de todos sus componentes.

6

Y el segundo equipo, llamado Dekati Mass Monitor DM 230, el cual mide eléctricamente la emisión de partículas

mediante la impactación en compartimientos cerrados. [8]

3. OBJETIVOS

Con el fin de establecer las metas del proyecto, se enuncia el objetivo general y se definen cada uno de los objetivos

específicos.

3.1 OBJETIVO GENERAL

Diseñar un dispositivo que permita la remoción de compuestos orgánicos volátiles (COV) en muestras de aire

usando el fenómeno de adsorción.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Definir las bases de diseño del dispositivo de captura. Identificando la operación, el dimensionamiento, diseño

general, y un costeo del dispositivo.

• Determinar los parámetros de desempeño deseados con el fin de establecer un modelo para la evaluación del

dispositivo.

• Proponer, analizar y evaluar alternativas de diseño, seleccionando la más apropiada de acuerdo con las

necesidades del problema.

• Construir un prototipo funcional que remueva un porcentaje de los compuestos que se volatilizan para

determinar la fracción volátil de las emisiones.

4. MONTAJE EXPERIMENTAL

Bajo la finalidad de realizar una medición directa de la tasa de emisión de una fuente móvil se tiene un montaje

experimental conformado por varios equipos. Esto está montado en el laboratorio de Emisiones móviles de la

Universidad de los Andes. Para ello se tiene dispuestos equipos de acondicionamiento de la corriente gaseosa, como

el Dekati Diluter DI-1000; y equipos de medición como el Dekati Mass Monitor DMM-230. Estos dos permiten un

monitoreo continuo de las tasas de emisión de una motocicleta de dos tiempos.

En términos de montaje, el dispositivo “denuder”, va a estar acoplado al ensamble experimental ya existente entre

los dos equipos mencionados. Por delante, el Dekati Mass Monitor DMM-230 y por detrás, el Dekati Diluter DI-

1000. A continuación, una figura que ilustra la configuración del sistema general.

7

Figura 1. Montaje experimental.

4.1 Descripción de equipos utilizados en el montaje experimental

4.1.1 DEKATI DILUTER DI 1000

El Dekati Diluter DI-1000 es un equipo que sirve para diluir muestras en aerosol y gaseosas de cualquier fuente.

Tiene un rango entre 0 − 450°𝐶 de operación [7]. El diseño es en acero inoxidable y es muy usado en la dilución

de aerosoles de combustión. El factor de dilución nominal para este equipo es de 1:8 pero el instrumento también

puede estar provisto de diferentes factores de dilución. Es decir, reduce aproximadamente 8 veces la concentración

inicial de la corriente gaseosa. El propósito de emplear este dispositivo es no saturar los impactadores de partículas

dado que se pueden tapar y afectar la operación del circuito. Actualmente, en el laboratorio de emisiones de la

Universidad de los Andes se tienen dos Dekati Diluter DI-1000 conectados en serie, por lo que el factor de dilución

resultante es de 1:64 [7].

Tabla 1. Especificaciones generales del Dekati Diluter DI 1000 [7].

Parámetro Valor

Flujo volumétrico de entrada 7 𝑙𝑝𝑚

Flujo volumétrico de salida 𝐻𝑎𝑠𝑡𝑎 60 𝑙𝑝𝑚

Factor de dilución 1:8 usualmente hasta 1:50

Presión del aire en dilución 2 bar

Rango de temperatura 0 − 450°𝐶

Longitud total por diluidor 360 𝑚𝑚

Diámetro de salida y entrada del equipo 12 𝑚𝑚 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎 𝑚𝑎𝑐ℎ𝑜

Diámetro del inyector del aire 8 𝑚𝑚 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎 ℎ𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎

Material AISI 316

4.1.2 DEKATI MASS MONITOR DM 230

El Dekati Mass Monitor DMM-230 es un equipo en tiempo real que mide la emisión de partículas en un rango de

0 − 1.5 𝜇𝑚 [8]. El funcionamiento de este equipo se basa en la carga de partículas, la densidad medida, la

distribución de partículas según su tamaño por impactación inercial y la detección eléctrica por partículas cargadas.

El equipo cuenta con 6 etapas de impactación inercial y electrómetros para la detección eléctrica de las partículas

8

depositadas en cada etapa. Es así, como el detector eléctrico puede cuantificar el número de partículas por

compartimiento y genera la distribución másica del flujo de entrada. [8]

A continuación, se muestran las especificaciones generales del equipo Dekati Mass Monitor 230 [8].

Tabla 2. Especificaciones generales del DMM230 [8].

Parámetro Valor

Rango de tamaño de partícula medido 0 − 1.5 𝜇𝑚

Número de etapas 6 compartimentos de impactación + un canal de

movilidad

Flujo volumétrico 10 𝑙𝑝𝑚

Rango de temperatura 15 − 30°𝐶

Humedad de operación 0 -70% Humedad Relativa, sin condensación

Presión mínima en una etapa 100mbar presión absoluta

Concentración Desde a 1 a 1000 𝜇𝑔

𝑚3, momentáneamente 5000 𝜇𝑔

𝑚3

Entrada Rosca G 3/8’’, conector tubería macho 12 mm

Salida Rosca G 3/8’’, conector NW- 16

5. CARACTERIZACIÓN DEL CARBÓN ACTIVADO El carbón activado es prácticamente carbón puro con enorme porosidad [9]. Actualmente, existen diferentes tipos

de carbón activado: Carbón activado en polvo, troceado o granular, conformado, telas de carbón, fibras de carbón,

monolitos hechos íntegramente de carbón, monolitos cubiertos de una capa de carbón y membranas de carbón sobre

tubos [10]. Partiendo de esta descripción, la escogencia del tipo de carbón activado es el punto más importante del

prototipo funcional. La función principal del dispositivo es remover COV, es decir, remover gases y su mecanismo

principal de remoción es la adsorción.

La adsorción es un proceso donde un sólido se utiliza para eliminar una sustancia que queda adherida mediante

fuerzas físicas intermoleculares a la superficie del sólido [9]. El carbón activado es uno de los materiales adsorbentes

más usado en tratamientos de agua y tratamiento de gases [11]. Esto se debe a que la activación del carbón genera

una gran superficie porosa que aumenta el contacto entre el material adsorbente y el material adsorbido [9]. El uso

de carbón activado en el tratamiento de gases con contaminantes se ha incrementado en la última década ya que

este material posee gran afinidad por los compuestos no polares, es decir, por material orgánico (COV) lo que lo

hace sobresalir de diferentes materiales adsorbentes como la zeolita y los polímeros [9]. Adicionalmente, es de los

materiales más baratos usados en procesos de adsorción. Típicamente, el control de emisiones de COV con carbón

activado reduce las concentraciones desde un rango entre 400 y 2000 ppm hasta menos de 50 ppm [9].

9

Sin embargo, se debe tener en cuenta la estructura del denuder. Como se describió en la sección de descripción del

denuder, el dispositivo tiene un tubo de malla de alambre galvanizado, el cual posee aberturas de mínimo 1.0 𝑚𝑚

y que va a retener el carbón activado en un recubrimiento cilíndrico. Con esa restricción, se deben descartar el

carbón activado en polvo. De igual forma, las fibras de carbón (hilos de carbón), telas de carbón, monolitos cubiertos

de capas de carbono y hechos integralmente de carbono no se escogen debido a que su estructura no garantiza el

mejor contacto entre el flujo y el carbón [9]. Finalmente, se tienen 3 opciones: el carbón activado conformado

(tubular), granular y membrada de carbón sobre tubos. El carbón activado conformado o tubular, son pequeños

cilindros de carbón huecos que tienen mayor área superficial que los otros dos [10]. Sin embargo, este tipo de carbón

es más eficiente en lechos [11]. En este caso, un lecho no es una opción debido a que se quieren remover solo COV

(gases) más no todo el material orgánico particulado. Por otro lado, las membranas son muy difíciles de sintetizar

y no se encuentran fácilmente en el mercado [9]. Por todas estas razones, la opción más viable y eficiente para el

recubrimiento de carbón sería el carbón activado granular.

El carbón activado granular posee un tamaño de partícula relativamente más grande que el polvo, por lo tanto,

presenta una superficie externa más pequeña. Para estos carbones la difusión del adsorbido es el factor más

importante. Es por ello que, el carbón activado granulado es altamente usado para tratamiento de aguas,

desodorización y separación de componentes de sistemas de flujo.

Por lo tanto, para este proyecto se elige este tipo de carbón activado dado a su tamaño y sus propiedades de adsorción

de gases y vapores, además de su alta tasa de difusión, pues es más rápida comparada con otros tipos de carbón.

En la siguiente tabla, se resume las características del carbón activado usado según su ficha técnica [12].

Tabla 3. Especificaciones CAG La Leñaría [12]

Parámetros Valores

Materia prima Lignito (Mineral)

Tamaño de partícula 1 − 2.5 𝑚𝑚

Método de activación Vapor a alta temperatura

Densidad aparente 0.45 − 0.52𝑔

𝑐𝑚3

Volumen de poro 0.35 − 0.36

𝑐𝑚3

𝑔

pH en agua 8.0 − 8.5

Humedad al empaque 3.5%

Finalmente, se hizo un análisis granulométrico para determinar el diámetro promedio de partícula. El resultado fue

que el 99,48% de las partículas del carbón activado se retuvieron en el tamiz 12 con diámetro de abertura de 1,7

mm. Después de los cálculos (Anexo 1) se determinó que el diámetro promedio es de 2.5 mm. Esta herramienta es

muy importante para la implementación del denuder ya que se puede hacer una separación de partículas por

tamizadora y así seleccionar la masa de carbón dentro del dispositivo.

10

6. DIMENSIONAMIENTO DEL DENUDER Uno de los objetivos principales para el desarrollo del denuder es establecer su dimensionamiento. Para ello, se

parte por estudiar las bases teóricas sobre los fenómenos de transporte asociados a su funcionamiento. Entre ellos,

la transferencia de masa y energía, las cuales están, gobernadas principalmente por la difusividad y la convección,

respectivamente.

Dentro del dimensionamiento se plantea la ecuación diferencial que representa los mecanismos de transferencia de

masa y calor al interior del dispositivo. La solución analítica de Gormley y Kennedy, específica para geometrías

cilíndricas, permite hallar el rango de longitud óptima del dispositivo.

Por otra parte, se describirá la aerodinámica del fluido dentro del equipo y su efecto según el tamaño del diámetro

interno. De igual forma, se calculará la caída de presión en función a la longitud del equipo, y otros parámetros

como la determinación del diámetro externo, la masa de carbón activado y el tiempo de regeneración o recambio

de dicho sustrato.

6.1 Fenómenos de transporte dentro del denuder En un denuder existen dos mecanismos de transporte que gobiernan la transferencia de calor y de masa. La

difusividad es el mecanismo de transferencia de masa que gobierna el proceso de eliminación de los compuestos

volátiles orgánicos (COV) y la cual se presenta en una dirección radial dado que la estructura del sistema es

cilíndrica. En cuanto, a la transferencia de calor, la convección es el transporte más representativo. Esta se dará en

dirección longitudinal. Por lo anterior, la ecuación general que representaría los dos mecanismos sería:

𝐷𝐶𝐴

𝐷𝑡= 𝐷𝐴𝐵∇2𝐶𝐴 + 𝑅𝐴 (𝑬. 𝟏) [13]

Donde 𝐷𝐶𝐴

𝐷𝑡 es correspondiente cambio diferencial de la concentración respecto al tiempo, 𝐷𝐴𝐵∇2𝐶𝐴 es el término

correspondiente al mecanismo de transferencia de masa por difusión y 𝑅𝐴 está asociado a reacciones químicas.

Se realizan las siguientes suposiciones para el análisis sobre el sistema del denuder [14]:

• Coordenadas cilíndricas ( 𝑟, 𝑧, 𝜃)

• Se cumple estado estacionario (𝑑𝐶𝐴

𝑑𝑡= 0)

• La dirección que corresponde al proceso convectivo es la longitudinal 𝑧.

• La transferencia de masa solo aplica en dirección radial 𝑟.

• No existen reacciones químicas en el sistema

• La viscosidad del fluido se toma constante al igual que la velocidad lineal

En el Anexo 2 se encuentra el planteamiento detallado de la ecuación diferencial. Finalmente, la solución analítica

de la concentración se vería de la siguiente manera.

𝐶𝐴 = 𝐶𝑒−

𝑘2

𝑉𝑧𝑧

∗ (𝐴 ∗ √2

𝜋𝑟𝑆𝑒𝑛 (𝑟 −

𝜋

4) ∗

𝑘

√𝐷𝐴𝐵+ 𝐵 ∗ √

2

𝜋𝑟𝐶𝑜𝑠 (𝑟 −

𝜋

4) ∗

𝑘

√𝐷𝐴𝐵 ) (𝑬. 𝟐)

La anterior solución sugiere que la concentración dentro del denuder dependerá de la difusividad, el radio interno

y las constantes que están sujetas a las condiciones de frontera e iniciales. Es por ello, que se decidió utilizar la

solución de Gormley-Kennedy, solución específica para denuders que parte de la misma ecuación diferencial de

fenómenos de transporte (E.1).

11

La solución de Gormley-Kennedy expresa el comportamiento de la concentración en términos geométricos de la

siguiente manera [14].

𝐶𝐴𝑣

𝐶𝑜= 0.8191𝑒−7.314𝑧∗

+ 0.0975𝑒−44.61𝑧∗+ 0.0325𝑒−113.9𝑧∗

(𝑬. 𝟑) [14]

Donde 𝐶𝐴𝑉 es la concentración de COV en la salida del denuder, 𝐶𝑜 es la concentración de COV a la entrada.

𝑧∗ =𝜋

2

𝐷𝐴𝐵𝐿

𝑉(𝑬. 𝟒) [14]

Donde 𝐷𝐴𝐵, es la difusividad del gas en cuestión en el aire, 𝑉, corresponde al flujo volumétrico de la corriente

gaseosa y 𝐿, longitud del tubo. Sin embargo, la difusividad no es constante, depende de la temperatura y de la

presión. Por ende, se debe establecer un método de cálculo para dicho parámetro.

Existen diversos métodos de estimación de la difusividad binaria para mezcla de gases. Sin embargo, la corriente

gaseosa tiene diversos compuestos, es decir, no es una difusividad binaria. Para ello se determinó que el mejor

método para expresar los COV como un solo compuesto teórico es el método de Fuller. Este método depende de la

temperatura, la presión, la media armónica del peso molecular y la sumatoria de los volúmenes molares de los

compuestos. Exige que la mezcla esté a baja presión, es decir, menor a 10 atm [15]. La ventaja de este método es

que los volúmenes moleculares se pueden calcular dependiendo de la participación de los átomos que contenga el

compuesto.

𝐷𝐴𝐵 =(0.00143𝑇1.75)

𝑃𝑀𝐴𝐵0.5[(∑ 𝑣𝐴)

13+(∑ 𝑣𝐵)

13]

2 (𝑬. 𝟓) [15]

Donde 𝑇 es la temperatura en Kelvin, 𝑃 la presión del sistema en bares, MAB es la media armónica de pesos

moleculares [𝑔

𝑚𝑜𝑙], 𝑣𝑖 son los volúmenes moleculares de difusión [

cm3

mol] y, por último DAB es la difusividad en [

cm2

s].

A continuación, se presentan dos tablas donde se registra la contribución de los volúmenes moleculares por

compuesto y por átomo.

Tabla 4. Contribuciones de volúmenes moleculares por compuestos. [15]

Molécula Σv Molécula Σv Molécula Σv Molécula Σv

H2 6.12 He 2.67 CO 18.0 Cl2 38.4

D2 (Deuterio) 6.84 Ne 5.98 CO2 26.9 Br2 69.0

N2 18.5 Ar 16.2 N2O 35.9 SO2 41.8

O2 16.3 Kr 24.5 NH3 20.7 SF6 71.3

Aire 19.7 Xe 32.7 H2O 13.1 CCl2F2 114.8

Tabla 5.Contribuciones de volúmenes moleculares por átomos. [15]

Átomo v Átomo v Átomo v Átomo v

C 15.9 H 2.31 O 6.11 N 4.54

F 14.7 Cl 21.0 Br 21.9 I 29.8

S 22.9 Cierre de anillo -18.3

El motor que se utilizará es un motor de dos tiempos, por lo que se procedió a buscar cuales eran las composiciones

más comunes de COV en ese tipo de motores. Basándose en una estimación de la composición de emisiones

12

comunes de COV en motores de combustión interna de 2 tiempos sin catálisis [16], se establece que los

componentes de mayor proporción son: Metano 7%, Tolueno 12.1%, Xileno 11%, Eteno 5%, Benceno 5%, C9

Aromáticos 8.3% y Otros COV 30.6% (Anexo 3).

Para el cálculo de la difusividad se tomó un rango de 30 − 300°𝐶 para así evaluar todo el rango disponible de

temperatura dependiendo del material externo del dispositivo. En el Anexo 4 se pueden observar los resultados de

difusividad a una temperatura de 300°𝐶 para ilustrar los cálculos realizados. A continuación, el rango de

difusividades dependiendo de la temperatura.

Tabla 6. Resultados finales de difusividad de COV en aire.

Temperatura [°C] Difusividad [𝑐𝑚2

𝑠]

30 0.071

40 0.076

50 0.08

60 0.084

70 0.089

100 0.103

200 0.156

300 0.218

A partir de los cálculos anteriores y de la solución analítica de Gormley y Kennedy [14] se procedió a graficar la

eficiencia respecto a la longitud del tubo a diferentes temperaturas.

Gráfica 1.Eficiencia denuder con respecto a la longitud a diferentes temperaturas

13

Con los resultados evidenciados en la Gráfica 1, se optó por tener un rango de longitud óptimo. Este rango está

entre 𝟕𝟓 𝒄𝒎 − 𝟏𝟏𝟓𝒄𝒎. Lo anterior se debe a que es ese rango se obtienen eficiencias entre el 55% a 90% según

la temperatura de operación. Cabe destacar, se descartó tener una longitud más grande de 150 metros debido a la

manipulación del equipo y la cantidad de carbón activado que este requeriría para ser recubierto totalmente.

6.2 Aerodinámica del fluido dentro del denuder

Para el proceso de adsorción es importante mencionar que el flujo debe ser laminar. Lo anterior, se debe a que en

un flujo turbulento las partículas serán impactadas en las paredes internas del tubo y no garantizaría un proceso de

adsorción eficiente. Es por ello que las dimensiones del denuder deben cumplir que 𝑅𝑒 < 2300. Sin embargo, para

que no se genere un flujo en transición, se sugiere que 𝑅𝑒 < 2000 [14]. A continuación, las ecuaciones de la

dinámica del flujo.

𝑅𝑒 =𝑉𝐷𝑖𝜌

𝜇(𝑬. 𝟔) [13] 𝑉 =

𝑄

𝜋(𝐷𝑖2

)2 (𝑬. 𝟕) [14].

Donde 𝑉 es la velocidad del flujo [𝑚

𝑠], 𝐷𝑖 es el diámetro interno de denuder [𝑚], 𝜌 es la densidad del flujo [

𝑘𝑔

𝑚3] y es

la 𝜇 viscosidad dinámica del flujo [𝑘𝑔

𝑚𝑠] y 𝑄 es el caudal [

𝑚3

𝑠]. Los diámetros nominales están dados en pulgadas (“)

en el siguiente orden: 3

8,

1

2,

3

4, 1,11

2

, 2,3,4 [17]. Con este rango de diámetros se evaluó el número de Reynolds a

diferentes temperaturas con un caudal de 7𝐿

𝑚𝑖𝑛. Cabe destacar que se hicieron los cálculos con 11 lpm (flujo máximo

que ha registrado el Dekati Mass Monitor del laboratorio). En este caso el número de Reynolds máximo hallado es

de 1523.82 (Anexo 5).

Gráfica 2. Número de Reynolds contra radio interno con 7 lpm.

14

Como se puede observar, los diámetros internos cumplen la restricción de la dinámica del flujo siendo menor que

2000 en el número del Reynolds. A partir de estos, resultados se procederá a escoger diámetros internos entre

𝟏𝒄𝒎 − 𝟔 𝒄𝒎. El diámetro escogido también dependerá de la facilidad de malear la malla de alambre galvanizada,

ya que esta no se puede soldar.

A partir de la escogencia del rango de diámetros se establecieron las caídas de presión dentro del denuder. Cuando

se tiene un régimen totalmente desarrollado, la velocidad máxima que puede alcanzar el flujo se puede expresar

como [18]:

𝑉𝑚á𝑥 = −𝑅2

4𝜇(

𝑑𝑝

𝑑𝑥) = 2�̅�(𝑬. 𝟖) [18]

Dónde �̅� es la velocidad promedio del flujo [𝑚

𝑠], 𝑅 es el radio interno del denuder [m],

𝜇 = es la viscosidad dinámica del flujo [𝑘𝑔

𝑚𝑠], (

𝑑𝑝

𝑑𝑥) es el gradiente de presión en [

𝑃𝑎

𝑚], que al discretizarlo queda de

la forma ∆𝑃

∆𝑥 , donde el numerador es la caída de presión y el denominador es la longitud del tubo en metros.

Despejando la caída de presión, se obtiene la siguiente ecuación:

∆𝑃 =8𝑉∆𝑥𝜇

−𝑅2(𝑬. 𝟗)

En el Anexo 5 se encuentra la gráfica de la caída de presión con 7 lpm y con 11 lpm (flujo máximo que ha registrado

el Dekati Mass Monitor del laboratorio). Como se puede observar para el caso de 7 lpm, la caída de presión tiene

una magnitud entre 0,032 𝑃𝑎 − 0,066 𝑃𝑎 lo que indicaría que con una pequeña caída de presión el fluido se puede

mover fácilmente. Cabe destacar que al trabajar con un dispositivo que contienen gases, el dispositivo debe ser

hermético por lo cual la presión debe ser menor a la atmosférica

6.3 Otros parámetros trascendentales del denuder

Para la determinación del diámetro externo del denuder, tiempo de regeneración y la masa de carbón necesario se

necesitan algunos parámetros como el diámetro promedio del carbón (Granulometría), densidad aparente (Ficha

técnica), difusividad de los COV (promedio de cálculo de difusividades entre 30°C-200°C), concentración másica

de COV (resultados DM 230) y capacidad máxima de adsorción [16]. La concentración másica se asumió como el

promedio de los resultados de concentración másica del equipo DM 230. Dado que se supuso que parte de las

partículas son aquellas que se condensan de nuevo dentro del equipo que en realidad son material orgánico volátil.

Tabla 7. Parámetros de cálculo de Diámetro externo, Masa requerida y tiempo de regeneración [12] [8] [16]

Parámetros de cálculo

Diámetro promedio carbón 0.25 cm

Densidad aparente carbón 0.49 g

cm3

Volumen Carbón 0.008 cm3

Difusividad VOC 0.094 cm2

s

Flujo Volumétrico total 0.007 m3

min

15

Concentración másica del VOC 0.003 kg

cm3

Flujo másico VOC* 1.8 ∗ 10−5 kg

min

Max Cap. de adsorción 22.59 mg

g de Carbón

Flujo másico VOC* 0.018 g

min

Para la determinación del diámetro externo se proporcionó el diámetro interno (dos veces el diámetro interno y dos

veces y medio). Esto con el fin de tener un parámetro para comparar la masa de carbón requerida para el

recubrimiento y el tiempo de regeneración de este. Siendo así se tiene un diámetro interno de 2", es decir, 5.08 𝑐𝑚.

Por lo anterior los dos diámetros externos a evaluar vendrían siendo 10.10 𝑐𝑚 𝑦 12.6 𝑐𝑚. Por otro lado, se

determinó la masa de carbón requerida con la siguiente ecuación:

𝑀𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛[𝑔] = 𝜌𝑎 ∗ 𝑉𝑡𝑢𝑏𝑜(𝑬. 𝟏𝟎) 𝑉𝑡𝑢𝑏𝑜[𝑐𝑚3] = 𝜋𝐿(𝑅𝑒2 − 𝑅𝑖

2)(𝑬. 𝟏𝟏)

Donde 𝜌𝑎 es la densidad aparente del carbón en [𝑔

𝑐𝑚3], 𝑅𝑒 es el radio externo del denuder, 𝑅𝑖 es el radio interno

del denuder y 𝐿 es la longitud del tubo. Todos los parámetros deben ir en centímetros. La masa requerida para un

diámetro externo de 12.6 𝑐𝑚 sería de 3.8 − 6 𝑘𝑔. Por otro lado, el diámetro externo de 10.16 𝑐𝑚 sería de 2.2 −

3.5 𝑘𝑔. En el Anexo 6 se pueden extender los resultados a diferentes rangos de longitud (75 − 115 𝑐𝑚).

Por último, el tiempo de regeneración determinará el tiempo aproximado en que es necesario cambiar todo el carbón

activado. Para hallar el tiempo de regeneración se tiene que tener en cuenta los siguientes parámetros el flujo másico

de los COV en [𝑔 𝐶𝑂𝑉

𝑚𝑖𝑛], la masa de carbón activado empleado en [𝑔 𝐶𝑎𝑟𝑏ó𝑛] y la capacidad de adsorción del carbón

con los COV en [𝑔 𝐶𝑂𝑉

𝑔 𝐶].

𝑇[𝑚𝑖𝑛] =(𝐶𝐴𝐷 ∗ 𝑀𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛)

𝐹𝐶𝑂𝑉(𝑬. 𝟏𝟑)

Aplicando la ecuación anterior a las dos opciones de diámetro externo se obtiene: el tiempo de regeneración para

un diámetro externo de 10.16 𝑐𝑚 sería de 2 𝑎 3 𝑑í𝑎𝑠. Por otro lado, el diámetro externo de 12.6 𝑐𝑚 sería de 3.4 −

5.2 𝑑í𝑎𝑠. En el Anexo 6 se pueden extender los resultados a diferentes rangos de longitud (75 − 115 𝑐𝑚)

7. SIMULACIÓN CFD USANDO STAR CCM+

Con el fin de representar la aerodinámica a lo largo del dispositivo, se realizaron varias simulaciones CFD previas

a la construcción, gracias al software Star CCM+. En cada una de ellas, se usaron los valores definidos en la sección

de dimensionamiento, los modelos físicos, las condiciones de frontera y valores de inicialización.

Durante el uso del software se elaboró el modelaje CAD del dispositivo, se definieron las regiones y se fabricó un

mallado óptimo. Todo lo anterior con el fin de simular el gas y dar solución a las ecuaciones que están involucradas.

A continuación, una breve descripción de los modelos físicos usados, una explicación detallada de la construcción

del mallado y finalmente un análisis de los resultados obtenidos para las tres alternativas

16

7.1 Modelos físicos, condiciones de frontera y suposiciones

Dentro del marco de las simulaciones, es necesario establecer los modelos físicos para usar el software como

herramienta y poder representar el fluido dentro de la geometría establecida. Se lista a continuación cada uno de los

modelos usados en las simulaciones con una breve explicación de su función.

• Tres dimensiones (Three Dimensional): Con este modelo se establece el espacio de simulación

tridimensional.

• Estado estable (Steady): A partir de este modelo, se establece que el sistema va a tener un comportamiento

estable o en estado estacionario, en donde, las variables de estado asociadas a los balances de materia

permanecen invariantes en el tiempo.

• Material: Se define el material que va a fluir en la geometría, que en este caso es un gas.

• Flujo segregado: este modelo define el patrón de flujo del gas y vincula las ecuaciones de momentum y

continuidad, con el fin de enfocar la solución hacia la conservación de la masa del fluido a lo largo del

dispositivo. [19]

• Ecuacion de estado: se selecciona la ecuacion de los gases ideales, ya que en las condiciones en que se

está simulando, las muestras de aire se comportan como un gas ideal. Esto permite el uso de fisica estadistica

para dar solución de las ecuaciones involucradas en el comportamiento del fluido. [20]

• Modelo isotermico de fluido segregado: Se establece dado a que las simulaciones no pretenden simular

las variaciones de la temperatura a lo largo de la geometria, ademas, el costo computacional incrementaria

significativamente. Por lo tanto, al seleccionar este modelo se establece un campo de temperatura constante.

7.2 Especificaciones de simulación y condiciones de frontera

Para que las simulaciones puedan ser comparadas es necesario definir las siguientes especificaciones. En primera

instancia, se va a manejar una caida de presión de 0.066 Pascales, es decir que para todos los casos, la presion inicial

va a ser de 75000 Pa, que es aproximadamente la presion atmosferica de Bogotá. De igual forma, la temperatura

constante establecida para el sistema va a ser de 300 K, dado a que el sistema se va a simular isotermicamente.

Ahora bien, respecto a las condiciones de frontera, se establecio que las paredes de la tuberia presentan una

condicion de no deslizamiento como esfuerzo cortante. Ya con respecto a la entrada del gas, se especifico para las

tres simulaciones, un flujo másico de 7 litros por minuto, es decir, 1.14E-4 kg/s. Y finalmente, la salida se estableció

con una presion de salida 74999.934 pascales, lo cual concuerda con la caida de presion maxima posible calculada

anteriormente.

7.3 Construcción del Mallado y calidad de celdas

El mallado es una de las partes fundamentales para realizar una simulacion robusta, por lo tanto, se va a explicar la

construcción del mallado y se ilustrara la calidad final de las celdas. En principio se especifican los modelos de

mallado: ‘Surface Remesher’, ‘Polyhedral Mesher’ que genera un volumen de malla compuesto inicialmente por

tetaedros que luego se convierten en celdas poliedricas según la geometria, y finalmente ‘Prism layer Mesher’, el

17

cual genera capas de celdas prismaticas largas junto a las fronteras de la superficie, estas celdas ayudan a capturar

la capa limite viscosa de manera mas precisa.

Ahora bien, respecto a los tamaños base de celdas se establecio un valor de 0.002m, el cual fue tenido en cuenta

dado el tamaño del dispositivo. También, se establecio los vertices y caras de curvatura en la superficie, el numero

de celdas prismaticas dentro de las frontera , su espesor total en 33.3% respecto a el balor base de celdas y finalmente

el espesor de estiramiento en 1.5.

A continuación, una tabla que muestra el numero de celdas por simulación, donde se observa que a mayor es la

longitud del tubo, mayor son las celdas construidas.

Tabla 8. Número de celdas por cada simulación

Longitud tubo (cm) Número de celdas

100 527531

80 447110

75 427491

Dentro de este marco, en la Figura 5 , se muestra la calidad de las celdas construidas al hacer el mallado en una de

las simulaciones.

Figura 2. Calidad de celda de simulación 75cm.

De esta figura, se puede observar que la mayoria de celdas de la geometria después de la entrada y antes de la salida

tienen más de 0.5 de calidad, exceptuado las de las tapas. Ya con respecto a las celdas de la entrada y salida, se

observa la formacion de las celdas prismaticas largas en las fronteras del modelo, las cuales tienen una calidad

superor a los 0.75. Y finalmente, existen pocas celdas con valores menores a 0.4 de calidad, correspondientes a las

fronteras de entrada, salida y tapas. Es importante destacar que, en el software Star CCM+ el factor “Cell Quality”

o calidad de celda en español, hace referencia a factores que afectan el mallado como: la densidad de malla, la

distribucion del mallado y las capas cercanas a la pared. A nivel mas local, factores como: la relacion de aspecto,

la relacion de volumen y el angulo de sesgo de cada celda corresponden elementos que determinan el valor de este

factor de calidad, su rango va desde 0 hasta 1, siendo 0 una calidad de celda muy mala y 1 una calidad de celda

perfecta.

18

7.4 Perfiles de Velocidad

Según lo definido anteriormente sobre las condiciones de flujo laminar, se simula para varias longitudes, 75, 80 y

100 centímetros, el flujo de aire a través del tubo interno con diámetro de 3.81cm. Esto con el fin de representar

computacionalmente los perfiles de velocidades, ver los puntos muertos a lo largo de la tubería y la velocidad

máxima que se alcanza. A continuación, se presenta una serie de figuras con los diferentes perfiles de velocidad. Se

destaca que, en las representaciones, la entrada del fluido es por la derecha y la salida es por la izquierda.

a.

b.

c.

Figura 3. Perfil de velocidad. a) Longitud de tubo: 75 centímetros. b) Longitud de tubo: 80 centímetros. c) Longitud de tubo: 100

centímetros.

Como se muestra en la figura 4 se observa que en todos los casos existe un perfil con un régimen laminar, donde el

movimiento del fluido es ordenado. También se ve que las tres longitudes presentan similitud en los valores de

velocidad media, con una magnitud de 0.155 m/s aproximadamente, y es obtenida cuando el perfil ya se ha

desarrollado, es decir a los 36 centímetros de recorrido para todas las simulaciones. Este valor de velocidad es

coincidente a los resultados obtenidos analíticamente.

Ahora bien, respecto a la velocidad máxima, se calcula con la ecuación 8 que va a ser el doble de la velocidad

media, es decir 0.31 m/s, lo cual concuerda con lo que muestran las figuras 6, 7 y 8.

La finalidad de simular las tres longitudes antes descritas es para comparar la formación de zonas muertas, por lo

tanto, usando la herramienta de medición del software se logró determinar que a medida que aumenta la longitud

del tubo, las zonas muertas son menores. Cabe destacar que la longitud de las zonas muertas es determinada por la

simulación CFD cuando la velocidad es aproximadamente nula en las paredes a la entrada del fluido al dispositivo.

A continuación, una tabla que resume lo obtenido.

Tabla 9. Comparación longitud simulada con área de zona muerta.

Longitud evaluada (cm) Largo de zona muerta (cm) Área zona muerta (cm2)

75 10.618 20.970

80 10.071 19.889

100 9.889 19.53

19

Finalmente, se puede concluir de este numeral que: 1. Se verifica por medio de las simulaciones CFD el régimen

laminar del fluido a lo largo del dispositivo. 2. Bajo el criterio de simulación y resolución las ecuaciones de

continuidad y de momentum en el mallado CFD, se evidencia que a medida que la longitud del tubo aumentaba la

longitud de las zonas muertas disminuía. En el Anexo 7 y 8 se puede evidenciar los perfiles de presión y gráfica de

residuales respectivamente.

8. DISEÑO Y DESARROLLO DEL DENUDER

En esta parte del documento se presenta el diseño, el prototipo inicial de dimensionamiento, las alternativas

propuestas y finalmente el prototipado final con su hoja de especificaciones, el costeo general y las pruebas de

evaluación y manejo.

8.1 Prototipo inicial del denuder

Se construyó un prototipo casero con alambre galvanizado mallado e icopor con el fin de dar una idea inicial del

dimensionamiento del prototipo. El cilindro de cartón tiene 34 cm. Con este prototipo se pudo observar que la malla

interna del denuder no podía ser soldada dado que los hilos eran muy delgados. Por lo anterior, se debió hacer el

tubo cilíndrico por medio de amarres de alambre dulce. Lo anterior, no garantizaría que el diámetro interno sería

exactamente 2”.

Figura 4. Prototipo inicial del denuder.

8.2 Descripción del prototipo final del denuder El dispositivo de adsorción a construirse tiene una geometría cilíndrica compuesta de dos partes. La primera

corresponde a una malla cilíndrica metálica en cuyo interior va a fluir el aire a evaluar. Este elemento se pensó con

el fin de generar una buena transferencia de masa y también para evitar el paso de carbón activado granular hacia

otros equipos. La segunda parte, corresponde a un tubo de diámetro mayor al primero, el cual va acoplado y deja

espacio libre para incorporar el material adsorbente. Ahora bien, la conexión con los equipos a la entrada y salida

de la corriente de aire, se usarán acoples industriales hembra y macho, respectivamente, con el fin de ajustar los

diámetros y evitar posibles fugas. Un aspecto importante de lo anterior es la instalación de una compuerta en el tubo

exterior, esto con el fin de hacer el recambio del material absorbente, pues a lo largo de la experimentación esté

20

llega a un punto de saturación. De igual forma, se destaca que la remoción de partículas sólidas por parte del

dispositivo debe ser muy baja, cercana a ser despreciable, pues el enfoque funcional del Denuder es remover

eficientemente el material volátil. Es por esta razón, que el diseño del dispositivo permite poner en contacto la

muestra con el material adsorbente y no bloquea el paso del aire, de tal forma que el único mecanismo de perdida

de partículas sea por difusión browniana.

Finalmente, se menciona que los materiales de cada uno de los elementos que conforma el dispositivo serán

evaluados y definidos a lo largo de la evaluación de los prototipos propuestos. Ya dentro de este marco, se propone

el siguiente dimensionamiento para el prototipo final, en las figuras a continuación se ilustran los parámetros

relevantes y las dos vistas del dispositivo.

Figura 5. Vista lateral del Denuder.

Figura 6. Vista axial del Denuder.

8.3 Alternativas de prototipos del denuder

A partir de los cálculos, se establecieron los rangos óptimos para el dimensionamiento. Adicionalmente, se tiene la

posibilidad de usar distintos materiales para la construcción del prototipo, la variación de cantidad de carbón según

el tiempo de regeneración y las temperaturas optimas de operación. A continuación, el resumen de dichos resultados.

Tabla 10. Rangos de operación y parámetros óptimos resumiendo todos los resultados de dimensionamiento

Variable Rango

Longitud total del denuder 75 − 115 𝑐𝑚

Diámetro interno del denuder (malla) 1 − 6 𝑐𝑚

Diámetro externo del denuder 10 − 13 𝑐𝑚

Masa de carbón requerida 2 − 6 𝑘𝑔

Tiempo de regeneración del carbón 2 − 6 𝑑í𝑎𝑠

Material tubo externo del denuder 𝑃𝑉𝐶, 𝐴𝑐𝑟í𝑙𝑖𝑐𝑜, 𝐴𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜

Temperatura de operación 30 − 150°𝐶

21

Teniendo en cuenta el diseño propuesto para el dispositivo, se construyó finalmente el prototipo con todas las

especificaciones y consideraciones descritas. A continuación, se presenta una ilustración que muestra el dispositivo

Denuder con todas sus partes y acoples.

Figura 7. Dispositivo Denuder construido.

8.4 Hoja de especificaciones final del denuder

Se presenta la hoja de especificaciones con los parámetros, medidas o material, las observaciones pertinentes.

Figura 8. Hoja de especificaciones denuder.

22

8.5 Costeo del prototipo funcional

Con el fin de resumir los costos asociados a la construcción del equipo, se organizó la siguiente tabla donde se

muestra la cantidad, la descripción de compra y el valor neto de los elementos. Al final de la tabla, se tiene el

subtotal, que al considerar el impuesto por valor agregado (IVA), que en Colombia es de 19%, se obtiene el total

neto.

Tabla 8. Costos de construcción del equipo

Costos de construcción

Cantidad Descripción Valor

1 Tubo de PVC negro para agua potable 4'' $ 35,000

2 Uniones de PVC para 4'' amarillas de 9.5cm $ 9,000

2 Acoples para tubo de 4'' a 2'' de 5cm $ 12,000

2 Piezas de acople macho de 2'' a 3/4'' $ 8,000

2 Piezas de acople rosca hembra de 3/4'' a 1/2'' $ 1,600

2 Tubos pequeños de PVC de 2'' $ 3,200

2 Abrazaderas para mangueras $ 2,000

1 tubo mallado fino de acero galvanizada de 84.7cm $ 8,600

2 Mangueras de 1/2'' de Nitrilo $ 3,600

3 Kilo de Carbón activado "La Leñeria" $ 30,000

Subtotal $ 113,000

IVA (19%) $ 21,470

Total Neto $ 134,470

Los proveedores de los elementos de construcción fueron: “Deposito y ferretería SIERRA” y “La Leñeria”. Ambos

ubicados en la ciudad de Bogotá D.C, con direcciones: Calle 72 #57B 34 y Calle 138 #46 A-16 (Prado),

respectivamente.

8.6 Pruebas de evaluación del dispositivo

Con el fin de evaluar el dispositivo, se registra en distintas fases el procedimiento usado para el montaje, el manejo,

la toma de datos, la evaluación de sus resultados y finalmente la limpieza o mantenimiento del denuder.

8.6.1 Descripción general de las fases.

Las pruebas de evaluación son fundamentales para conocer la funcionalidad del denuder al ser acoplado al montaje

experimental. Por lo tanto, se tienen diferentes fases, en las cuales, se recopila la instalación y se estandariza un

manejo adecuado del Denuder. La primera fase corresponde al montaje o instalación del dispositivo, en esta sección

se enuncia las consideraciones que debe tener el sustrato de adsorción y respectivo el ensamblaje de cada una de

sus partes.

23

La segunda fase corresponde a fase de evaluación y uso, donde se explica la metodología para la toma de datos y

las diferentes configuraciones que se pueden llevar a cabo. Luego, se describe la fase de limpieza o recambio del

carbón activado, y finalmente se describe la fase de desmontaje donde se explica detalladamente como

desensamblar cada una de las partes del denuder.

8.6.2 Fase de montaje

En principio, para llevar a cabo una experimentación robusta, se recomienda realizar un proceso de tamizado del

carbón activado granular previo a la instalación del equipo. Esto, con el fin de eliminar las partículas finas del

sustrato y tener partículas con un tamaño de 2-3mm aproximadamente, las cuales son más grandes que el poro de

la malla tubular de la parte interna del denuder.

Para realizar el anterior procedimiento, se debe usar una Tamizadora con varios tamices. Cada uno de ellos con un

tamaño de malla diferente, los cuales estarán ubicados de mayor a menor tamaño de poro. Lo recomendable es

recoger las partículas que no sobrepasen tamaño de poro 2,36 𝜇𝑚 (tamiz número 8).

Ya con esto, se debe seguir la siguiente secuencia de pasos para armar el dispositivo de una manera adecuada. En

la figura 11 se ilustra y diferencia cada una de las partes del denuder, con el fin de facilitar la instalación. De igual

forma en la tabla 8. se enuncia la nomenclatura de cada pieza asociada.

A continuación, una figura que ilustra el montaje experimental. Al inicio se encuentra el sistema de dilusión

constituido por dos Dekati Ditutor Monitor, seguidamente, está conectado el Denuder y finalmente se encuentra el

Dekati Mass Monitor.

Figura 9. Sistema experimental completo.

24

Tabla 9. Nomenclatura de piezas para el prototipo denuder.

Imagen de pieza Nomenclatura pieza Diagrama de ensamblaje

Pieza E1 – E2

Pieza E1 – E2

Manguera DMM

Manguera Dilutor

Pieza G1 – G2

Pieza H1 – H2

Pieza C

Pieza D

25

En principio se une la pieza E1 con la pieza F1, de tal forma que quede un ensamble con una cara de la pieza E1

tapada. Una vez realizado esto, se procede encajar el ensamble anterior con la pieza G1 y la malla tubular C, de

forma que los amarres que acompañan la malla se acoplen bien y proporcionen una estructura estable. Debido a que

la pieza C es maleable, se recomienda manejarla con cuidado para así evitar alguna deformación.

Ya teniendo esto, se continua con insertar el tubo de PVC externo correspondiente a la pieza D a todo el ensamblaje

que se lleva hasta ahora. Ahora bien, en la parte que queda entre el tubo exterior y la malla tubular, se añade 2.5

kilogramos de carbón activado aproximadamente. Después de esto, se ajusta la pieza E2 en la parte superior de la

estructura para luego insertar la pieza F2 y tapar el ensamble. Es importante que el tubo mallado se acomode de tal

forma que quede en el centro de la estructura. Ver nota.

Nota: Las piezas E2, F2 y el tubo D pueden encontrase pegadas. Si este es el caso, simplemente unir el ensamble a

las demás piezas contiguas.

Luego, se ajusta la pieza G2. Finalmente, se añaden las piezas H1 y H2 en los dos lados de la estructura. Para luego

poder conectar las mangueras del Dekati y Diluidor respectivamente.

Es importante mencionar que, el equipo va a ser instalado de manera vertical, aunque su manejo va a ser de forma

horizontal, por lo tanto, la sección 1 (abajo) va unida al Dekati Mass Monitor, y la sección 2 (arriba) va unida al

Diluidor.

En definitiva, para que durante la operación del dispositivo sea segura, se debe instalar un soporte firme y nivelado

como se muestra en la Tabla 12. Se recomienda que la superficie donde se instale esté limpia y tenga una

distribución de área suficiente para las labores de instalación y mantenimiento. De igual forma, es importante

realizar pruebas de fuga antes de poner en operación el equipo. Lo anterior con el fin de evitar errores en las

mediciones y daños en los equipos asociados.

8.6.3 Fase de evaluación y uso

Ahora bien, con el equipo, soporte y conexiones correctamente montadas, es posible continuar con la fase

evaluación y uso del equipo. En esta, se explicará el manejo del equipo y la evaluación pertinente para la toma de

datos experimentales.

En principio, se usa una motocicleta simple de 2 tiempos, la cual funciona con una mezcla de aceite y gasolina

corriente, la anterior mezcla en una proporción 1:0.5 respectivamente. Es importante que, para que la moto funcione

es necesario asegurase que el tanque posea suficiente combustible, que la válvula de paso esté abierta y que la

palanca de aire esté completamente abierta, ya que garantizara una combustión en exceso de aire.

Para que la moto encienda, se requiere hacer acción mecánica sobre ella, es decir moverla a una velocidad

aproximada de 5 km/hr, para que por inercia al momento de encenderla tenga la potencia necesaria para generar la

combustión en el motor.

Ya con todo el montaje listo, y la moto encendida emitiendo el gas a estudiar. Se procede a ajustar la prueba al

protocolo experimental deseado, y se tiene en cuenta los resultados obtenidos la sección de monitoreo, a partir del

26

análisis de los datos obtenidos se establece la remoción obtenida por parte del Denuder. Existen 6 configuraciones

de pruebas experimentales, donde todas de ellas incluye un monitoreo por parte del Dekati Mass Monitor (DMM

sus siglas en inglés):

1. Medición de aire ambiental: en esta configuración, simplemente se tiene una conexión del aire ambiental

al Dekati Mass monitor.

2. Medición aire ambiental diluido: se conecta una manguera que vincula el sistema de dilutores con el Dekati

Mass Monitor. Se hace pasar aire ambiental hacia el sistema de dilutores.

3. Medición aire ambiental diluido con denuder: se vincula por medio de mangueras la sección 1 del denuder

al Dekati Mass Monitor, y la sección 2 del denuder al sistema de dilutores. Se hace pasar aire ambiental

hacia el sistema de dilutores.

4. Medición de emisión moto diluido: con una manguera de vincula el sistema de dilutores con el Dekati Mass

Monitor. Se hace pasar el gas emitido por el exosto de la moto encendida hacia el sistema de dilutores.

5. Medición de emisión moto diluido con denuder: se une por medio de mangueras la sección 1 del denuder

con el Dekati Mass Monitor, y la sección 2 del denuder con el sistema de dilutores. Se hace pasar el gas

emitido por la moto directamente al sistema de dilutores.

6. Medición aire ambiental solo con denuder: en esta configuración se une la sección 1 del denuder con el

Dekati Mass Monitor y la sección 2 se deja descubierta, o sin conexión al otro equipo. Por medio de la

sección 2 entra aire ambiental al denuder.

A continuación, se explicará detalladamente el procedimiento de la configuración 5, medición de la emisión de

moto diluido con denuder.

En esta configuración en principio, por medio de mangueras, la emisión pasa por el dilutor, volatilizaría los

componentes que la muestra conlleva. Luego, el fluido se moverá hacia el denuder donde se absorben los materiales

orgánicos volátiles (COV) gracias a la acción del carbón activado. Finalmente, el flujo que sale del denuder pasa al

Dekati Mass Monitor, el cual contabiliza el material particulado por medio de fenómenos de impactación.

Figura 10. Diluidor en serie (izquierda), y Dekati Mass Monitor (derecha).

27

Figura 11. Montaje total de experimentación.

8.6.4 Fase de limpieza/recambio

Con el propósito hacer un recambio del carbón activado después de su saturación, se debe seguir la siguiente serie

de pasos. Se recomienda revisar la figura 11 para guiarse con el reconocimiento de cada una de las partes del

sistema.

En primer lugar, se debe hacer un desmontaje parcial del sistema, por lo tanto, se procede a desconectar la manguera

de manera ordenada desconectar las mangueras unidas al Dilutor y el Dekati Mass Monitor respectivamente.

Posteriormente, solamente se soltarán las piezas G1 y H1 correspondiente a los acoples de la sección T1 (abajo).

Luego, se quita el acople F1 de la E1, esto destapará el equipo por uno de sus lados y permitirá hacer el recambio.

Entonces, en este punto se procede a extraer y disponer por completo el carbón activado saturado, esto debe hacerse

de manera cuidado.

Ya con el carbón activado extraído, se procede a hacer el recambio con un carbón activado nuevo. Es recomendable

que el carbón a ingresar esté previamente tamizado y soplado, para evitar el paso de partículas muy finas hacia el

Dekati Mass Monitor y tener errores en el monitoreo.

28

8.6.5 Fase de desmontaje

Al momento de desmontar el equipo, en principio, hay que asegurarse que el sistema este apagado por completo.

Ya con esto, se procede a desconectar las mangueras del denuder las cuales están unidas al Dilutor y el Dekati Mass

Monitor, respectivamente.

Con el fin de llevar a cabo un desmontaje ordenado, se debe desconectar la pieza G y H de la sección T2 (arriba)

mostrado en la Figura 11. Luego, se suelta la pieza F de la pieza E y llegado a este punto, se dispone el carbón

activado de manera cuidadosa asegurándose de vaciar por completo la zona Cx del dispositivo. Posteriormente, se

extrae la pieza D correspondiente al tubo externo de PVC. Luego, se quita la pieza C correspondiente a la malla

tubular. En esta, parte se recomienda tener precaución y procurar tener un manejo cuidadoso de las partes del

sistema, pues este empieza a ser inestable.

9. RESULTADOS EXPERIMENTALES Y ANÁLISIS

Con el fin de describir los resultados obtenidos en las experimentaciones realizadas, primero, se realiza una

explicación básica de los datos que registra del Dekati Mass Monitor 230; segundo, se explica el algoritmo post-

tratamiento, el cual, se usa para obtener distribuciones del número de partículas a partir de distribuciones másicas;

tercero, se describen las jornadas de experimentación; y finalmente, se muestran los resultados generales obtenidos.

Es muy importante destacar que se realizaron cálculos de la teoría de deposición de las partículas y asimismo una

caracterización para respaldar dicha teoría. En la sección de teoría de deposición y caracterización se profundizará

su importancia. Anexo 12

9.1 Descripción general de los datos arrojados por el DMM 230 y algoritmo para

analizar los datos

El Dekati Mass Monitor 230 es un equipo que puede cuantificar partículas hasta un diámetro de 1μm de diámetro

aerodinámico. Lo anterior, el equipo lo realiza mediante la carga eléctrica de las partículas que contiene el flujo de

entrada. Las partículas después de ser cargadas pasan por un analizador de movilidad y son separadas, finalmente

pasan por los impactadores, los cuales, miden la corriente eléctrica producida por las partículas. [21] Con lo anterior,

el DMM arroja una serie de resultados en los cuales se infieren la concentración en masa de la corriente de entrada.

A continuación, todos los parámetros de registra el equipo con una breve descripción de sus características.

• Tiempo: el equipo registra el tiempo donde se está haciendo alguna medición efectiva de la concentración

en masa de la corriente de entrada. Se destaca que este valor está 10 minutos adelantado respecto a la hora

real.

• Concentración total en masa [μg/m3]: se da el valor neto de la masa impactada en miligramos por cada

metro cubico de gas entrante. El equipo permite definir los rangos mínimos y máximos para el registro de

datos, para este caso se manejó un rango entre 0 y 400000 μg/m3.

29

• Masa acumulada [μg]: registra la masa acumulada a lo largo de la experimentación. Este valor se registra

hasta alcanzar un valor de 1143 microgramos.

• Mediana del diámetro másico (MMD): Es el diámetro promedio de la partícula en masa para casa tiempo

en que se realiza la medición.

• Desviación geométrica estándar (GSD): este valor representa que tan separados están los datos que arroja

el DMM respecto a la media geométrica. Este valor depende de la configuración que se halla establecido

para la experimentación.

• Corrientes para cada etapa de impactación (Chanel 1 – Chanel 6): se registra continuamente la corriente

asociada a cada etapa de impactación en femptoamperios fA. Cabe destacar que, dichas corrientes están

vinculadas con la cantidad de masa atrapada por los respectivos impactadores, lo cual quiere decir que, la

corriente es una medida indirecta de la masa, la cual pasa por un tratamiento de señales para ser asociada

con la concentración másica. También, se diferencia cada canal de impactación donde el canal 1

corresponde a la etapa de impactación con partículas más pequeñas, y el canal 6 corresponde a la etapa de

impactación con partículas más grandes.

Las corrientes en cada etapa son los datos que permitieron hallar el número de partículas registrado por cada

impactador. Para ello se empleó un algoritmo que transforma de manera matemática la corriente para cada etapa de

impactación en número de partículas registrada en esa etapa de impactación. Esto con la finalidad de realizar una

distribución de número de partículas y poder analizar mejor los resultados.

En principio, se establecen los diámetros de corte aerodinámicos (d50) y presión en milibares de cada una de las

etapas de impactación, los valores de estos parámetros son proporcionados por el manual de usuario del fabricante

del equipo [8]. A continuación, en la siguiente tabla se muestran estos datos:

Tabla 10. Diámetro de corte aerodinámico y presión de cada etapa de impactación. [8]

Etapa d50 (μm) P (mb)

1 0.03 101.8

2 0.052 228.8

3 0.09 433.3

4 0.119 641.1

5 0.248 902.3

6 0.558 992.9

Pre-cut 1.319 1009.6

Ya conociendo esto, con la siguiente ecuación, se relaciona los diámetros aerodinámicos(da) con los diámetros de

movilidad. Los diámetros de movilidad están relacionados con la corriente, es por ello que se debe usar estos y no

los aerodinámicos; para luego, vincular estos últimos con la concentración en número de las partículas estudiadas.

La relación de diámetro aerodinámico y de movilidad depende del factor de corrección de deslizamiento para ley

de Stokes (𝐶𝑐) en función del número de Knudsen (𝐾𝑛). Este factor se utiliza para tener en cuenta los efectos no

continuos al calcular el arrastre en partículas pequeñas.

30

𝑑𝑎2 ∗ 𝐶𝑐(𝑑𝑎) ∗ 𝜌0 = 𝑑𝑏2 ∗ 𝐶𝑐(𝑑𝑏) ∗ 𝜌𝑒𝑓𝑓 (𝑬. 𝟏𝟒) [22]

Donde:

𝐶𝑐(𝑥) = 1 + 𝐾𝑛 (1.257 + 0.4 𝑒−1.1

𝐾𝑛) (𝑬. 𝟏𝟓) [23]

𝐾𝑛 =2 𝜆

𝑑(𝑬. 𝟏𝟔) [23]

Y lambda 𝜆 corresponde a:

𝜆 = 0.0651 ∗ (𝑃0

𝑃) (

𝑇

𝑇0)

0.5(𝑬. 𝟏𝟕) [22]

Ahora bien, para poder hallar la 𝜌𝑒𝑓𝑓 se necesita la presión inicial dada por el equipo, un diámetro de partícula de

referencia (𝑑𝑏), la dimensión fractal (𝐷𝑓), la densidad inicial constante a una temperatura de 40°C (siendo esta un

valor sugerido por trabajos anteriores), pues no se tiene medición continua de este valor. Estos valores se encuentran

en el Anexo 9 del documento.

𝜌𝑒𝑓𝑓 = 𝜌0 (𝑑𝑏

𝑑𝑟𝑒𝑓𝑓)

𝐷𝑓−3

(𝑬. 𝟏𝟖) [24]

Después, se procede a hallar Cc en función del diámetro aerodinámico (da). Finalmente, se itera para hallar los

diámetros de movilidad, haciendo que se cumpla la igualdad. En el Anexo 10 y Anexo 14, se resumen los resultados

obtenidos para cada diámetro. Se determina la parte izquierda de la ecuación 14. Y también se encuentran los

resultados de los diámetros de movilidad.

Después de hallar los diámetros de corte de movilidad, se relaciona el número de partículas con la corriente medida

en cada etapa de impactación. Lo anterior, teniendo en cuenta las funciones de penetración “PneQ” que son propias

del Dekati Mass Monitor.

𝑃𝑛𝑒𝑄 = {5.103 𝑑𝑏1.978 𝑑𝑏 ≤ 0.0790.669 𝑑𝑏1.778 𝑑𝑏 > 0.079

} (𝑬. 𝟏𝟗) [8]

Y finalmente, la ecuación que relaciona el número de partículas, el diámetro de movilidad y la corriente en cada

etapa es:

𝐼𝑖 = (∆𝑁

∆𝑑𝑏) ∫ 𝑃𝑛 ∗ 𝑒 ∗ 𝑄 𝑑𝑑𝑏

𝑑𝑏1

𝑑𝑏2(𝑬. 𝟐𝟎) [25]

De la anterior relación, se destaca que Kernel (función de eficiencia en cada etapa) en todas las operaciones es 1,

ya que la función está discretizada, entonces el 100% de las partículas asociadas a la etapa evaluada serán retenidas.

Por lo tanto, despejando para obtener el número de partículas en cualquier etapa i, teniendo en cuenta los rangos de

“PneQ”, se tiene la siguiente expresión:

𝑁𝑖 =𝐼𝑖 ∗ ∆𝑑𝑏

∫ 𝑃𝑛 ∗ 𝑒 ∗ 𝑄 𝑑𝑑𝑏𝑑𝑏1

𝑑𝑏2

(𝑬. 𝟐𝟏)

Ya teniendo las concentraciones en número de cada etapa, se suman y se obtiene la totalidad de las partículas por

centímetro cubico de muestra evaluada.

31

𝑁𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 [#

𝑐𝑚3 ] = 𝑁1 + 𝑁2 + 𝑁3 + 𝑁4 + 𝑁5 + 𝑁6(𝑬. 𝟐𝟐)

Una vez obtenido este resultado para cada segundo (El Dekati arroja resultados cada segundo) se procede a obtener

el promedio de número de partículas en cada impactador (𝑁𝑖) y el total (𝑁𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙) según la duración de la medición y

las sesiones de la misma. Es necesario enfatizar que para diferenciar los resultados se tiene en cuenta una bitácora

de experimentación donde se establece los intervalos de tiempo, la hora, las observaciones y la concentración

másica. Esto con el fin de identificar fácilmente los rangos de los resultados y así poder analizar mejor. La bitácora

de experimentación se puede observar en el Anexo 11.

Una vez obtenido los resultados del número de partículas, se procede a graficar el número de partículas por cada

impactador (6 en total) contra el rango de diámetro de movilidad asociado al mismo impactador. Esto hace más

clara la diferencia entre monitorear aire ambiental, aire ambiental con los dilutores, las emisiones de la moto sin

denuder y las emisiones de la moto con denuder. A continuación, un ejemplo de las gráficas descritas anteriormente,

en total 6 barras discretizadas, que se encuentran del menor tamaño de partícula (Impactador 1) hasta el mayor

tamaño de partícula (Impactador 6).

Gráfica 3.Ejemplo gráfico de las distribuciones en número de partículas para cada impactador.

9.2 Descripción de jornadas

En esta parte se describirán las jornadas de experimentación que se realizaron durante todo el proyecto.

• Jornada 1A. Esta experimentación fue una de las caracterizaciones del denuder. El monitoreo de

caracterización tuvo una duración de 30 minutos y sólo midió aire ambiental con la siguiente configuración:

dilutores en serie conectados al Dekati Mass Monitor durante 5 minutos, en los siguientes 5 minutos los

32

dilutores en serie se conectaron al denuder y este último al Dekati Mass Monitor. Cada 5 minutos se

cambiaba la configuración hasta completar los 30 minutos.

• Jornada 1B. Esta experimentación fue una de las caracterizaciones del denuder. El monitoreo de

caracterización tuvo una duración de 30 minutos y sólo midió aire ambiental con la siguiente configuración:

El Dekati Mass Monitor durante 5 minutos monitoreaba aire ambiental sin el uso de los dilutores, en los

siguientes 5 minutos se conectó el denuder y este último al Dekati Mass Monitor monitoreando aire

ambiental. Cada 5 minutos se cambiaba la configuración hasta completar los 30 minutos. Acá cabe destacar

que la diferencia entre la Jornada 1A y la Jornada 1B es el uso y el desuso del los dilutores en serie

respectivamente. Se hicieron las caracterizaciones del dispositivo con aire ambiental para respaldar la teoría

de la deposición de partículas que se describirá en el numeral siguiente.

• Jornada 2A. A partir de esta jornada se incorporó la moto de dos tiempos, es decir, se implementó una

fuente rica en material orgánico volátil. En el inicio de la jornada, se monitoreo aire ambiental por 10

minutos con la configuración: Dilutores en serie conectados al Dekati Mass Monitor. Después de este

tiempo, se procedió a encender la moto y poner la manguera de entrada de los dilutores a la fuente de

contaminación para que el Dekati Mass Monitor reportara los resultados. Este proceso duró 3 minutos.

Luego de este tiempo, se conectó los dilutores al denuder y este al Dekati Mass Monitor para reportar los

resultados con el uso del dispositivo. Finalmente, se apagó la moto. En esta jornada no se usó calentador,

es decir, el proceso estuvo a temperatura ambiente.

• Jornada 2B. En el inicio de la jornada, se monitoreo aire ambiental por 10 minutos con la configuración:

Dilutores en serie conectados al Dekati Mass Monitor. Después de este tiempo, se procedió a encender la

moto y poner la manguera de entrada de los dilutores a la fuente de contaminación para que el Dekati Mass

Monitor reportara los resultados. Este proceso duró 3 minutos. Luego de este tiempo, se conectó los

dilutores al denuder y este al Dekati Mass Monitor para reportar los resultados con el uso del dispositivo.

Finalmente, se apagó la moto. En esta jornada se usó calentador con una temperatura de 110°C-115°C

reportada.

• Jornada 3A. En el inicio de la jornada, se monitoreo aire ambiental por 10 minutos con la configuración:






reportada.

• Jornada 3B. En el inicio de la jornada, se monitoreo aire ambiental por 10 minutos con la configuración:






reportada. Cabe destacar que este experimento fue una repetición de la Jornada 2B.

33







reportada y se pudo hacer otro experimento con el mismo procedimiento con una temperatura de 80°C-

85°C.







reportada sin embargó acá se aumentó la temperatura en medio del experimento hasta 160°C.







reportada

9.3 Resultados generales y gráficas asociadas a las jornadas de experimentación

Uno de los retos del proyecto fue determinar la razón de la pérdida de partículas dentro del denuder. A raíz de este

reto, se establecieron las posibles razones de la pérdida de partículas: deposición de partículas a lo largo del tubo o

por difusión browniana. Partiendo de la primera posibilidad, se procedió a determinar si el depósito de partículas

por sedimentación u otros procesos gravitaciones es relevante para el tamaño de partículas que se están midiendo

en el equipo. Por ello y mediante la teoría de deposición de las partículas se busca establecer si es posible las

pérdidas por medio de este mecanismo.

Para verificar teóricamente lo anterior, se debe tener en cuenta el factor de posición que dependerá de la difusividad,

la longitud por la cual la partícula viaja es ese caso, el denuder y el tamaño de la partícula. El factor 𝜇 que es un

parámetro adimensional de deposición el cual describe la cantidad de partículas que salen del tubo respecto a las

partículas entrantes, la difusividad de la partícula y las ecuaciones de penetración. Las ecuaciones de 𝜇 y de la

difusividad se encuentran en el Anexo 1. Las de penetración están a continuación [22].

o 𝑃 =𝑛𝑜𝑢𝑡

𝑛𝑖𝑛= 1 − 5.50𝜇

2

3 + 3.77𝜇 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝜇 < 0.009 (𝑬. 𝟐𝟑) [22]

o 𝑃 = 0.819 𝑒−11.5𝜇 + 0.0975𝑒−70.1𝜇 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝜇 ≥ 0.009(𝑬. 𝟐𝟒) [22]

34

Como se puede observar la ecuación de penetración describirá cuanto porcentaje de las partículas pasan. Se procedió

a realizar una gráfica a diferentes temperaturas para entender mejor si la pérdida de partículas por deposición es

relevante para el tamaño de partículas medidos por el Dekati Mass Monitor. A continuación, la gráfica.

Gráfica 4.Función de penetración de las partículas vs parámetro de deposición a diferentes temperaturas.

Con respecto a la gráfica anterior se puede analizar que a mayor temperatura se espera una pérdida por deposición

mayor debido a que la difusión aumenta. Sin embargo, con los diámetros de partículas aerodinámicos trabajados en

el Dekati Mass Monitor, las pérdidas por deposición por difusión no superan el 1.6% para las partículas más

pequeñas. Lo anterior sugiere que más de un 98% de las partículas emitidas por la moto entrarán en el denuder y

saldrán del mismo sin ningún tipo de pérdida por deposición. Es decir, que si el equipo tiene una pérdida de

partículas teóricamente no se le puede adjudicar dicha pérdida a mecanismos gravitacionales como la

sedimentación. A partir de estos resultados se procedió a hacer las caracterizaciones para rectificar la teoría de la

deposición.

9.3.1 Jornada de caracterización del denuder: Rectificación para la teoría de la deposición

En la prueba de caracterización del denuder, lo que se buscaba era cuantificar porcentualmente cuantas partículas

del aire ambiental el denuder podría remover. Esto con el fin de asociar dicho porcentaje a un error por deposición

de partículas y no por difusión browniana. Este experimento está asociado a la Jornada 1A y Jornada 1B, donde se

describe detalladamente el procedimiento.

Para la Jornada 1A se determinaron el número de partículas totales promedio y posteriormente la desviación

absoluta de la media con el objetivo de tener un intervalo de confianza del número de partículas y así poder analizar

si efectivamente el denuder tiene algún efecto en pérdidas de partículas del aire ambiental por deposición.

35

Por el contrario, la Jornada 1B no incluyó el diluidor. A continuación, como se calculó la desviación absoluta

respecto a la media [26].

𝐷𝐴𝑀 =1

𝑛∑ |𝑥𝑖 − �̅�𝑛

𝑖=1 |(𝑬. 𝟐𝟓) [26]

A continuación, se mostrará una tabla recompilando todos los resultados. Los ensayos se dividieron cada 10

minutos, 5 minutos sin el uso del denuder y 5 minutos con el uso del denuder. Por ejemplo, en la Jornada 1A en el

ensayo #1 (sin denuder), se usó solo los dilutores en serie conectados al Dekati Mass Monitor (DMM) que tiene x

en la tabla porque son los equipos usados en ese ensayo. El Ntotal, es el número total de partículas del aire ambiental

monitoreado promedio registrado en ese ensayo y DAM es la desviación absoluta, es decir, determina el intervalo

de confianza del resultado Ntotal.

Tabla 11. Resultados Jornadas de caracterización con sus desviaciones absolutas respecto a la media

Tipo de prueba Equipos Usados Desviación absoluta

Caracterización denuder

#Ensayos y descripción Diluidor Denuder DMM Ntotal(#/cm3) DAM

Jornada 1A. Ensayo #1 (Sin Denuder) x x 7113.81 1274.26

Jornada 1A. Ensayo#1 (Con Denuder) x x x 7813.06 2160.13





Jornada 1B. Ensayo#1 (Sin Denuder) x 24678.86 1896.50

Jornada 1B. Ensayo#1 (Con Denuder) x x 19306.94 1734.07





Como se puede observar las desviaciones absolutas respecto al promedio son bastante altas y se debe a la cantidad

de datos que arroja en DMM que efectivamente no se mantienen en un rango de concentración establecido. La

diferencia entre el número total de partículas usando Aire Ambiental Diluido con el DMM y usando Aire Ambiental

Diluido con el denuder y el DMM no es significativa dado que el promedio de número de partículas además de ser

cercano entre ensayos tienen desviaciones entre ±73.47 − ±1274.47. Por otro lado, aunque en la Jornada 1B, el

promedio de las partículas aumenta, debido a que no el flujo no está diluyendo, el rango de las desviaciones es

parecido a las de la Jornada 1A.

Como se puede notar la diferencia entre ensayos no es significativa con esos valores de desviación. Por lo anterior,

también se corrobora la teoría de la deposición de las partículas dentro del denuder, en donde este, no causa

sedimentación u otros mecanismos gravitacionales de las partículas en su superficie. A continuación, los resultados

gráficos del número de partículas en cada impactador, en total 6 barras discretizadas, que se encuentran del menor

tamaño de partícula (Impactador 1) hasta el mayor tamaño de partícula (Impactador 6).

36

Gráfica 5. Distribución discretizada de monitoreo ambiental Jornada 1B.

Como se puede observar, la implementación del denuder en cada impactador en las Jornadas de caracterización no

tiene un efecto significativo, el número total de partículas por cada impactador es muy similar. Por ende, se concluye

que el denuder no tiene un efecto de deposición en ninguno de los impactadores dentro del Dekati Mass Monitor.

Las demás gráficas se encuentran en el Anexo 13.

9.3.2 Jornadas de experimentación a diferentes temperaturas del doble diluidor.

A partir de la Jornada 2A se hicieron las experimentaciones con la emisión de la moto con motor de dos tiempos.

Como se pudo observar en la descripción de las jornadas, se realizaron 9 experimentos a diferentes temperaturas

con un rango entre temperatura ambiente (20°C aproximadamente en el Laboratorio de Emisiones) y 160°C

aproximadamente gracias al suministro de un calentador que se conectaba al diluidor y elevaba la temperatura del

flujo que posteriormente entraría al denuder. En los resultados de cada una de las pruebas se graficó: Distribución

discretizada en cada impactador comparando con y sin denuder, cálculo del porcentaje remoción de partículas

asociados a cada categoría de tamaños comparando con y sin denuder, prueba estadística t-student pareada en el

mismo intervalo de tiempo de la concentración total másica y el número de partículas por impactor comparando

con y sin denuder. Por último, se hizo la curva de eficiencia con la desviación asociada a este cálculo para cada

temperatura de experimentación.

Es importante destacar que una vez descartado la posibilidad de remoción de partículas por deposición, si existe

una remoción significativa de partículas el mecanismo sería el de difusión browniana. El movimiento errático que

experimentan ciertas partículas en un gas provoca choques aleatorios con las partículas suspendidas y hacen que

éstas se muevan. A eso se le denomina movimiento browniano. Con el aumento de temperatura este movimiento se

intensifica debido al aumento de la difusión y de la cinética de las partículas. Así se favorece el proceso de adsorción

37

entre la parte orgánica volátil de la partícula y el carbón activado y no la recondensación de las partículas en el

Dekati Mass Monitor que es el objetivo fundamental que tiene el denuder.

Para mostrar los resultados, se escogió la Jornada 2A y 2B como ejemplo, los demás resultados se encuentran en

Anexo 13.

En la siguiente gráfica de distribución se observan los resultados de la concentración promedio del número de

partículas de cada impactador de la Jornada 2A. Donde la línea azul representa la distribución del número de

partículas de la fuente de contaminación sin el uso del denuder y la línea naranja representa la distribución del

número de partículas de la fuente de contaminación con el uso del denuder. Como se puede observar, el impactador

3, es la etapa que recibe la mayor cantidad de número de partículas, seguido del impactador 4 y el impactador 5

respectivamente. En el impactador 4, se puede observar una reducción notable con el uso del denuder. Este gráfico

ayuda a visualizar mejor el efecto que tiene el uso del denuder cuando se somete a una fuente rica en material

orgánico volátil. Cabe destacar que esta Jornada tuvo una temperatura ambiental, es decir, no se implementó el uso

del calentador por lo que se deducía que la remoción no sería tan notable.

Gráfica 6. Distribución discretizada de todos los impactadores Jornada 2A.

Para poder interpretar el gráfico de distribución en porcentajes de remoción, se calculó el porcentaje de remoción

de partículas asociado a cada experimento y cada etapa de impactación. Para ello, se usaron los resultados del

número promedio de partículas para cada etapa de impactación sin el uso del denuder y el número promedio de

partículas para cada etapa de impactación con el uso del denuder. Así se planteó el porcentaje de remoción para

cada etapa.

𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑚𝑜𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠[%] =�̅�𝑖 (𝑆𝑖𝑛 𝑑𝑒𝑛𝑢𝑑𝑒𝑟) − �̅�𝑖 (𝐶𝑜𝑛 𝑑𝑒𝑛𝑢𝑑𝑒𝑟)

�̅�𝑖 (𝑆𝑖𝑛 𝑑𝑒𝑛𝑢𝑑𝑒𝑟)∗ 100(𝑬. 𝟐𝟔)

38

Esto es un cálculo por parte del número de partículas. Por otro lado, el Dekati Mass Monitor nos arroja la

concentración másica total de la experimentación en 𝜇𝑔

𝑚3. Utilizando la concentración másica promedio de cada

experimentación sin el uso del denuder y con el uso del denuder se puede estimar un porcentaje de pérdida de

concentración másica promedio en cada experimento. La ecuación sería:

𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 [%] =�̅�𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 (𝑆𝑖𝑛 𝑑𝑒𝑛𝑢𝑑𝑒𝑟) − �̅�𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 (𝐶𝑜𝑛 𝑑𝑒𝑛𝑢𝑑𝑒𝑟)

�̅�𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 (𝑆𝑖𝑛 𝑑𝑒𝑛𝑢𝑑𝑒𝑟)

(𝑬. 𝟐𝟕)

Para la Jornada 2A a una temperatura ambiental, los resultados del porcentaje de remoción de número de

partículas en cada etapa de impactación y el porcentaje de pérdida de concentración másica son:

Tabla 12. Resultados del porcentaje de remoción de número de partículas en cada etapa de impactación y porcentaje de pérdida de

concentración másica Jornada 2A.

Impactador Número de partículas

promedio (Sin denuder)

Número de partículas

promedio (Con denuder)

Porcentaje

de remoción

en número

de partículas

[%]

N1 1.2E+04 1.1E+04 8%

N2 3.3E+04 2.9E+04 13%

N3 4.2E+05 3.9E+05 12%

N4 1.0E+06 9.0E+05 15%

N5 2.0E+05 1.6E+05 18%

N6 4.5E+03 3.8E+03 17%

Número total (#/cm3) 1.7E+06 1.6E+06 7%

Porcentaje de pérdida de concentración másica [%]

Concentración (ug/m3) promedio 2.1E+04 1.8E+04 12%

En la siguiente gráfica de distribución se observan los resultados de la concentración promedio del número de

partículas de cada impactador de la Jornada 2B. Donde la línea azul representa la distribución del número de

partículas de la fuente de contaminación sin el uso del denuder y la línea naranja representa la distribución del

número de partículas de la fuente de contaminación con el uso del denuder. Como se puede observar, en esta jornada

todos los impactadores existe una remoción notable y considerable. La diferencia sustancial entre el experimento

anterior y esta jornada es la temperatura empleada. Este experimento tuvo una temperatura de 110°C

aproximadamente, lo cual favorece las condiciones para aumentar la difusión del movimiento browniano y por ende

la adsorción de COV por medio del carbón. De la misma manera, el efecto de denuder es notable con los cálculos

de los porcentajes de remoción y pérdidas de la concentración en masa. Las cuales son cercanas al 70% en mucho

de las etapas de impactación. La diferencia entre los resultados de la Jornada 2A y la Jornada 2B indican que la

temperatura es el factor que favorece la remoción de partículas ricas en material orgánico volátil que se puede

adsorber mediante el aumento de la difusión.

39

Gráfica 7. Distribución discretizada de la Jornada 2B

Tabla 13. Resultados del porcentaje de remoción de número de partículas en cada etapa de impactación y porcentaje de pérdida de

concentración másica Jornada 2B.

Impactador

Número de

partículas

promedio

(Sin

denuder)

Número de

partículas

promedio

(Con

denuder)

Porcentaje de

remoción en

número de

partículas

[%]

N1 1.6E+04 1.5E+04 6%

N2 2.9E+04 8.4E+03 71%

N3 3.0E+05 9.1E+04 70%

N4 6.1E+05 1.9E+05 69%

N5 1.4E+05 4.3E+04 70%

N6 3.3E+03 9.8E+02 70%

Número total (#/cm3) 1.1E+06 3.5E+05 69%

Porcentaje de pérdida de concentración másica [%]

Concentración (ug/m3) promedio 1.5E+04 4.5E+03 70%

Adicionalmente, se realizó una tabla donde se muestran el porcentaje de pérdida de concentración másica para cada

Jornada. Esto con el fin de recompilar todos los resultados del porcentaje de pérdida de concentración másica

promedio en un solo formato. Como se observa en los resultados, los experimentos con las mayores temperaturas

son los que poseen mayor pérdida de masa de la fuente de emisiones. Esto es un buen indicativo experimental

40

porque desde el inicio del proyecto se esperaba que, al aumentar la temperatura, la remoción de partículas ricas en

material orgánica volátil fuese mayor favoreciendo la difusión browniana de las partículas. El aumento de la

difusión facilita la adsorción de este material orgánico a la superficie del carbón activado granular y garantizando

las partículas no se vuelvan a condensar en los impactadores.

Tabla 14. Resultados de porcentaje en pérdidas de concentración másica promedio por el uso del denuder de cada Jornada con su

respectiva temperatura

Porcentaje en pérdida de concentración másica de cada Jornada [%]

Jornada Temperatura

[°C]

Concentración másica

promedio [ug/m3] sin

denuder

Concentración másica

promedio [ug/m3] con

denuder

Porcentaje en

pérdida de

concentración

másica de cada

Jornada [%]

2A 20 2.09E+04 1.84E+04 12%

2B 110 1.50E+04 4.46E+03 70%

3A 30 4.58E+03 2.94E+03 36%

3B 110 6.14E+03 1.87E+03 70%

4A 40 7.56E+03 3.11E+03 59%

4A 80 6.56E+03 2.16E+03 67%

5A 150 2.97E+03 8.58E+02 71%

Para unificar todos los resultados de todas las Jornadas de manera clara y visual se realizó una gráfica compuesta

por curvas de porcentaje de remoción de número de partículas por cada etapa de impactación.

Como se puede observar, cada curva tiene 6 puntos que corresponden al diámetro geométrico promedio de cada

impactador que posee el Dekati Mass Monitor. Cabe mencionar que cada punto de las curvas posee su respectiva

barra de incertidumbre, calculada mediante derivadas parciales del promedio del número de partículas respecto a

las desviaciones estándar, de la prueba “sin denuder” y “con denuder”.

𝜎𝑤 = √(𝑑𝑁

𝑑𝜎𝑠𝑖𝑛 )

2

𝜎𝑠𝑖𝑛2 + (

𝑑𝑁

𝑑𝜎𝑐𝑜𝑛)

2

𝜎𝑐𝑜𝑛2 (𝑬. 𝟐𝟖)

Donde:

𝜎𝑤: Incertidumbre de la remoción de partículas para cada etapa de impactación.

𝜎𝑠𝑖𝑛: desviación estándar de los datos en la etapa “sin denuder”.

𝜎𝑐𝑜𝑛: desviación estándar de los datos en la etapa “con denuder”.

𝑁: promedio del número de partículas en el impactador.

Finalmente se compilan todos los resultados en las siguientes curvas de porcentaje de remoción de número de

partículas con la barra de incertidumbre asociada. La barra de incertidumbre establece un intervalo de confianza del

para el cálculo de remoción de partículas para cada Jornada. Cabe aclarar, que no es una eficiencia del equipo, dado

que esta dependerá de la temperatura de uso y de la fuente de contaminación que se implemente. Por consiguiente,

41

la gráfica es el resultado de los porcentajes de remoción de partículas con una fuente rica en material orgánico

volátil de una moto de dos tiempos para temperaturas entre 20°C y 150°C.

Gráfica 7. Curvas de eficiencia a diferentes temperaturas de la Jornada 2A-Jornada 3B. (a)

En la anterior gráfica se encuentran las curvas de porcentaje de remoción de partículas de las Jornadas 2A, 2B, 3A

y 3B. En la siguiente gráfica se encuentran las curvas de porcentaje de remoción de partículas de las Jornadas 4A

(40°C) y (80°C) y Jornada 5A.

Gráfica 8. Curvas de eficiencia a diferentes temperaturas de la Jornada 4A-Jornada 5ª. (b)

42

Dentro del dispositivo existen dos posibles tipos de remoción de material por depósito de partículas o difusión

browniana. A partir de los resultados, se pueden analizar varios puntos de la experimentación. Según la teoría de

depósito de partículas descrita al inicio de los resultados y la caracterización de la experimentación, no existe un

depósito de partículas significativa a través del denuder. La sedimentación u otros procesos gravitacionales no son

relevantes a los tamaños de partículas manejados en el proyecto. Lo anterior, afirma que la pérdida de partículas

debido al flujo volumétrico manejado en el experimento, por el tamaño de partículas que detecta el Dekati Mass

Monitor y la longitud será mínima y no superará el 2%, según la Gráfica 3. Para respaldar la anterior idea, la

caracterización demostró que la implementación del denuder en un monitoreo ambiental, tanto diluido (con el uso

de dilutores) como sin diluir (sin el uso de dilutores), no presenta una remoción por depósito de partículas

significativa. El cálculo de la desviación absoluta respecto a la media calculada para cada ensayo de la

caracterización corroboró que la concentración promedio en número de partículas totales (𝑁𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙) se mantiene en

los intervalos de confianza establecidos. Por consiguiente, la remoción de número de partículas es significativa

cuando se expone el experimento a una fuente rica de material orgánico volátil (moto a dos tiempos). Si la fuente

fuese una corriente gaseosa rica en polvo mineral u hollín, la remoción de número de partículas no sería significativa

puesto que el carácter volátil de ese tipo de partículas es bajo y por ende su difusión browniana también lo es [22].

En este punto es necesario destacar la escogencia de la longitud del dispositivo. Según la Gráfica 1, donde se

establece una relación entre la remoción de COV y la longitud del dispositivo, si la longitud superara los 3 metros,

se podrían alcanzar porcentajes de remoción teóricas cercanas al 90%. Sin embargo, usar esa longitud podría

contribuir el depósito de partículas, además de la gran cantidad de carbón que se debería usar para rellenar el

dispositivo.

En seguida de los resultados de caracterización, se encuentran los resultados con las emisiones de la moto de dos

tiempos de la Jornada 2A y la Jornada 2B. En las distribuciones discretizadas se puede evidenciar las diferencias

presentadas entre los dos experimentos, donde la Jornada 2A presenta una pequeña remoción en 3 impactadores:

Impactador 4 (diámetros de movilidad entre 0.12 𝜇𝑚 − 0.25 𝜇𝑚), Impactador 5 (diámetros de movilidad entre

0.25 𝜇𝑚 − 0.56 𝜇𝑚) y Impactador 6 (diámetros de movilidad entre 0.56 𝜇𝑚 − 1.32 𝜇𝑚) con porcentajes mayores

al 15%, los demás impactadores no superar dicho porcentaje. Por el contrario, en la Jornada 2B los porcentajes de

remoción en algunos impactadores son cercanos al 70%, exceptuando Impactador 1 (diámetros de movilidad entre

0.03 𝜇𝑚 − 0.052 𝜇𝑚) que solo obtuvo un 6%. Al igual que este experimento, los Impactadores 1 e Impactador 2

(diámetros de movilidad entre 0.052 𝜇𝑚 − 0.09 𝜇𝑚) fueron las etapas con menores porcentajes de remoción en

todos los experimentos. Debido a sus tamaños, las partículas de estos impactadores deberían ser las partículas que

más presenten difusión browniana. El análisis que se hace para los resultados es la pérdida de masa que presentan

algunas partículas de tamaños mayores cuando se aumenta la temperatura. Es decir, cuando en la experimentación

aumenta la temperatura, las partículas de un tamaño específico puede reducir su tamaño (pérdida de masa) debido

a la difusión de su parte volátil. Esto genera que la partícula sea detectada por un impactador de rango menor a su

rango original.

Por otro lado, comparando la gráfica de eficiencia de remoción de material orgánico volátil teórica (Gráfica 1) y los

resultados experimentales coinciden; para una longitud de 91 cm (longitud aproximada del aparato) el porcentaje

de remoción descrito por la ecuación analítica de Gormley y Kennedy sería de 65% aproximadamente para

temperaturas mayores a 50°C aproximadamente, porcentaje alcanzado por los experimentos (ver Tabla 17). Con lo

anterior, se puede comprobar que el denuder está realizando un proceso remoción de partículas por difusión y

posterior adsorción de material orgánico volátil.

43

En los resultados de las demás Jornadas (Anexo 13) también existe una diferencia entre las distribuciones

discretizadas exceptuando por los resultados de la Jornada 4B, donde en las temperaturas de 120°C y 160°C no

existe una remoción significativa por el uso del denuder. La experimentación de esa Jornada tuvo un flujo continuo

de emisiones durante mucho tiempo lo que afectó los resultados. Es decir, no se hizo un solo monitoreo con una

temperatura determinada sino se comenzó con 40°C hasta llegar a 160°C. Al final la experimentación duró 1 hora

y 15 minutos aproximadamente donde el dispositivo se sometió a una corriente de material orgánico por mucho

tiempo. Debido a los resultados de la Jornada 4B, en la Jornada 5A, la temperatura fue de 150°C, una temperatura

entre 120°C y 160°C para corroborar si efectivamente los resultados de las Jornada 4B no eran acertados. Los

resultados de la Jornada 5A arrojaron las eficiencias más altas en el impactador 1 de todos los experimentos además

de tener eficiencias cercanas al 70% de remoción en los demás impactadores.

En la gráfica de curvas de porcentaje de remoción (Gráfica 7 y 8) se observa una tendencia a medida que aumenta

la temperatura, el porcentaje de remoción para cada rango de tamaño también aumenta hasta acotarse cerca al 75%

de remoción. En todos los cálculos teóricos, la temperatura es un factor indispensable en la difusión, pues a medida

que este parámetro aumenta, la volatilización de las partículas también lo hace. Un resultado que se debe destacar

es la similitud entre las curvas de la Jornada 2B y 3B, pues ambas tenían la misma configuración de experimentación

y la misma temperatura (110°C±5°𝐶).

Como trabajo adicional se implementó un análisis estadístico para la Jornada 2B para mirar si el denuder tiene un

impacto significativo en la remoción. A continuación, el análisis estadístico.

9.4 Análisis Estadístico

Con el fin de interpretar los resultados experimentales, se realiza una prueba de hipótesis para comprobar la

significancia del equipo en la remoción de material orgánico volátil (COV). Para ello, se elige una jornada donde

se evidencie un cambio en la concentración total másica, o en el número total de partículas. Esto se logra, al evaluar

el comportamiento de dichas variables de respuesta respecto al tiempo.

A partir de lo anterior, se evalúan los resultados de las diferentes jornadas de experimentación realizadas. Se halla

que la Jornada 2B tiene resultados útiles para realizar el análisis estadístico, pues presenta cambios importantes en

la de concentración másica total al usar el denuder. A continuación, la gráfica de la Jornada 2B, y la señalización

de la zona de interés para el análisis.

44

Gráfica 8. Concentración total másica Jornada 2B.

Ya con la zona de interés identificada, se seleccionan dos series de 60 datos, tanto de la sección “sin denuder”,

como la de “con denuder”. A partir de ellos, se realiza una prueba de hipótesis t- Student pareada para examinar la

diferencia entre las dos muestras dependientes, evaluando si existe diferencia en la media de la concentración másica

total, para la muestra antes del uso del denuder y la muestra después del uso del denuder.

Antes de realizar la prueba de hipótesis t- Student pareada, es necesario comprobar los supuestos de normalidad y

homogeneidad de los datos, pues es a partir de ellos en que se fundamenta el método estadístico.

En principio, se usa el software Minitab® 18 el cual posee herramientas llamada “Prueba de Normalidad”, la cual

determina si los datos siguen o no una distribución normal, de acuerdo con las siguientes hipótesis.

• H0 = Los datos se distribuyen normal.

• H1 = Los datos no se distribuyen normal.

En el Anexo 15, se realiza la prueba con un nivel de confianza del 95%. A patir de estas, se puede evidenciar que

las dos series de datos tienen un valor p mayor al nivel de significancia de 0.05. Por ende, no se puede rechazar la

hipótesis nula que enuncia que los datos siguen una distribución normal. [27]

Ahora bien, se prueba la homogeneidad de variancias o homocedasticidad en las muestras, para ello, se utiliza la

herramienta “Prueba de igualdad de variancia” de Minitab, la cual se basa en el estadístico F y los intervalos de

confianza de Bonferroni [28]. Las hipótesis nula y alternativa del método son:

• H0 = Los datos se cumplen el principio de homocedasticidad. 𝜎𝑖 2 = 𝜎𝑖´2

• H1 = Los datos no cumplen el principio de homocedasticidad. 𝜎𝑖 2 ≠ 𝜎𝑖´2

La gráfica de prueba de igualdad de varianzas se encuentra en el Anexo 15. De esta se evidencia que, el valor p es

menor al nivel de significancia de 0.05, y por ende, es posible afirmar que la diferencia entre las variancias es

estadísticamente significativa, lo cual indica que, no hay homocedasticidad entre los datos. No obstante, la prueba

45

de hipótesis t – Student es lo suficientemente robusta para evaluar los resultados así no se cumpla este supuesto,

pues lo más importante es que la serie de datos siga una distribución normal y que provengan de un registro continuo

sobre un mismo elemento a diferentes condiciones, en este caso un “antes” y un “después” del denuder. [29]

Ya dentro de este marco, se realiza la prueba T de Student pareada, siguiendo las siguientes hipótesis.

H0 = No existe efecto de remoción de COV al usar el denuder.

𝐻0: 𝜇𝑖-𝜇𝑗=0 ∀𝑖, {1, …,60}

H1 = Existe algún efecto de remoción de COV al usar el denuder.

𝐻1: 𝜇𝑖-𝜇𝑗 ≠0 ∀𝑖, {1, …,60}

Se destaca, la formulación del valor t y para la evaluación de la prueba estadística.

𝑡 =�̅� − 𝜇0

𝑠𝑑

√𝑛

(𝑬. 𝟐𝟗)

Donde,

𝜇0:la media hipotetica de la poblacion para las diferencias. �̅�: media de las diferencias de las muestras pareadas. 𝑠𝑑: desviacion estandar de la muestra para las diferencias de las muestras pareadas. 𝑛: tamaño de las muestras.

Ya con esto, se usa la herramienta “t-pareada” de Minitab® y se obtienen los siguientes resultados:

Figura 12 .Resultados de la prueba estadística t-pareada Jornada 2B.

46

Como se puede evidenciar, la prueba estadística pareada entre la configuración “sin denuder” y “con denuder”, se

obtiene un valor p muy pequeño cercano a 0, pues el programa aproxima hasta cierto número de cifras decimales.

Con esto aclarado, al tener un valor p menor al nivel de significancia establecido p<0.05, se rechaza la hipótesis

nula y se afirma que existe algún efecto de remoción de COV al usar el denuder. Cabe destacar que, la concentración

total másica como variable de respuesta corresponde a una medida indirecta de la remoción de material orgánico

volátil, pues registra la totalidad de partículas que la moto está emitiendo, sin importar sus características

fisicoquímicas.

Para obtener una medida más exacta y directa de la cantidad de COV, se propone el uso de un equipo que cuantifique

dichos compuestos. Este equipo se podría configurar tanto antes, como después del denuder con el fin de tener una

medida certera de la remoción que ocurre por la adsorción del material orgánico volátil proveniente de la emisión

de la moto.

10. RECOMENDACIONES Y CONSIDERACIONES FUTURAS

Según el proceso de diseño, las pruebas experimentales y los análisis hechos, se sugieren las siguientes

recomendaciones y consideraciones. Con estas, se busca proponer la continuidad del proyecto y mejorar la

funcionalidad del equipo.

• Caracterizar el denuder utilizando un equipo que registre la cantidad de VOC. Cuando se habla de

caracterizar el denuder corresponde a: poner el equipo que monitorea VOC en la corriente de entrada y

salida de este. Lo anterior con el fin de verificar directamente el funcionamiento del denuder, y estimar la

cantidad de COV adsorbida.

• Estandarizar un protocolo de medición con una configuración estable. Esto con el fin de, evitar desviaciones

y garantizar un registro de resultados preciso, sin valores extremos.

• Realizar un análisis fisicoquímico del carbón activado, antes y después de uso. Para así, verificar la

eficiencia del proceso de absorción y ser una medida directa de la remoción de VOC por parte del denuder.

• Realizar un diseño experimental con varios micro-prototipos funcionales, con el fin de, optimizar el

dimensionamiento al considerar factores de ensamblaje, tiempo de regeneración, diámetros y longitudes.

• Verificar la deposición de material particulado en el denuder por medio de pruebas de caracterización

previas al uso.

• Evaluar con mayor precisión el efecto de la temperatura en la adsorción de material orgánico volátil. Se

recomienda el uso de un controlador que regule la temperatura del calentador. Y realizar jornadas de

experimentación a temperatura constante.

• Analizar el efecto de otras proporciones de combustible-aceite en el funcionamiento del denuder. Para este

proyecto se usó una proporción 50:1 de gasolina corriente y aceite automotriz.

47

• Se recomienda que la duración de los experimentos no se exceda de 30 minutos (entre el monitoreo

ambiental hasta el uso del denuder). Primero, porque la cantidad de material orgánico que genera la moto

es alta y podría afectar la salud de los que están experimentando. Cuando se prenda la moto, el flujo no

puede durar más de 5 minutos encendida. Segundo, porque se afectan los resultados si el flujo continuo

permanece por más de ese tiempo.

11. CONCLUSIONES

• De acuerdo con el análisis hecho sobre los histogramas de frecuencia, las distribuciones discretizadas del

número de partículas y las curvas de eficiencia, se concluye que al utilizar el equipo “denuder”, se observa

una reducción significativa en la masa del material medido en el dispositivo DMM-230 comparado con las

mediciones llevadas a cabo en las mismas condiciones, pero sin el “denunder”. Esto sugiere que el equipo

está removiendo parte del material orgánico volatilizado. Este nivel de remoción se observa principalmente

cuando la temperatura de la muestra es entre 80°C y 110 °C.

• Debido a que el Dekati Mass Montitor es un equipo de medición de partículas, nuestro montaje experimental

corresponde a una medida indirecta de la remoción de material orgánico. Para realizar una caracterización

sobre la eficiencia en la reducción de concentraciones de VOC a lo largo del “denuder, se propone para

futuros proyectos el uso de un equipo que cuantifique dichos compuestos.

• Se realizaron pruebas que permitieron cuantificar la penetración de partículas a través del dispositivo

cuando el material muestreado es no-volátil, más especificarte la Jornada 2A y Jornada 2B. De esta forma,

se confirmó lo que se consideró teóricamente en la fase de diseño, donde no hay pérdidas significativas por

difusión de las partículas hacia las paredes.

• En todas las curvas de eficiencia se evidencia una tendencia coherente, pues a mayor diámetro geométrico

de corte existe una mayor eficiencia, ya que, se capturan partículas con mayor tamaño. De igual forma, se

evidencia que las contribuciones generales del impactador N1 son bajas, ya que, existe un paso de masa

hacia otros impactadores gracias a los fenómenos de difusión.

• Para una mayor certeza en los resultados, se propone un estudio fisicoquímico del carbón activado, antes y

después de su uso en el “denuder”. Para así, verificar la eficiencia del proceso de absorción y tener una

medida directa de la remoción de COV por parte del denuder.

• De acuerdo con el análisis estadístico sobre la Jornada 2B con aumento de la temperatura a 40°C, se afirma,

mediante una prueba de hipótesis t-Student pareada con una confianza de 95%, la existencia de algún efecto

de remoción de COV al usar el denuder en el monitoreo. La fracción de masa removida de esta jornada es

del 70% y la temperatura más alta registrada fue de 150°C. Finalmente, se observa que a temperaturas

mayores a 100°C se obtiene una remoción mayor o igual al 70%.

48

12. REFERENCIAS

[1] Organización Mundial de la Salud, «Informe sobre la salud en el mundo 2002. Reducir los riesgos y

promover una vida sana,» Ginebra, 2002.

[2] Organización Mundial de la Salud, «Guías de calidad del aire de la OMS relativas al material particulado, el

ozono, el dióxodo de nitrogeno y el dióxido de azufre,» Ginebra, 2005.

[3] Enviromental Protection Agency, «Air Pollution: Current and Future Challenges,» EPA, 2014. [En línea].

Available: https://www.epa.gov/clean-air-act-overview/air-pollution-current-and-future-challenges.

[Último acceso: 15 02 2018].

[4] Y. C. B. A. P. C. B. J. H. J. C. V. R. Ricardo Morales Betancourt, «SAMPLING TEMPERATURE EFFECTS ON THE

SIZE DISTRIBUTION OF PARTICLES EMITTED BY A TWO STROKE ENGINES,» Universidad de los Andes,

Departamento de Ingeniería Ambiental, Bogotá, 2016.

[5] J. H. J. M. M. Kate M. Cerully, «Toward the Determination of Joint Volatility-Hygroscopicity Distributions:

Development and Response Characterization for Single-Component Aerosol,» Aerosol Science and

Technology, vol. 48, pp. 295-311, 2014.

[6] M. G. Vernooij, H. Burtsch y M. Fierza, «An improved low-flow thermodenuder,» Journal of Aerosol

Science, Windisch, 2007.

[7] D. Company, «Dekati® Diluter,» 2018. [En línea]. Available:

https://www.dekati.com/products/Aerosol%20Sample%20Conditioning/Dekati%C2%AE%20Diluter.

[Último acceso: 20 02 2018].

[8] Dekati Ltd, «Dekati Mass Monitor User Manual,» DMM manual, 2007.

[9] EPA, Boletín Técnico: Seleccionando un sistema de adsorción para COV: ¿Carbón, zeolita o polímeros?,

USA: https://www3.epa.gov/ttncatc1/dir2/fadsorbs.pdf, 1999.

[10] EcuRed, Diferentes tipos y presentaciones de carbón activado, https://www.ecured.cu/Archivo:Diferentes-

tipos-de-carbon-activado.jpg, 2018.

[11] E. compañia, Filtros de carbón activado, España:

http://www.emison.es/medioambiente/pdf/humos/adsorcion%20carbon%20activo.pdf.

[12] L. leñería, «FICHA TÉCNICA DEL CARBÓN ACTIVADO DE ORIGEN MINERAL,» BOGOTÁ-PRADO, 2018.

[13] W. S. E. L. R B Bird, Fenómenos de Transporte, Wisconsin : John Wiley & Sons , 1960.

[14] D. Barcelo, Monitoring of Air Pollutants: Sampling, Sample Preparation and Analytical Techniques,

Amsterdam: Elsevier, Patricia Forbes, 2015.

49

[15] M. d. Fuller, Escritor, Algunos Métodos de estimación para difusividad. [Performance]. REVISIÓN 11,

http://tecno.cruzfierro.com/formularios/difusividad.

[16] C. Vovelle, Pollutants from Combustion: formation and Impact on Atmospheric Chemistry, Orleans: CNRS,

1998.

[17] I. p. solutions, «Acrylic,» Irvine.

[18] R. Mendez, FLUJOS EN TUBERÍAS: FLUJOS INTERNOS, https://www.google.com.co/search?ei=W8SlWt-

3Hemb5wLwg5K4AQ&q=http%3A%2F%2Fwww.unet.edu.ve%2F~fenomeno%2FF_DE_T-

153.htm&oq=http%3A%2F%2Fwww.unet.edu.ve%2F~fenomeno%2FF_DE_T-153.htm&gs_l=psy-

ab.3..35i39k1l6.20777.21621.0.21867.2.2.0.0.0.0.0.0..1.0....0...1c, 2017.

[19] Simens Star CCM+, «User Guide of Modeling Physics,» Simens, 2012.

[20] Y. A. Cengel y M. A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach, 4 ed., Mcgraw-Hill College, 2001.

[21] U. e. a. Lehmann, New Method for Time-Resolved Diesel Engine Exhaust Particle Mass Measurement,

American Chemical Society , 2004, pp. 5704 - 5711.

[22] W. C. Hinds, Aerosol Technology, EU: Wiley, 1982.

[23] R. Morales, Clase de Calidad del aire y meteorología, Bogotá: Clase número de Knudsen y distancia media

promedio recorrido por las partículas, 2017.

[24] N. X. M. Matti Maricq, USA: Elsevier,Journal of Aerosol Science, 2004.

[25] L. N. Z. S. Athanasios Mamakos, Evaluation of Dekati Mass Monitor for Measurment of Exhaust Particle

Mass Emissions, Thessaloniti : Laboratory of Applied Thermodynamics, MechanicalEngineering

Department, Aristotle University Thessaloniki,P.O. Box 458, GR-54124 , 2006.

[26] KHANACADEMY, Desviación media absoluta, https://es.khanacademy.org/math/cc-sixth-grade-math/cc-

6th-data-statistics/cc-6-mad/v/mean-absolute-deviation, 2015.

[27] Minitab 18, «Soporte Minitab : Gráfica de probabilidad Normal,» [En línea]. Available:

https://support.minitab.com/es-mx/minitab/18/help-and-how-to/graphs/how-to/probability-plot/before-

you-start/example/. [Último acceso: 30 05 2018].

[28] Minitab 18, «Prueba de varianzas iguales,» [En línea]. Available: https://support.minitab.com/es-

mx/minitab/18/help-and-how-to/modeling-statistics/anova/how-to/test-for-equal-variances/methods-

and-formulas/methods-and-formulas/#f-test-statistic. [Último acceso: 30 05 2018].

[29] Minitab 18 - Guía de ayuda, «Consideraciondes para prueba t-student pareada,» [En línea]. Available:

https://support.minitab.com/es-mx/minitab/18/help-and-how-to/statistics/basic-statistics/how-to/paired-

t/before-you-start/data-considerations/. [Último acceso: 30 05 2018].

50

[30] A. G. Barrios, Escritor, Clase Fenómenos de Transporte 2. [Performance]. Universidad de Los Andes,

Colombia, 2016.

[31] MATLAB, Escritor, Funciones especiales. [Performance]. MATLAB,

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/especial/bessel/bessel.html.

[32] S. PRADHAN, «Production and characterization of Activated Carbon produced from a suitable Industrial

sludge,» National Institute of Technology Rourkela, Rourkela, Odisha, India, 2007.

[33] HAYCARB (PVT) LTD, «Activated Carbon Basics - HAYCARB,» 2010. [En línea]. Available:

http://www.haycarb.com/activated-carbon. [Último acceso: 04 02 2018].

[34] O. M. d. l. Salud, «Organización mundial de la salud,» 25 Marzo 2014. [En línea]. Available:

http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2014/air-pollution/es/. [Último acceso: Enero 2018].

[35] F. Cçeçen y Ö. Aktasr, Activated Carbon for Water and Wastewater Treatment: Integration of Adsorption

and Biological Treatment., Primera Edición ed., WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2011, pp. 2-5.

[36] I. N. d. S. e. H. e. e. Trabajo, «Calidad de aire interior: filtros de carbón activado para su mejora,» Notas

técnicas de prevención , Cataluña, 2013.

[37] J. E. A. Correa, «Evaluación de la aplicación de carbón activado granular en la filtración del agua clarificada

del río Cauca,» Universidad del Valle, Santiago de Cali, 2016.

[38] AQUAZEN, «AQUAZEN BD,» 2015. [En línea]. Available: https://aquazensbd.com/carbon-activado/. [Último

acceso: 04 02 2018].

[39] La Leñería, «Venta de leña, carbon y bioetanol - La Leñeria,» 2018. [En línea]. Available:

https://laleneria.com/carbon-a-domicilio-bogota/carbon-activado/carbon-activado-kilo.html_48. [Último

acceso: 04 02 2018].

[40] R. A. Dobbs y J. M. Cohen, «Carbon Adsorption Isotherms for Toxic Organics,» EPA - Environmental

Protection Agency, Cincinnati, 1980.

[41] A. J. Dallas, J. J. Lefei Ding y D. Zastera, «Activated Carbon Adsorption Isotherms: The Effect of Volatile

Organic Contaminant Size and Shape,» Donaldson INC, Bloomington, 2000.

[42] IDEAM - K2 Ingeriería, «Protocolo para el monitoreo y seguimiento de la calidad del aire,» Ministerio de

ambiente, vivienda y desarrollo territorial, Bogotá.

[43] J. A. B. P. B. S. M. V. Ana María Peroza Daza, «Marco Teórico de contaminación atmosférica en Colombia,»

University College London – Universidad de los Andes, Bogotá, 2013.

[44] IDEAM, «Informe del Estado de la Calidad del aire en Colombia (2007-2010),» Bogotá, 2012.

[45] V. y. D. t. Ministerio de Ambiente, «Protocolo para el monitoreo y seguimiento de la calidad del aire,»

Bogotá, 2008.

51

[46] IDEAM, «Analizador de óxidos de nitrógeno (NOx) Modelo 100 A,»

http://www.ideam.gov.co/documents/41590/242303/M200A.pdf/0e7ea635-db76-4285-a8d4-

813835a3ccb7, Bogotá.

[47] F. W. a. J. Johnson, «The ignition and combustion properties of activated carbon containing adsorbed

hydrocarbons,» Fuels Branch Chemistry Division, 1964.

[48] A. Acrilux, «Propiedades del acrílico,» Quito-ecuador.

[49] G. S. University, HyperPhysics/ Department of Physics and Astronomy /Flujo Laminar, Georgia:

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/pfric.html#lam, 2017.

[50] F. Y. C. D. P. TÉCNICOS, PVC, España: http://www.plasticbages.com/caracteristicaspvc.html.

[51] RADCONSA, RADIADORES CONTINENTAL, S.A. DE C.V, http://www.radconsa.com/tuberia.html, 2012.

13. ANEXOS

Anexo 1. Granulometría del carbón. Resultados generales para determinar diámetro promedio de

partícula del carbón activado granular.

TAMIZADORA LAB 305

Tamiz

Peso

antes

[g]

Peso

después

[g]

Masa

retenid

a [g]

Fracció

n

retenida

[%]

Fracción

másica

acumulada

[%]

Fracción

másica

acumulada

teó. [%]

Diámetro

abertura [mm]

Dp

[mm]

120 307,5

5 307,61 0,06 0,02% 0,02% 0,003 0,125 0,1375

100 326,5

4 326,57 0,03 0,01% 0,03% 0,055 0,15 0,165

80 324,7

6 324,86 0,1 0,03% 0,06% 0,22 0,18 0,215

60 324,6

8 324,79 0,11 0,03% 0,09% 0,732 0,25 0,3375

40 346,4 346,57 0,17 0,05% 0,14% 0,88 0,425 0,4625

35 348,1 349 0,9 0,27% 0,41% 0,928 0,5 1

12 440,4 769,28 328,88 99,48% 99,90% 0,99 1,7 2,5

Fondo

s 300,4 300,74 0,34 0,10% 100,00% 0

Carbón peso [g] 330,59 Volume shape factor, a Densidad aparente 0,49

52

Diámetros de las partículas

Dp[mm] Volumen

partícula

Número de

partículas,

Np

Sumatoria de xi/Dp3

Fracción de

partículas

retenidas en el

tamiz Tamiz

para tamiz 12/35 1,95 3,596214375 242,6595161 0,000367155 0,996232088

para tamiz 35/40 0,4625 0,047981846 49,77038449 0,005197853 0,204330969

para tamiz 40/60 0,3375 0,018645029 24,19308701 0,00865529 0,099324065

para tamiz 60/80 0,215 0,004820112 60,55374435 0,030436514 0,248601762

para tamiz 80/100 0,165 0,002178681 121,7900658 0,020201318 0,500005825

para tamiz 100/120 0,1375 0,001260811 63,13597009 0,069815756 0,25920302

Anexo 2. Desarrollo de la ecuación general de transferencia de calor y masa

Con las anteriores suposiciones la parte de transferencia por convección sería:

𝐷𝐶𝐴

𝐷𝑡=

𝑑𝐶𝐴

𝑑𝑡+ 𝑉𝑟

𝑑𝐶𝐴

𝑑𝑟 + 𝑉𝑧

𝑑𝐶𝐴

𝑑𝑧+ 𝑉𝜃

𝑑𝐶𝐴

𝑑𝜃 [13]

Se aplica que el sistema cumple estado estacionario y que solo posee una componente convectiva en dirección

longitudinal.

𝐷𝐶𝐴

𝐷𝑡= 𝑉𝑧

𝑑𝐶𝐴

𝑑𝑧

En cuanto al término correspondiente a la transferencia de masa

𝐷𝐴𝐵∇2𝐶𝐴 = 𝐷𝐴𝐵 (1

𝑟

𝜕

𝜕𝑟(𝑟

𝑑𝐶𝐴

𝑑𝑟) +

1

𝑟2 (𝑑2𝐶𝐴

𝑑𝑧2 +𝑑2𝐶𝐴

𝑑𝜃2 )) [13]

Se sabe que solo habrá componente en 𝑟.

𝐷𝐴𝐵∇2𝐶𝐴 = 𝐷𝐴𝐵 (1

𝑟

𝜕

𝜕𝑟(𝑟

𝑑𝐶𝐴

𝑑𝑟)) → 𝐷𝐴𝐵 (

𝑑2𝐶𝐴

𝑑𝑟2+

1

𝑟

𝑑𝐶𝐴

𝑑𝑟)

Finalmente, la ecuación diferencial sería

𝑉𝑧

𝑑𝐶𝐴

𝑑𝑧= 𝐷𝐴𝐵 (

𝑑2𝐶𝐴

𝑑𝑟2+

1

𝑟

𝑑𝐶𝐴

𝑑𝑟)

Dado que la ecuación diferencial depende de dos componentes, la solución a la misma debe ser una función que

involucre tanto 𝑍𝑧 𝑦 𝑅𝑟 de tal manera

𝐶𝐴 = 𝑍𝑧𝑅𝑟

Reemplazando la anterior solución en términos de la ecuación diferencial para poder separar las ecuaciones con su

respectiva variable de la siguiente manera

𝑅𝑟𝑉𝑧

𝑑𝑍

𝑑𝑧= 𝐷𝐴𝐵𝑍𝑧 (

𝑑2𝑅

𝑑𝑟2+

1

𝑟

𝑑𝑅

𝑑𝑟)

53

𝑉𝑧

𝑍𝑧

𝑑𝑍

𝑑𝑧=

𝐷𝐴𝐵

𝑅𝑟(

𝑑2𝑅

𝑑𝑟2+

1

𝑟

𝑑𝑅

𝑑𝑟)

Con la anterior ecuación se puede inferir que la única manera que se cumpla la igualdad es que ambas ecuaciones

estés igualadas a una constante

𝑉𝑧

𝑍𝑧

𝑑𝑍

𝑑𝑧=

𝐷𝐴𝐵

𝑅𝑟(

𝑑2𝑅

𝑑𝑟2+

1

𝑟

𝑑𝑅

𝑑𝑟) = −𝑘2

Siendo así se puede ver que se tiene una ecuación diferencial en 𝑧 de primer orden y para 𝑟 una ecuación

diferencial de segundo orden por lo que se resolverán por separado.

𝑉𝑧

𝑍𝑧

𝑑𝑍

𝑑𝑧= −𝑘2 →

𝑑𝑍

𝑑𝑧+

𝑘2𝑍𝑧

𝑉𝑧= 0

Por polinomio característico se resuelve que

𝑥 +𝑘2

𝑉𝑧= 0 → 𝑥 = −

𝑘2

𝑉𝑧

Por lo tanto, la solución a la ecuación diferencial sería

𝑍𝑧 = 𝐶𝑒−

𝑘2

𝑉𝑧𝑧

La segunda parte es correspondiente a la transferencia de masa

𝐷𝐴𝐵

𝑅𝑟(

𝑑2𝑅

𝑑𝑟2+

1

𝑟

𝑑𝑅

𝑑𝑟) = −𝑘2

𝑑2𝑅

𝑑𝑟2+

1

𝑟

𝑑𝑅

𝑑𝑟+

𝑘2𝑅𝑟

𝐷𝐴𝐵= 0

Al ser una ecuación diferencial no lineal no se puede resolver por polinomio característico, toca aplicar funciones

de Bessel para poder desarrollarla.

Función de Bessel general:

𝑦′′ + [1−2𝑎

𝑥] 𝑦′ + [(𝑏𝑐𝑥𝑐−1)2]𝑦 +

𝑎2−𝑝2𝑐2

𝑥2 = 0 [30]

Siendo así para hallar los parámetros entonces se tendría:

𝑎 = 0, 𝑐 = 1, 𝑏 = √𝑘2

𝐷𝐴𝐵, 𝑝 = 0

Según qué tipo de número es p se determina la solución de la ecuación, dado que p es un número entero entonces.

𝑦(𝑥) = 𝑥𝑎 ∗ [𝐴𝐽𝑜(𝑏𝑥𝑐) + 𝐵𝑌𝑜(𝑏𝑥𝑐) [30]

Por lo tanto, la solución de la ecuación diferencial se vería de la siguiente manera

54

𝑅(𝑟) = (𝐴𝐽𝑜 (𝑘

√𝐷𝐴𝐵

) + 𝐵𝑌𝑜 (𝑘

√𝐷𝐴𝐵

))

Existen aproximaciones para las funciones Jo y Yo dadas por las siguientes ecuaciones:

𝐽0(𝑟) ≅ √2

πrcos (𝑟 −

𝜋

4) [31]

𝑌0(𝑟) ≅ √2

πrsin (𝑟 −

𝜋

4) [31]

Como se puede observar la aproximación es bastante acertada por lo que la solución a la ecuación diferencial

sería:

𝑅(𝑟) = 𝐴 ∗ √2

𝜋𝑟𝑆𝑒𝑛 (𝑟 −

𝜋

4) ∗

𝑘

√𝐷𝐴𝐵

+ 𝐵 ∗ √2

𝜋𝑟𝐶𝑜𝑠 (𝑟 −

𝜋

4) ∗

𝑘

√𝐷𝐴𝐵

Anexo 3. Contribución en masa de COV en un motor de dos tiempos OTTO [16]

56

Anexo 4. Cálculo detallado de la difusividad a 300°C en un motor de dos tiempos

Motor de dos tiempos (otto)

Compuesto Contribución

en masa (%)

ʋʗ Ʋħ Ʋơ ∑ʋ PM

(C )

PM

(H)

PM

(O)

PM T м(αβ) Ɗab

[cm^2/s]

Ɗab

[cm^2/s] en

%

Metano 7 15,9 9,24 0 25,1 12,0 4,0 0 16,04 20,63 0,445 0,044

Etano 1 31,8 13,9 0 45,7 24,0 6,0 0 30,06 29,47 0,299 0,004

Butano 2 63,6 23,1 0 86,7 48,0 10,1 0 58,11 38,60 0,203 0,006

iso-Butano 0,3 63,6 23,1 0 86,7 48,0 10,1 0 58,11 38,60 0,203 0,001

Pentano 3 79,5 27,7 0 107,2 60,1 12,1 0 72,134 41,27 0,179 0,008

iso-Pentano 4 79,5 27,7 0 107,2 60,1 12,1 0 72,134 41,27 0,179 0,010

Eteno 5 31,8 9,24 0 41,04 24,0 4,0 0 28,048 28,47 0,317 0,022

Propeno 3 47,7 13,9 0 61,6 36,0 6,0 0 42,072 34,26 0,247 0,011

cis-2-buteno 0,4 63,6 18,5 0 82,1 48,0 8,1 0 56,096 38,15 0,209 0,001

trans-2-buteno 0,2 63,6 18,5 0 82,1 48,0 8,1 0 56,096 38,15 0,209 0,001

Acetileno 4 31,8 4,62 0 36,4 24,0 2,0 0 26,034 27,39 0,338 0,019

Benceno 5 95,4 13,9 0 109,3 72,1 6,0 0 78,102 42,19 0,176 0,012

Tolueno 12,1 111,3 18,5 0 129,8 84,1 8,1 0 92,126 44,00 0,160 0,027

Xileno 11 127,2 23,1 0 150,3 96,1 10,1 0 106,15 45,43 0,148 0,023

Etilbenceno 2,8 127,2 23,1 0 150,3 96,1 10,1 0 106,15 45,43 0,148 0,006

Aromáticos 8,3 143,1 20,8 0 163,9 108,1 9,1 0 117,153 46,36 0,141 0,017

Formaldehido 0,6 15,9 4,62 6,11 26,6 12,0 2,0 16 30,024 29,45 0,365 0,003

Acetaldehido 0,3 31,8 9,24 6,11 47,2 24,0 4,0 16 44,048 34,90 0,272 0,001

Benzaldehido 0,4 111,3 13,9 6,11 131,3 84,1 6,0 16 106,112 45,43 0,157 0,001

Acetona 0,1 47,7 13,9 6,11 67,7 36,0 6,0 16 58,072 38,59 0,224 0,000

Otros COV 29,5

Total 70,5 Ɗab

[cm^2/s]

0,218

57

Anexo 5. Resultados de número de Reynolds y caída de presión con un flujo volumétrico de 11 lpm.

58

Anexo 6. Resultados de masa requerida, volúmenes y tiempo de regeneración a diferentes longitudes

Anexo 7. Perfiles de presión para longitud de 75, 80 y 100 centímetros respectivamente.

Longitud[cm] R1[cm] R2[cm] R2*[cm]Vol tubo

[cm3]

Vol tubo*

[cm3]

Masa

carbón [g]

Masa

carbón* [g]

Tiempo de

reg [min]

Tiempo de

reg*[min]Masa carbón* [kg]

115,0 2,5 6,4 5,1 12237,0 6992,6 5996,1 3426,4 7528,7 4302,1 3,4

112,5 2,5 6,4 5,1 11971,0 6840,6 5865,8 3351,9 7365,0 4208,6 3,4

110,0 2,5 6,4 5,1 11704,9 6688,5 5735,4 3277,4 7201,4 4115,1 3,3

107,5 2,5 6,4 5,1 11438,9 6536,5 5605,1 3202,9 7037,7 4021,5 3,2

105,0 2,5 6,4 5,1 11172,9 6384,5 5474,7 3128,4 6874,0 3928,0 3,1

102,5 2,5 6,4 5,1 10906,9 6232,5 5344,4 3053,9 6710,4 3834,5 3,1

100,0 2,5 6,4 5,1 10640,9 6080,5 5214,0 2979,4 6546,7 3741,0 3,0

97,5 2,5 6,4 5,1 10374,8 5928,5 5083,7 2905,0 6383,0 3647,5 2,9

95,0 2,5 6,4 5,1 10108,8 5776,5 4953,3 2830,5 6219,4 3553,9 2,8

92,5 2,5 6,4 5,1 9842,8 5624,5 4823,0 2756,0 6055,7 3460,4 2,8

90,0 2,5 6,4 5,1 9576,8 5472,4 4692,6 2681,5 5892,0 3366,9 2,7

87,5 2,5 6,4 5,1 9310,7 5320,4 4562,3 2607,0 5728,4 3273,4 2,6

85,0 2,5 6,4 5,1 9044,7 5168,4 4431,9 2532,5 5564,7 3179,8 2,5

82,5 2,5 6,4 5,1 8778,7 5016,4 4301,6 2458,0 5401,0 3086,3 2,5

80,0 2,5 6,4 5,1 8512,7 4864,4 4171,2 2383,6 5237,4 2992,8 2,4

77,5 2,5 6,4 5,1 8246,7 4712,4 4040,9 2309,1 5073,7 2899,3 2,3

75,0 2,5 6,4 5,1 7980,6 4560,4 3910,5 2234,6 4910,0 2805,7 2,2

59

Anexo 8. Gráfica de residuales para longitud de 80 y 100 centímetros respectivamente.

1,E-07

1,E-06

1,E-05

1,E-04

1,E-03

1,E-02

1,E-01

1,E+00

0 200 400 600 800

Re

sid

ual

es

Iteraciones

Continuidad

X-momentum

1,E-07

1,E-06

1,E-05

1,E-04

1,E-03

1,E-02

1,E-01

1,E+00

0 200 400 600

Re

sid

ual

es

Iteraciones

Continuidad

X-momentum

Y-momentum

Z-momentum

60

Anexo 9. Parámetros de flujo para la determinación de Lambda de la ecuación de diámetros de movilidad

y aerodinámicos.

To(°C) 25 Po(mb) 1000

To (K) 298.15 ρo 1

T(°C) 40 dbreff (um) 0.03

T(K) 313.15 Df 2.5

Anexo 10. Resumen del algoritmo para determinación diámetro de movilidad. Lado izquierdo (da) y

diámetros de movilidad.

d50 (um) λ Cc(da) da^2*Cc(da)*ρo db (um)

0.03 0.655 72.963 0.0657 0.030

0.052 0.292 19.165 0.0518 0.086

0.09 0.154 6.293 0.0510 0.204

0.119 0.104 3.572 0.0506 0.275

0.248 0.074 1.787 0.1099 0.620

0.558 0.067 1.304 0.4059 1.654

1.319 0.066 1.126 1.9589 4.928

Anexo 11. Modelo de la bitácora de experimentación

Hora Dekati Hora computador Tiempo recorrido(min) Anomalías en el muestreo/ Notas Masa reportada Dekati ( µg/m3)

7:33:40 p. m. 7:43 0,008166667 Carros saliendo, contaminación aire por intentos anteriores 34

7:35:50 p. m. 7:46 3 Conexión Denuder, Dekati Mass Monitor 60

7:36:11 p. m. 7:46 3,18 Después de un tiempo, masa bajó 5 µg/m3 de la concentración inicial 29

7:37:48 p. m. 7:47 5 La concentración bajó y se mantuvo en esta masa 25

7:37:58 p. m. 7:48 5,15 La concentración bajó y se mantuvo en esta masa 25

7:38:05 p. m. 7:48 5,05 Conexión de mangueras Dekati Mass Monitor-Diluidor en serie 2

7:39:42 p. m. 7:49 6,5 Se fue a prender moto 2

7:42:47 p. m. 7:51 9,3 Se viene en la moto 2

7:42:48 p. m. 7:53 10 Llegó moto y comenzó aumento acelerado de la concentración 155

7:43:26 p. m. 7:53 10,4 Las concentraciones cada vez más aumentan 15000

7:43:56 p. m. 7:54 11,08 Alcanza más de 20.000 20000

7:44:45 p. m. 7:54 11,49 Conexión de mangueras Moto-diluidor-denuder-DMM 25543

7:45:07 p. m. 7:55 12,31 Conexión definitiva del Denuder 24765

7:47:05 p. m. 7:57 13,58 La concentración bajó drásticamente 600

7:48:00 p. m. 7:58 15,04 Se apagó moto 200

7:49:21 p. m. 7:59 16,33 Tiempo después de apagada la moto, la concentración llega 9

7:51:13 p. m. 8:01 19 FINALIZA MUESTREO, se quitó la manguera de diluidor po eso se elevó de nuevo 233

Monitoreo emisiones de la moto diluido

Monitoreo emisiones de la moto diluido con DENUDER

Monitoreo ambiental diluido, CALENTADOR temperatura chaqueta 113°C

Notas importantes bitácora

Monitoreo ambiental, Solo Dekati incialmente, caracterización Denuder

61

Anexo 12. Descripción general de los parámetros de la teoría de la deposición y ecuación de difusividad

El factor 𝜇 es un parámetro adimensional de deposición el cual describe la cantidad de partículas que salen del tubo

respecto a las partículas entrantes. Este parámetro depende de la difusión de la partícula (D), de la longitud del tubo

(L) y el flujo volumétrico (Q) [22].

𝜇 =4𝐷𝐿

𝜋𝑑2 =𝐷𝐿

𝑄 [22]

Y la difusividad de la partícula depende de la constante de Boltzmann (k), la temperatura(T), el factor de

deslizamiento (𝐶𝑐), el diámetro aerodinámico de la partícula (d) y la viscosidad del aire (η).

𝐷 =𝑘𝑇𝐶𝐶

3𝜋𝜂𝑑 [22]

Anexo 13. Resultados gráficos distribución discretizada de todas las Jornadas descritas en el documento.

En orden (Caracterización, Jornada 3A, Jornada 3B, Jornada 4A, Jornada 4B y Jornada 5A)

0

5000

10000

15000

20000

25000

0,01 0,1 1 10

Ni/

lnd

p,#

par

tícu

las

/cm

3

dp (um)

Comparación número de partículas (/cm3) entre Dekati Mass Monitor vs Denuder DMM (1 ensayo) Aire Ambiental

Dekati Mass Monitor Denuder

64

Anexo 14. Diámetro geométrico promedio por cada impactador. Este diámetro geométrico es

correspondiente a los rangos del diámetro de movilidad hallados en el algoritmo.

Impactador Diámetro geométrico

promedio

Impactador 1 0,051

Impactador 2 0,133

Impactador 3 0,237

Impactador 4 0,413

Impactador 5 1,012

Impactador 6 2,855

65

Anexo 15. Resultados Minitab (pruebas de normalidad e igualdad de varianza, resultados y gráficas)

Diseño y evaluación de alternativas para la captura de ...

Documents

Transcript of Diseño y evaluación de alternativas para la captura de ...