Proyecto fin de carrera

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERIA (ICAI)
INGENIERO TÉCNICO MECÁNICO

DISEÑO Y CÁLCULO DE UN BANCO UNIVERSAL
DE PRUEBAS DE FILTROS DE AUTOMOCIÓN

Autor: Alberto Nieto Rollán
Director: Juan de Norverto Moríñigo

Madrid
Mayo de 2012

Proyecto realizado por el alumno/a:

Alberto Nieto Rollán

Fdo.: …………………… Fecha: ……/ ……/ ……

Autorizada la entrega del proyecto cuya información no es de carácter confidencial

EL DIRECTOR DEL PROYECTO

Juan de Norverto Moríñigo

Fdo.: …………………… Fecha: ……/ ……/ ……

Vº Bº del Coordinador de Proyectos

Luis Manuel Mochón Castro

Fdo.: …………………… Fecha: ……/ ……/ ……

ESTE PROYECTO CONTIENE LOS SIGUIENTES DOCUMENTOS

DOCUMENTO Nº1, MEMORIA

1 Memoria descriptiva pág. 001 a 182 182 páginas

2 Cálculos justificativos pág. 183 a 216 34 páginas

3 Anexos pág. 217 a 282 66 páginas

DOCUMENTO Nº2, PLANOS

1 Lista de planos pág. 01 a 02 2 páginas

2 Planos pág. 03 a 12 10 páginas

DOCUMENTO Nº3, PLIEGO DE CONDICIONES

1 Técnicas y Particulares pág. 1 a 2 2 páginas

DOCUMENTO Nº4, PRESUPUESTO

1 Presupuesto banco aceite pág. 1 a 4 4 páginas

2 Presupuesto banco combustible pág. 5 a 8 4 páginas

3 Presupuesto proyecto pág. 9 a 9 1 páginas

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO TÉCNICO INDUSTRIAL

RESUMEN DEL PROYECTO

DISEÑO Y CÁLCULO DE UN BANCO UNIVERSAL DE PRUEBAS DE
FILTROS DE AUTOMOCIÓN

Autor: Nieto Rollán, Alberto.

Director: De Norverto Moríñigo, Juan.

Entidad Colaboradora: Universidad Pontificia Comillas.

El siguiente proyecto consiste en el diseño y el cálculo de un banco universal
de pruebas de filtros de automoción, es decir, un banco en el que se puedan ensayar
los diferentes tipos y modelos de los filtros de aceite y combustible que existen en el
mercado.

Para llevar a cabo este proyecto es necesario familiarizarse con la normativa
vigente que regula las pruebas y ensayos de este tipo de filtros. Una vez conocida
dicha normativa, se procede a realizar el diseño de la instalación hidráulica.
Posteriormente, se continúa haciendo una selección de los distintos componentes que
formarán el banco de pruebas. Finalmente se procede a realizar un diseño final de la
instalación con las dimensiones que tendrá, y se adapta a un soporte previamente
diseñado.

En estas instalaciones se pretenden realizar estudios de eficiencia de filtrado y
de vida útil, principalmente. Por este motivo las instalaciones deben cumplir los
requisitos necesarios para evaluar dichos parámetros durante el ensayo.


Las instalaciones funcionan mediante el método de ensayos Multi – pass. Este
ensayo consiste en hacer circular un fluido por una instalación repetidas veces
durante un tiempo determinado mientras se va añadiendo suciedad de manera
controlada. Realizando extracciones de muestra antes y después del filtro bajo
ensayo se determina la eficiencia de filtrado mediante el uso de contadores de
partículas. Para evaluar la vida útil del filtro se utiliza un manómetro diferencial que
mide la diferencia de presión entre la entrada y la salida del filtro. Este alcanzará el
final de su vida útil cuando la presión diferencial alcance un determinado valor.

Cabe destacar que, cuando se realice el ensayo de un filtro de gasoil, será
necesario añadir agua además de suciedad, ya que se quiere evaluar la eficiencia de
retención de agua que tienen estos filtros. Dicha eficiencia se averigua controlando el
agua que se introduce en el circuito y el agua que el filtro retiene en el depósito
destinado a este fin.

En lo que respecta a la instalación para la prueba de los filtros de aceite, se ha
utilizado una bomba de engranajes, que proporciona el caudal necesario especificado
en la norma y una presión máxima muy por encima de los requerimientos del banco.
La presión máxima requerida es de 8,95 bar. Otro parámetro que se debe controlar es
la temperatura del fluido, que debe ser de 76,5 ºC para que el aceite elegido tenga
una viscosidad cinemática de 15 mm2/s, que es lo estipulado en la normativa.
También se controlará la presión a la entrada del filtro que tendrá un valor
comprendido entre 4 – 5 bar, dependiendo del filtro que se ensaye.

Finalmente, una vez elegidos todos los elementos que compondrán el banco,
se diseñará la instalación adaptada a un soporte previamente diseñado. El resultado
se muestra en la siguiente imagen:


Instalación del banco de filtros de aceite.

En lo que respecta a la instalación para la prueba de los filtros de
combustible, se ha utilizado una bomba peristáltica, tal y como aparece especificado
en la normativa correspondiente, que proporciona el caudal necesario especificado en
la norma y una presión máxima suficiente para cumplir con los requerimientos del
banco. La presión máxima requerida es de 4,22 bar. Otro parámetro que se debe
controlar es la temperatura del fluido, que debe ser de 23 ºC, tal y como está
estipulado en la normativa. También se controlará la presión a la entrada del filtro
que tendrá un valor comprendido entre 2 – 4 bar, dependiendo del filtro que se
ensaye.

Finalmente, una vez elegidos todos los elementos que compondrán el banco,
se diseñará la instalación adaptada a un soporte previamente diseñado. El resultado
se muestra en la siguiente imagen:


Instalación del banco de filtros de combustible.

Finalmente, el coste total del proyecto será la suma del coste de ambos bancos:

Elemento Mediciones Precio Unitario Sumas Parciales (€)
Banco de filtros de aceite 1 Ud. 13362,32 €/Ud. 13362,32
Banco de filtros de combustible 1 Ud. 14645,97 €/Ud. 14645,97

28008,29 €

El presupuesto total necesario para llevar a cabo el proyecto asciende, por
tanto, a 28008,29 €.


PROJECT SUMMARY

DESIGN AND CALCULATION OF A UNIVERSAL BANK OF TESTS OF
AUTOMOTIVE FILTERS

Author: Nieto Rollán, Alberto.

Director: De Norverto Moríñigo, Juan.

Collaborating Organization: Universidad Pontificia Comillas.

The following project consists of the design and the calculation of a universal
bank of tests of automotive filters, that is to say, a bank in which the different types
and models of oil filters and fuel that exist in the market can be tested.

To carry out this project is necessary to become familiar with current
regulations governing the testing and trials of this type of filters. Once it is know
those rules, it is proceed to develop the design of the hydraulic system. Then,
continue with a selection of the different components that make the test rig. Finally it
is come to make a final design to installation with dimensions that will have, and it is
adapted to a support previously designed.

These installations are intended to study for filtration efficiency and lifetime,
mainly. For this reason, the installation must meet the requirements needed to assess
these parameters during the test.

The installation is operating by the method of multi – pass test. This test
consists of circulating a fluid through a rig repeatedly during a given time while you
add dirt in a controlled manner. Performing extractions sample before and after the
filter under test is determined the filtration efficiency using particle counters. To


evaluate the life of the filter using a differential pressure gauge which measures the
pressure difference between inlet and outlet of the filter. This will reach the end of its
life when the differential pressure reaches a certain value.

Notably, when performing the test of a fuel filter, it will be necessary to add
water in addition to dirt, since we want to evaluate the efficiency of retention of
water with these filters. Such efficiency is ascertained by controlling the water
introduced into the circuit and the water retained in the filter shell intended for this
purpose.

With respect to the installation for testing oil filters, has been used a gear
pump, which provides the necessary flow rate specified in the regulation and a high
pressure well above the requirements of the bank. The maximum required pressure is
8.95 bar. Another parameter to be controlled is the temperature of the fluid, which
should be 76.5 ° C for the chosen oil, has a kinematic viscosity of 15 mm2/s, which is
stipulated in the regulations. Also controls the pressure at the inlet of the filter will
have a value between 4 to 5 bar, depending on the filter under test.

Finally, once elected all the elements that make up the bank, the installation
will be designed to a support adapted previously designed. The result is shown in the
image below:


Installing oil filter bank.

In regard to the installation for testing fuel filters, has been used a peristaltic
pump, as already specified in the corresponding regulations, which provides the
necessary flow rate specified in the regulation and a high pressure sufficient to meet
requirements of the bank. The maximum pressure of 4.22 bar is required. Another
parameter to be controlled is the temperature of the fluid, which should be 23 º C, as
stipulated in the regulations. Also controls the pressure at the inlet of the filter will
have a value between 2 to 4 bar, depending on the filter under test.

Finally, once elected all the elements that make up the bank, the installation
will be designed to a support adapted previously designed. The result is shown in the
image below:


Installing fuel filter bank.

Finally, the total project cost will be the sum of the cost of both banks:

Element Measurements Unitary price Partial sums (€)
Bank of oil filters 1 You 13362.32 €/Ud. 13362,32
Bank of fuel filters 1 You 14645.97 €/Ud. 14645,97

28008,29 €

The total budget necessary to carry out the project ascends, therefore, a
28008,29 €.

Documento Nº 1 Memoria.
Índice General

Capítulo 1: Memoria descriptiva ...............................................1

Capítulo 2: Cálculos justificativos .........................................183

Capítulo 3: Anexos .................................................................217

Capítulo 1: Memoria descriptiva
Índice general

1.1.- Introducción .......................................................................1
1.1.1.- Motivación del proyecto ............................................................ 1
1.1.2.- Objetivos .................................................................................... 3
1.1.3.- Metodología ............................................................................... 4
1.1.4.- Ubicación del banco de ensayos ............................................... 6

1.2.- La filtración ........................................................................7
1.2.1.- Tecnologías de filtración .......................................................... 8
1.2.2.- Parámetros de los filtros ......................................................... 19
1.2.3.- Tipos de filtros en automoción ............................................... 30
1.2.4.- Métodos de ensayo de filtros ................................................... 40

1.3.- Banco de ensayo filtro de aceite ......................................51
1.3.1.- Especificaciones de partida .................................................... 53
1.3.2.- Esquema hidráulico del banco ............................................... 59
1.3.3.- Componentes ........................................................................... 64
1.3.3.1.- Depósito principal .............................................................................. 64
1.3.3.2.- Bomba ................................................................................................ 65
1.3.3.3.- Válvulas reguladoras de caudal ........................................................ 69
1.3.3.4.- Válvula reguladora de presión .......................................................... 73
1.3.3.5.- Depósitos adicionales ........................................................................ 75
1.3.3.6.- Agitador.............................................................................................. 77
1.3.3.7.- Caudalímetros .................................................................................... 79

i

1.3.3.8.- Sensor de temperatura ....................................................................... 83
1.3.3.9.- Contador de partículas ...................................................................... 85
1.3.3.10.- Válvula on – off ............................................................................... 90
1.3.3.11.- Acoplamientos del filtro bajo ensayo .............................................. 92
1.3.3.12.- Manómetros ..................................................................................... 93
1.3.3.13.- Filtro de micronaje estrecho ........................................................... 96
1.3.3.14.- Calentador........................................................................................ 99
1.3.3.15.- Intercambiador de placas .............................................................. 101
1.3.3.16.- Aceite a utilizar .............................................................................. 103
1.3.3.17.- Conductos y tuberías ..................................................................... 106
1.3.3.18.- Soporte del banco .......................................................................... 107
1.3.3.19.- Módulo de adquisición de datos .................................................... 110

1.3.4.- Diseño final ........................................................................... 112

1.4.- Banco de ensayo filtro de combustible ..........................117
1.4.1.- Especificaciones de partida .................................................. 119
1.4.2.- Esquema hidráulico del banco ............................................. 125
1.4.3.- Componentes ......................................................................... 131
1.4.3.1.- Depósito principal ............................................................................ 131
1.4.3.2.- Bomba .............................................................................................. 132
1.4.3.3.- Válvulas reguladoras de caudal ...................................................... 134
1.4.3.4.- Válvula reguladora de presión ........................................................ 139
1.4.3.5.- Depósitos adicionales ...................................................................... 141
1.4.3.6.- Agitador............................................................................................ 144
1.4.3.7.- Caudalímetros .................................................................................. 146
1.4.3.8.- Sensor de temperatura ..................................................................... 150
1.4.3.9.- Contador de partículas .................................................................... 152
1.4.3.10.- Válvula on – off ............................................................................. 157
1.4.3.11.- Acoplamientos del filtro bajo ensayo ............................................ 159
1.4.3.12.- Manómetros ................................................................................... 160

ii

1.4.3.13.- Filtro de micronaje estrecho ......................................................... 163
1.4.3.14.- Calentador...................................................................................... 166
1.4.3.15.- Intercambiador de placas .............................................................. 168
1.4.3.16.- Combustibles a utilizar .................................................................. 170
1.4.3.17.- Conductos y tuberías ..................................................................... 172
1.4.3.18.- Soporte del banco .......................................................................... 173
1.4.3.19.- Módulo de adquisición de datos .................................................... 176

1.4.4.- Diseño final ........................................................................... 178

iii

Índice de ilustraciones

Figura 1: Mecanismos de retención de partículas ...................................................... 9
Figura 2: Filtración de profundidad.......................................................................... 13
Figura 3: Filtración por torta .................................................................................... 14
Figura 4: Funcionamiento de un filtro coalescente ................................................... 17
Figura 5: Paso de una partícula acicular.................................................................. 20
Figura 6: Curvas del tamaño superficial de un filtro ................................................ 26
Figura 7: Efectos del cambio de temperatura ........................................................... 27
Figura 8: Efecto de la acumulación de sólidos ......................................................... 28
Figura 9: Caída de presión frente a tiempo de proceso ............................................ 28
Figura 10: Componentes de un filtro Spin – On ........................................................ 31
Figura 11: Funcionamiento filtro Spin – On ............................................................. 32
Figura 12: Elemento filtrante intercambiable ........................................................... 33
Figura 13: Filtro de gasolina tipo In Line ................................................................. 34
Figura 14: Filtro de gasolina tipo DLF ..................................................................... 35
Figura 15: Funcionamiento de un filtro tipo DLF..................................................... 35
Figura 16: Filtro de gasoil coalescente ..................................................................... 36
Figura 17: Filtros de aire de admisión ...................................................................... 37
Figura 18: Partes de un filtro de aceite ..................................................................... 38
Figura 19: Filtro de cabina con carbón activado ..................................................... 39
Figura 20: Esquema del Single – pass ....................................................................... 40
Figura 21: Instalación para ensayo de capacidad de retención de suciedad ........... 42
Figura 22: Distribución del tamaño de partículas de aluminio ................................ 44
Figura 23: Esquema del ensayo Multi – pass ............................................................ 49
Figura 24: Esquema hidráulico del banco de ensayo de filtros de aceite ................. 59
Figura 25: Depósito principal de aceite .................................................................... 64
Figura 26: Caudal de la bomba ................................................................................. 66
Figura 27: Rendimiento volumétrico de la bomba .................................................... 66
Figura 28: Potencia consumida por la bomba .......................................................... 67
Figura 29: Bomba de engranajes .............................................................................. 68

iv

Figura 30: Válvula de regulación para el caudal principal ...................................... 70
Figura 31: Válvula reguladora del caudal de fluido sucio y caudal de muestra ...... 72
Figura 32: Válvula reguladora de presión ................................................................ 74
Figura 33: Depósito supletorio para fluido sucio y recogida de muestras ............... 75
Figura 34: Agitador y soporte ................................................................................... 77
Figura 35: Caudalímetro para caudal principal ....................................................... 80
Figura 36: Pérdidas de carga generadas por el caudalímetro ................................. 81
Figura 37: Caudalímetro para fluido sucio y muestra .............................................. 82
Figura 38: Sensor de temperatura ............................................................................. 84
Figura 39: Contador de partículas HYDAC CS 1000 Series .................................... 88
Figura 40: Pérdidas de carga originadas por el contador de partículas.................. 89
Figura 41: Válvula on – off ........................................................................................ 91
Figura 42: Croquis del sistema de adaptación filtros Spin – On .............................. 92
Figura 43: Manómetro diferencial ............................................................................ 94
Figura 44: Manómetro de presión a la entrada del filtro y en el depósito ............... 95
Figura 45: Pérdidas de carga en función del caudal ................................................ 97
Figura 46: Eficiencia de filtrado del filtro de micronaje estrecho ............................ 97
Figura 47: Filtro de micronaje estrecho ................................................................... 98
Figura 48: Calentador eléctrico .............................................................................. 100
Figura 49: Intercambiador de calor de placas ........................................................ 102
Figura 50: Soporte para el banco de aceite ............................................................ 108
Figura 51: Módulo de adquisición de datos ............................................................ 111
Figura 52: Vista frontal del banco de ensayos ........................................................ 112
Figura 53: Vista trasera del banco de ensayos ....................................................... 113
Figura 54: Esquema hidráulico del banco de ensayo de filtros de combustible ..... 125
Figura 55: Depósito principal de combustible ........................................................ 131
Figura 56: Funcionamiento de la bomba ................................................................ 133
Figura 57: Bomba peristáltica ................................................................................. 133
Figura 58: Válvula de regulación para el caudal principal .................................... 135
Figura 59: Válvula reguladora del caudal de fluido sucio y caudal de muestra .... 138
Figura 60: Válvula reguladora de presión .............................................................. 140
Figura 61: Depósito supletorio para fluido sucio y recogida de muestras ............. 142

v

Figura 62: Agitador y soporte ................................................................................. 144
Figura 63: Pérdidas de carga generadas por el caudalímetro ............................... 147
Figura 64: Caudalímetro para fluido sucio y muestra ............................................ 148
Figura 65: Caudalímetro de agua ........................................................................... 149
Figura 66: Sensor de temperatura ........................................................................... 151
Figura 67: Contador de partículas HYDAC CS 1000 Series .................................. 155
Figura 68: Pérdidas de carga originadas por el contador de partículas................ 156
Figura 69: Válvula on – off ...................................................................................... 158
Figura 70: Croquis del sistema de adaptación filtros Spin – On ............................ 159
Figura 71: Manómetro diferencial .......................................................................... 161
Figura 72: Manómetro de presión a la entrada del filtro y en el depósito ............. 162
Figura 73: Pérdidas de carga en función del caudal .............................................. 164
Figura 74: Eficiencia de filtrado del filtro de micronaje estrecho .......................... 164
Figura 75: Filtro de micronaje estrecho ................................................................. 165
Figura 76: Calentador eléctrico .............................................................................. 167
Figura 77: Intercambiador de calor de placas ........................................................ 169
Figura 78: Soporte para el banco de aceite ............................................................ 174
Figura 79: Módulo de adquisición de datos ............................................................ 179
Figura 80: Vista frontal del banco de ensayos ........................................................ 178
Figura 81: Vista trasera del banco de ensayos ....................................................... 179
Figura 82: Esquema parcial de la instalación del banco de aceite ........................ 195
Figura 83: Esquema parcial de la instalación del banco de combustible ............... 208

vi

Índice de tablas

Tabla 1: Relación Beta y eficiencia ........................................................................... 24
Tabla 2: Distribución del tamaño de partículas del azul de metileno ....................... 45
Tabla 3: Distribución del tamaño de partículas del cloruro de sodio ....................... 46
Tabla 4: Distribución del tamaño de las partículas .................................................. 56
Tabla 5: Composición química del ISO MTD............................................................ 56
Tabla 6: Precisión requerida de las mediciones........................................................ 57
Tabla 7: Asignación de los números de escala .......................................................... 86
Tabla 8: Limpieza del fluido necesaria para componentes lubricados típicos ......... 87
Tabla 9: Propiedades del aceite REPSOL TELEX E ............................................... 103
Tabla 10: Precios de los elementos de tuberías ....................................................... 116
Tabla 11: Propiedades del gasoil según la normativa ............................................ 121
Tabla 12: Distribución del tamaño de las partículas .............................................. 122
Tabla 13: Composición química del ISO MTD........................................................ 123
Tabla 14: Precisión requerida de las mediciones .................................................... 124
Tabla 15: Asignación de los números de escala ...................................................... 153
Tabla 16: Limpieza del fluido necesaria para componentes lubricados típicos ..... 154
Tabla 17: Propiedades de la gasolina REPSOL Efitec 95 ...................................... 170
Tabla 18: Propiedades del gasoil REPSOL Diesel e+ ............................................ 171
Tabla 19: Precios de los elementos de tuberías ....................................................... 182
Tabla 20: Tiempos de ensayo para los filtros de aceite ........................................... 191
Tabla 21: Pérdidas de carga en los elementos del banco ....................................... 198
Tabla 22: Tiempos de ensayo para los filtros de combustible ................................. 204
Tabla 23: Pérdidas de carga en los elementos del banco ....................................... 212

vii


Capítulo 1 – Memoria descriptiva

1.1.- INTRODUCCIÓN

1.1.1.- MOTIVACIÓN DEL PROYECTO

El siguiente proyecto consiste en realizar un diseño de una instalación que
permita realizar ensayos de los filtros más importantes de un automóvil. Esta
instalación tiene bastante importancia ya que los filtros de un automóvil son vitales
para el correcto funcionamiento del mismo. Por este motivo es necesario que se
realicen ensayos en profundidad para poder garantizar el correcto funcionamiento de
los distintos filtros durante toda su vida útil.

La empresa Millard Filters es una compañía que se dedica al diseño y
fabricación de filtros de aire, cabina, aceite y combustible, entre otros. El mercado al
que se destinan estos filtros está basado en la industria automotriz, y este es el
motivo por el cual el diseño del banco universal se realizará en base a los
requerimientos y las normativas vigentes actualmente para este sector.

Millard Filters es una empresa relativamente joven que intenta abrirse paso en
este mercado, el cual cuenta ya con una gran competencia entre distintos fabricantes,
entre los cuales se encuentran nombres de la importancia de Bosch o Mann Filters.
Para poder competir en este mercado necesita incorporar a sus instalaciones un banco
de ensayo universal para los filtros de un automóvil, el cual es el objetivo final de
este proyecto.

1


Con este banco de ensayos la empresa desea realizar varias tareas, tales como
realizar ensayos de los filtros que fabrica, realizar ensayos de los filtros de las
empresas de la competencia, para poder comparar productos, y realizar ensayos de
prototipos de nuevos filtros antes de lanzarlos al mercado. Millard quiere conocer,
entre otros aspectos, la eficiencia de filtración y la vida útil de los filtros que ensaya,
por lo que tanto el banco universal como los métodos de ensayo tienen que estar
preparados para proporcionar dichos parámetros.

La intención primera con la que la empresa ha propuesto este trabajo como
proyecto para alumnos de ICAI es la de instalar dicho banco universal de pruebas en
uno de los laboratorios de la universidad. De este modo, la universidad puede utilizar
la instalación para que los alumnos realicen prácticas de laboratorio y la empresa
Millard tiene la instalación que necesita disponible para realizar los ensayos que
considere oportunos. Así ambas partes salen beneficiadas. Aún así, la empresa
también considera la posibilidad de instalar el banco de ensayos en alguna de sus
fábricas para poder realizar las pruebas de calidad pertinentes según fabrican los
distintos filtros.

2


1.1.2.- OBJETIVOS

Los objetivos principales que tiene que cumplir este proyecto son los siguientes:

 Conocer las diferentes tecnologías de filtración empleadas en la actualidad así
como los distintos tipos de filtros existentes en el mercado en función del tipo
de fluido que se desea filtrar.

 Diseñar una serie de instalaciones hidráulicas que se utilicen para realizar
ensayos de los distintos tipos de filtros. Se deben realizar dos instalaciones
para dos fluidos diferentes: aceite y combustible (diesel o gasolina). Dichas
instalaciones tienen que permitir ensayar cualquier tamaño de filtro así como
medir la eficiencia y la vida útil de los filtros ensayados.

 Realizar estudios de mercado para conseguir que las instalaciones tengan un
coste bajo a la vez que realizan todas las funciones requeridas. Los diferentes
elementos que conforman las instalaciones se han seleccionado,
primeramente por requerimientos técnicos y, en segundo lugar, por coste.

3


1.1.3.- METODOLOGÍA

La metodología que se seguirá para la realización del proyecto es la siguiente:

 Primeramente se profundizará en el estudio de los diferentes filtros incluidos
en un automóvil para comprender su funcionamiento. También se estudiará la
normativa correspondiente a cada uno de los filtros para realizar las
instalaciones de tal forma que cumplan con los requisitos establecidos en
dichas normas. Aunque estos bancos no vayan a ser empleados para
homologar filtros, si se requiere que cumplan con la mayor parte de los
requisitos impuestos en la normativa, ya que los filtros que se ensayen serán
filtros homologados por los distintos fabricantes en base a dicha normativa, y
así los datos que se obtengan en los ensayos de los bancos a diseñar serán
comparables con los datos proporcionados por el fabricante del filtro que se
ensaye.

 Se realizará un diseño preliminar de la parte hidráulica de las instalaciones
para cada tipo de filtro, determinando los parámetros que se deben controlar
durante los ensayos y en qué puntos deben controlarse. Los parámetros
fundamentales que se desean medir son temperatura de operación, caudal que
circula por la instalación, presión diferencial en el filtro, la cual determinará
el final de la vida útil del filtro, y el número y tamaño de partículas que
contiene el fluido, lo cual permite conocer la eficiencia de filtrado para
distintos tamaños de partículas en base a lo establecido en la norma ISO
4406.

 Tras el diseño hidráulico se seleccionarán los diferentes componentes y
sensores por medio de los cuales se van a realizar las mediciones de los
distintos parámetros.

4


 Una vez realizado el diseño hidráulico y seleccionados los distintos
componentes, se procederá a realizar el diseño final de la instalación,
teniendo en cuenta las dimensiones reales de los aparatos que se van a
utilizar. Los bancos se han de colocar en emplazamientos del tipo de
laboratorios o fábricas, donde el espacio disponible es reducido, por lo que
las instalaciones deben ser de pequeñas dimensiones. También se situarán en
una estructura vertical, la cual reduce el área ocupada por la instalación
además de ser más accesible para la persona que se encargue de utilizarla.

 Tras la finalización del diseño de las diferentes instalaciones se procederá a
realizar un presupuesto detallado de los distintos bancos diseñados, así como
de la instalación completa, que es lo que finalmente desea realizar la empresa
Millard Filters.

5


1.1.4.- UBICACIÓN DEL BANCO DE ENSAYOS

El banco de ensayos que se va a diseñar se instalará en el laboratorio de
Máquinas de Fluidos y Motores Térmicos de la Escuela Técnica Superior de
Ingeniería ICAI (Universidad Pontificia Comillas), situada en la calle Alberto
Aguilera, 25, Madrid.

Plano de situación de ICAI.

Es importante destacar la ubicación final del banco de ensayos porque, para
que este funcione correctamente, se necesitarán ciertos recursos que están
disponibles en el mencionado laboratorio.

Principalmente se emplearán en el banco de ensayos las siguientes
instalaciones y recursos del laboratorio:

 Instalación de aire comprimido: 1000 m3/h a una presión máxima de 7 bar.
 Instalación de agua: 100 m3/h a una presión máxima de 10 bar.

6


1.2.- LA FILTRACIÓN

La filtración comenzó a mediados del siglo XIX como un proceso para
limpiar el agua que se consumía por parte de los habitantes de las ciudades. Los
primeros filtros constaban de un recipiente con pequeñas piedras y arena en el que se
echaba el agua, la cual se filtraba por gravedad.

Hoy día la filtración es un apartado fundamental en el funcionamiento de los
sistemas mecánicos, hidráulicos, neumáticos, etc. Con las tecnologías actuales de
fabricación es imprescindible controlar los diferentes elementos a escala
micrométrica, por lo que es necesario evitar que partículas de unas micras de tamaño
(10 – 200 µm) penetren en los sistemas porque pueden interferir en el
funcionamiento de los mismos.

Gracias al desarrollo cada vez mayor de la nanotecnología, actualmente se
están consiguiendo resultados estupendos en materia de filtración. Se han conseguido
filtros que prácticamente son capaces de limpiar los fluidos completamente (filtros de
micronaje estrecho o filtros de absorción).

7


1.2.1.- TECNOLOGÍAS DE FILTRACIÓN

Los dos modos de filtración en los que actualmente se basa el funcionamiento
de los filtros de un automóvil son la filtración superficial y la filtración de
profundidad. A continuación se describe el funcionamiento de estos dos modos de
filtración, así como los distintos mecanismos de retención de partículas en los que se
basan.

La base de un separador mecánico de partículas, también llamado filtro, es
situar una barrera atravesada en el flujo, el medio filtrante. Esto actúa como una
pantalla porosa permitiendo que las partículas que llegan pasen a través de las
aperturas que dan al elemento filtrante su porosidad, junto con el fluido que las
transporta. Aquellas partículas que son demasiado grandes para pasar son retenidas
en el medio.

La naturaleza del medio filtrante es crítica para el proceso de filtración.
Existen diez tipos de materiales que forman los medios filtrantes, pero de estos diez
solo uno no posee una estructura formada por fibras. El resto de los medios son
fibras o tienen un componente importante formado por una estructura fibrosa. Para
entender cómo funciona la filtración es necesario examinar la manera por la cual una
capa de fibras puede detener una partícula moviéndose hacia y a través de ella. El
proceso se ilustra en la figura 1, la cual muestra la sección transversal de una fibra en
un flujo de izquierda a derecha, el cual transporta algunas partículas en suspensión.

8


Impacto inercial

Fibra

Difusión
Intercepción directa
Fig. 1: Mecanismos de retención de partículas.

El primer punto a destacar es que cualquier partícula, en ausencia de cargas
eléctricas en la fibra o en la partícula, una vez se acercan lo suficiente a la fibra,
serán atraídas por esta, hasta que se produzca contacto, y entonces la partícula se
quedara fija. Las fuerzas de atracción son débiles (conocidas como fuerzas de Van
der Waals), pero son lo suficientemente fuertes con para retener la partícula en la
superficie de la fibra una vez esta se encuentra allí, independientemente del camino
por el cual la partícula llegó. La partícula debe estar muy cerca de la fibra para que
este proceso ocurra, pero una vez que la partícula ha sido atrapada, esta actúa como
una extensión de la fibra, y puede atrapar otras partículas.

De ello se deduce que, si el flujo de fluido es tal que la partícula entra en
contacto con la fibra, esta será capturada por la fibra; la partícula ha sido filtrada.
Otro punto a recordar es que el flujo dentro del medio está próximo a ser, si no lo es
ya, flujo laminar, de manera que el fluido que circula alrededor de los obstáculos
sigue las líneas de corriente mostradas en la figura 1. A menos que existan
perturbaciones, las partículas siguen dichas líneas de flujo a través de la capa de
fibras. Si la partícula es pequeña, seguirá las líneas de corriente y pasará la capa de
fibras sin ser capturada.

9


Como las líneas de corriente se desvían alrededor del obstáculo, las partículas
son arrastradas, y si estas se acercan a una distancia de la superficie de la fibra menor
que la mitad de su diámetro, como sucede en la partícula inferior de la figura 1,
entrará en contracto con la fibra y será atrapada. Este mecanismo de retención es
conocido como intercepción directa, y, por definición, debe darse en los flancos de la
fibra, no directamente delante de ella.

Cuando las líneas de corriente se desvían para pasar por la fibra, arrastran a
las partículas en suspensión que hay en ella. Sin embargo, una partícula grande (o
una partícula que se mueve rápido) tendrá demasiada inercia como para desviarse.
Esta partícula cruzara la línea de corriente y colisionará con la fibra, y será atrapada.
Este mecanismo se denomina impacto inercial, el cual se representa en la partícula
superior de la figura 1.

Otro grupo de partículas no siguen las líneas de corriente pero serpentean
alrededor, y las cruzan. Este comportamiento se denomina difusión y afecta
principalmente a partículas pequeñas. La partícula aparece fuera del patrón de líneas
de corriente, cerca de la superficie de la fibra, donde es atrapada. Este es el caso de la
partícula atrapada más pequeña mostrada en la figura 1.

Estos son los tres principales mecanismos por los cuales una partícula queda
atrapada en una capa de fibras, pero existen otros. Por ejemplo la partícula pequeña
que se encuentra a la izquierda en la figura 1 seguirá un camino alrededor de la fibra
que es difícil de determinar. Probablemente será llevada hacia la cara frontal, pero
antes de alcanzarla, se verá envuelta en el remolino de fluido que se forma justo
delante de la fibra. Esta partícula podrá salir de este remolino entrando en una línea
de corriente de derivación, o será atrapada en la superficie frontal de la fibra.

10


- Filtración superficial frente a filtración de profundidad.

Ya se ha indicado que un medio filtrante es una barrera porosa (o al
menos muy semipermeable) colocada a través de un flujo para contener una
parte o la totalidad del material suspendido. Si esta barrera es muy delgada en
comparación con el diámetro de as partículas filtradas más pequeñas, y
perforada con agujeros de igual tamaño, entonces toda la filtración tendrá
lugar en la superficie aguas arriba del medio. Cualquier partícula más
pequeña que el diámetro del poro atravesará el medio filtrante, y cualquier
partícula más grande que el diámetro del poro (asumiendo que las partículas
son rígidas) quedaría retenida en la superficie aguas arriba del medio filtrante.
Algunas de las partículas más grandes, sin embargo, pueden situarse sobre los
poros individualmente y bloquearlos. La superficie del medio iría
aumentando gradualmente el número de poros bloqueados, hasta que el flujo
de fluido se reduce por debajo de un nivel aceptable. En este punto la
filtración se detendría y la superficie del medio se cepilla o se raspa para
limpiarla (aunque en muchos filtros automáticos la superficie se limpia de
manera continua).

Este mecanismo de filtración se llama filtración superficial, porque
funciona exclusivamente en función del tamaño de las partículas y el tamaño
de los poros del medio filtrante. A menos que las partículas sean fácilmente
deformables, la filtración superficial separará los sólidos en suspensión que
tengan un tamaño mayor que el tamaño de los poros del medio filtrante. Este
mecanismo trabaja cribando las partículas por medio de una placa perforada o
de una malla de alambre tejido o de plástico con una precisión elevada.
También se aplica en los medios metálicos y cartuchos similares en los que
los “poros” están formados por ranuras que quedan entre los discos o las
hélices que forman el medio filtrante.

11


Los medios filtrantes no son infinitamente delgados, es decir, tienen
un fino grosor en la dirección del flujo de fluido. En este grosor se sitúan los
poros del medio que varían su diámetro a lo largo de la trayectoria del fluido.
Un segundo mecanismo, llamado filtración de profundidad, se aplica cuando
una partícula se mueve a través de los poros hasta que llega a un punto en el
que el poro es demasiado pequeño, y la partícula es retenida a causa de su
tamaño. El poro entonces se bloquea, y permanece así hasta que el medio
filtrante se colmate y no se pueda seguir utilizando. En este momento el
medio filtrante debe ser desechado o, preferiblemente, limpiado con un flujo
de fluido inverso al de funcionamiento que arrastre a los sólidos al exterior
del medio.

De la misma manera que las partículas pueden ser retenidas en una
capa de fibras debido a los procesos de adsorción descritos anteriormente, las
partículas finas que se desplazan a través de los caminos creados por los
poros irregulares pueden quedar atrapadas en la superficie de estos poros por
los mecanismos de intercepción directa o inercial o por el mecanismo de
difusión. Este proceso es conocido como filtración de profundidad, y se
muestra en la figura 2. El bloqueo del poro también se produce con este
mecanismo, como partículas que quedan atrapadas entre sí, aunque no se
produce un bloqueo absoluto del poro porque el líquido todavía puede fluir a
través de los espacios que quedan entre las partículas. Como antes, un medio
completamente obstruido tendría que ser desechado o limpiado por un flujo
inverso al de funcionamiento (también se podría limpiar químicamente).

12


Fig. 2: Filtración de profundidad.

En la práctica, los efectos de la filtración superficial y la filtración de
profundidad son igualmente efectivos – el medio se colapsa a causa de las
partículas atrapadas en los poros – y difíciles de diferenciar, así que ambos
mecanismos suelen agruparse juntos bajo el nombre de filtración de
profundidad.

Cuando las concentraciones de sólidos son más altas, como es el caso
de la mayoría de los procesos de separación, un mecanismo diferente se pone
en juego, el cual es el desarrollo de la filtración superficial. Ahora, a causa de
la elevada concentración de sólidos en suspensión, las partículas chocan entre
ellas a la entrada de cada poro y, después de un período muy corto en el que
algunas partículas pequeñas se escapan a través del poro, las partículas
tienden un puente cruzando la apertura del poro. Estos puentes de partículas
actúan entonces como el medio filtrante para permitir que las capas de
partículas queden retenidas aguas arriba de dichos puentes y que el flujo de
fluido pase a través de ellos para ser filtrado. La acumulación de partículas en
el medio filtrante forma una torta de sólidos separados, por lo que el
mecanismo se denomina filtración por torta, que produce filtración de
profundidad en el espesor de la torta y filtración superficial en la superficie de
la torta aguas arriba. Este mecanismo se ilustra en la figura 3.

13


Fig. 3: Filtración por torta.

La filtración por torta presenta problemas complicados porque la torta
puede ser más o menos compresible bajo la fuerza de la presión diferencial
que existe a lo largo de la torta. En algunos de los procesos que emplean la
filtración por torta – como la limpieza de gases de escape o el tratamiento de
algún líquido diluido en suspensión – la torta acumulada se separa de la
superficie por medio de un flujo de fluido inverso al de funcionamiento.

- Coalescencia.

La separación de líquidos que se encuentran en dispersión puede ser
difícil y costosa, dependiendo de las propiedades físicas de las dos fases
líquidas. La contaminación de líquidos en las industrias de petróleo, gas y
productos químicos, por ejemplo, puede hacer que los productos finales no
cumplan los requisitos necesarios, o puede causar la desactivación de los
catalizadores que se encuentren aguas abajo, la corrosión de instalaciones de
almacenamiento aguas abajo, y puede aumentar los costos de tratamiento de
aguas residuales.

14


El peso específico, la viscosidad y la tensión superficial de las dos
fases líquidas son parámetros importantes para determinar la facilidad con la
que los dos líquidos se pueden separar. Generalmente, los filtros coalescentes
convencionales comienzan a perder eficacia cuando la tensión superficial
alcanza un valor inferior a 20 dyn/cm. Una separación eficiente depende de
la compatibilidad de los líquidos con el medio coalescente. Un medio
coalescente bueno no tiene por qué ser compatible con ciertos líquidos, y un
medio compatible no es necesariamente un buen medio coalescente.

De una forma simple, los filtros coalescentes pueden ser descritos
como un tipo especial de separador diseñado para recoger gotitas de uno de
los fluidos, presentes en el fluido portador, y juntar estas gotitas en gotas
grandes que rápidamente se separan del fluido portador. Específicamente, se
utilizan para separar el agua de los aceites y de los combustibles, sobre todo
del diesel.

La manera por la cual se consigue esto es hacer pasar el aceite
contaminado con agua a través de una capa de fibras inorgánicas densa. Las
gotas de agua son interceptadas por las fibras. El aceite en las fibras se
estrecha por el desplazamiento y el efecto de arrastre viscoso, hasta que
finalmente se rompe la película de aceite y permite que las gotas de agua se
adhieran completamente a la fibra, con la película de aceite dispersa. Las
gotitas de agua son recogidas por las fibras, y se unen con otras, formando
corrientes a lo largo de las fibras.

Las gotas siguen creciendo hasta que las fuerzas de arrastre y la
gravedad llevan el agua retenida en el elemento filtrante hacia un sumidero.
En la práctica, es deseable una etapa de extracción final del agua, tal como
una malla fina localizada aguas abajo del filtro coalescente para recoger las
pequeñas gotitas de agua.

15


En la figura 4 se muestra un dibujo en corte de un filtro coalescente en
el que el aceite contaminado va hacia fuera a través de los agujeros en la
sección superior de la columna central, montado a través de la placa de
separación. El aceite fluye entonces desde el interior hacia el exterior del
cartucho de doble etapa. Las partículas son retenidas por un prefiltro
sintético, y el agua se separa del aceite dentro del elemento coalescente
inorgánico. El aceite filtrado pasa entonces a través de una malla metálica
recubierta de PTFE, que asegura la ausencia de agua residual libre. El aceite
limpio y seco finalmente fluye hacia arriba, hacia una salida en la parte
superior del filtro, mientras que el agua se une y forma gotitas
suficientemente grandes como para que caigan por gravedad a través de
aberturas en la placa de separación que está en el sumidero. El cartucho es
una unidad integral que consta de un prefiltro y de elementos coalescentes
encerrados en cilindros perforados para dar al filtro mayor rigidez.

Los prefiltros están hechos de un medio de fibra sintética
especialmente desarrollada, que es plegada, con los pliegues separados por
medio de espaciadores. La estructura proporciona una buena capacidad de
retención de suciedad, elimina la distorsión del elemento, y asegura que se
utilice toda el área del filtro para poder mantener el flujo máximo. Además de
eliminar las partículas de hasta 5 µm, el prefiltro protege el elemento filtrante
de cantidades excesivas de contaminantes. Esto es especialmente importante
en aplicaciones de filtración de combustible diesel, donde se puede bloquear
la tubería debido a óxidos, ceras, etc. O se podrían bloquear los poros finos
del elemento coalescente.

El elemento coalescente se compone de un cilindro de finas fibras
inorgánicas, prensadas a una densidad y profundidad predeterminada,
suficiente para asegurar una separación máxima de agua. El elemento
también está diseñado para mantener un flujo de velocidad relativamente baja

16


a través de su grosor para asegurar la eliminación eficiente del agua. Los
caudales que se pueden conseguir, a través de un cartucho con unas
dimensiones de 435 mm de largo por 216 mm de diámetro, son
aproximadamente 1400 l/h para el combustible diesel y 500 l/h para el aceite
lubricante.

Respiradero
Válvula de vapor
controlada por
Aceite limpio termostato
y seco
Entrada de vapor
Aliviadero Malla metálica
recubierta de
Entrada de PTFE
aceite sucio
Salida de aceite
calentado
sucio del calentador
Sensor Salida de vapor
de agua
Placa de Entrada de
separación aceite sucio
Válvula sin calentar
de drenaje Agujeros para sujeción

Fig. 4: Funcionamiento de un filtro coalescente.

Las aplicaciones típicas industriales para filtros coalescentes incluyen:

 Eliminación de la sosa cáustica incluida en los combustibles refinados.
 Separación de agua en varios aceites.
 Eliminación de agua y sosa cáustica en sistemas analizadores en línea.

17


 Separación de agua incluida en soluciones de peróxido de hidrógeno.
 Separación de peróxido de hidrógeno en soluciones que contienen
peróxido de hidrógeno.
 Eliminación de aminas de hidrocarburos.
 Eliminación de aceite en amoníaco.

Para prolongar la vida de un filtro coalescente, y para reducir la
concentración de partículas, a fin de cumplir con las especificaciones de los
fluidos, los contaminantes sólidos siempre deben ser eliminados con un
prefiltro. La eliminación de los sólidos también disminuye la estabilidad de la
emulsión líquido-líquido, haciendo que la separación líquido-líquido se
produzca de una manera más sencilla.

Generalmente, con filtros coalescentes, el coste global de la
eliminación de contaminantes puede ser bajo, incluso cuando se compara con
otros métodos menos eficientes, tales como secadores salinos, separadores
electrostáticos y filtros de arena.

Los filtros coalescentes también se puede utilizar para eliminar el agua
de aceites lubricantes, aceites hidráulicos, etc. siempre que éstos no
contengan ningún aditivo detergente. Los detergentes reducen la tensión
superficial e inhiben la formación de gotitas grandes en el filtro coalescente.

18


1.2.2.- PARÁMETROS DE LOS FILTROS

Los filtros se comparan de acuerdo a su capacidad de separar las partículas en
suspensión de un determinado tamaño de un fluido. Hay muchos métodos diferentes
en los que el rendimiento del proceso puede especificarse de esta manera, y la
información del rendimiento de un filtro debe asociarse siempre con el
correspondiente método de ensayo utilizado para determinarlo.

La finalidad de un filtro es separar partículas sólidas de una corriente de
fluido por completo, o al menos hasta un tamaño determinado. Aparte de la
preparación especial de los sólidos en suspensión para los ensayos, los sólidos en
suspensión en los fluidos reales tienen una amplia gama de tamaños y la eficiencia
real de separación de las partículas depende de la cantidad de sólidos que pueden
atravesar el filtro y de la energía necesaria para capturar el resto de las partículas (por
ejemplo el grosor del medio filtrante, el cual determina la energía consumida por el
filtro y, por lo tanto, una gran parte del coste de funcionamiento).

- Valores absolutos.

Dado que un filtro puede no ser capaz de separar todos los sólidos en
suspensión habrá, no obstante, un tamaño de partícula determinado por
encima del cuál ninguna partícula debe ser capaz de atravesar el filtro. El
punto de corte se refiere al diámetro, normalmente expresado en micras, de la
partícula más grande que puede pasar a través del filtro, aunque este no será
el tamaño de partícula más pequeño retenido por el filtro ya que las partículas
más pequeñas serán, probablemente, retenidas por los mecanismos de
adsorción explicados anteriormente.

19


Si el medio filtrante tiene un tamaño de poro uniforme y exacto,
entonces este punto de corte puede incluirse como un valor absoluto. Los
medios filtrantes reales, obviamente, no tienen una distribución uniforme de
los poros ni éstos tienen un tamaño exacto. Además los ensayos para
determinar las clasificaciones de los filtros se realizan normalmente con
partículas esféricas (porque es más fácil controlar su tamaño), mientras que
en condiciones reales las partículas en suspensión rara vez son esféricas.

La forma real de la partícula tiene un marcado efecto sobre la
eficiencia de un filtro. Partículas en forma de aguja o en forma de placa
pueden pasar a través de un poro de tamaño considerablemente menor que el
diámetro nominal de la partícula, como se muestra en la figura 5. La figura
muestra una partícula acicular, pero la ilustración podría fácilmente mostrar
una partícula de tipo placa que pasa a través de una ranura en un filtro
metálico. Este ejemplo muestra el cuidado que se debe tener en la selección
de un filtro de protección para asegurar que se consigue la protección
adecuada.

Tamaño
de poro
Partícula
cilíndrica

Fig. 5: Paso de una partícula acicular.

La posibilidad de una alineación de una partícula y un poro como se
muestra en la figura 5 es poco frecuente, pero si el daño potencial que puede
causar la partícula atravesando el filtro es importante, entonces se deben
tomar las medidas necesarias para evitar que esto ocurra. Con la filtración en
profundidad las posibilidades de paso de este tipo de partículas se minimizan.

20


Otro seguro contra este riesgo se logra mediante el uso de dos capas de medio
filtrante separadas y colocadas en serie, minimizando así la posibilidad de
que exista un poro continuo a través de ambas capas.

La aparición de grandes poros continuos también se reduce porque los
sistemas de filtración reales crean una torta de filtro, aunque muy delgada.
Estos sólidos disminuyen la permeabilidad del medio y aumentan la eficacia
de filtración. Esto explica por qué el rendimiento de un filtro a menudo puede
exceder su valor absoluto, que se corresponde con el valor absoluto de un
elemento limpio, y también por que las condiciones en las que se realizan las
pruebas de elementos idénticos pueden diferir ampliamente de las
condiciones de operación reales.

Algunos tipos de medios filtrantes, tales como papel, fieltro y tela
tejida, tienen un tamaño de poro variable, y por lo tanto no tienen un valor
absoluto. La efectividad de corte se determina principalmente por la
disposición aleatoria de los poros y el espesor del medio. El rendimiento
puede entonces ser descrito en términos de un valor nominal de corte.

Se puede argumentar que el valor absoluto no es, en la mayoría de los
casos, una descripción realista. Estrictamente hablando, un valor absoluto es,
como su nombre indica, absoluto, y ninguna partícula con un tamaño mayor
del valor asignado puede pasar a través del filtro. Esto limita el tipo de medio
que puede tener un valor absoluto a los de tamaño de poro constante, capaz
de retener 100% de las partículas. Es probable que el valor absoluto sea
mayor que un valor medio o nominal. Incluso con tamaños de poro
constantes, un valor absoluto no es realista si se basa en la dimensión más
pequeña de un poro no circular, como un poro con forma de cuadrado,
triángulo o rectángulo.

21


Pueden existir diferencias considerables entre el rendimiento real y las
clasificaciones citadas debido a las diferencias entre las condiciones de
servicio y las condiciones de la prueba. Las pruebas prácticas para establecer
los valores se llevan a cabo normalmente con altas concentraciones de
partículas suspendidas, que tenderán a dar una mayor eficiencia de filtrado
debido al efecto de la torta que se forma en el filtro. Muchas pruebas, de
hecho, pueden llevarse a cabo bajo condiciones en las que el filtro está casi
obstruido, mientras que, en la práctica, el filtro puede estar funcionando
durante largos períodos de tiempo con fluidos relativamente limpios y en un
estado de carga parcial, situación en la que su eficacia es mucho menor. Un
valor absoluto verdadero es necesario para poder predecir el rendimiento de
filtración bajo estas condiciones.

- Valor nominal.

Un valor nominal es un valor arbitrario para el rendimiento de un
filtro, determinado por el fabricante del filtro, y se expresa en términos de
porcentaje de retención de un contaminante especificado (perlas de vidrio
generalmente esféricas) de un tamaño dado. El valor nominal de un filtro se
representa por medio de las cifras de rendimiento en porcentaje. Las cifras
citadas son típicamente el nivel de 90, 95 o 98% de retención del tamaño de
partícula especificado. Muchos fabricantes de filtros utilizan estas pruebas,
pero la falta de uniformidad y reproducibilidad han causado que esta medida
esté en desuso.

Las variaciones pueden ser muy grandes. Por ejemplo, un elemento de
fieltro con una capacidad nominal de 30 µm permite pasar un 20 – 40% de las
partículas de este tamaño. Al mismo tiempo, también puede retener una
proporción significativa de partículas con un tamaño inferior a 30 µm. Esta

22


retención de partículas de tamaño inferior, por supuesto, depende del diseño
del elemento filtrante.

- Valor principal del filtro.

Un valor principal del filtro es una medida del tamaño medio de poro
de un elemento filtrante. Es mucho más significativo que un valor nominal y,
en el caso de elementos filtrantes con diferentes tamaños de poros, más
realistas que el valor absoluto. Se establece el tamaño de las partículas por
encima del cual el filtro comienza a ser eficaz, y es relativamente fácil de
determinar por medio de la prueba de punto de burbuja.

- Relación Beta.

La relación beta es un sistema de clasificación introducido con el
objetivo de dar tanto al fabricante del filtro como al usuario del mismo una
comparación precisa y representativa entre los diversos medios filtrantes. Es
la relación entre el número de partículas en suspensión por unidad de
volumen con un tamaño específico antes del filtro y después del filtro, y se
determina en un banco de pruebas que permite contar de forma precisa las
partículas de un tamaño determinado en ambas partes del filtro. La relación
beta es entonces:

donde βx es la relación beta para partículas mayores de x µm, Nu es el número
de partículas por unidad de volumen más grandes que x µm aguas arriba del
filtro, y Nd es el número de partículas por unidad de volumen más grandes
que x µm aguas abajo del filtro.

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De ello se deduce que cuanto mayor es el valor de la relación beta,
mayor es el número de partículas del tamaño especificado, o de mayor
tamaño, retenidas en el filtro. La eficacia del filtro en este tamaño de partícula
se puede determinar a partir de la relación beta:

La relación beta y la eficiencia correspondiente se ilustran en la tabla
1 en una prueba en la que se ensayó el filtro con 1 millón de partículas por
unidad de volumen aguas arriba del filtro (los números en la tabla 1 se
refieren, por supuesto, al mismo tamaño de partícula).

Nº de partículas
Relación Beta Eficiencia (%) aguas abajo

Tabla 1: Relación Beta y eficiencia.

- Permeabilidad del filtro.

La permeabilidad es la resistencia al flujo ofrecida por el filtro - por lo
tanto, una alta permeabilidad representa una baja resistencia y viceversa. La
permeabilidad se expresa generalmente en términos de un coeficiente de
permeabilidad, que es directamente proporcional al producto de la velocidad
del flujo, la viscosidad del fluido y el espesor medio del filtro, e inversamente

24


proporcional al producto de la superficie del filtro y la densidad del fluido, lo
que da el coeficiente de permeabilidad.

El comportamiento de la permeabilidad de un filtro se expresa mejor
por una serie de curvas que relacionan la caída de presión a través del medio
filtrante con el caudal del fluido a través de él. Las curvas de caída de presión
se puede configurar con respecto a:

 Tamaño del filtro (por ejemplo área de filtración).
 Temperatura del fluido.
 Tiempo de filtración (por ejemplo grado de contaminación del medio).

En la figura 6 se representa la variación de la caída de presión en
relación a la velocidad del flujo en función del tamaño superficial del filtro.
Para un caudal dado, un aumento de la superficie del filtro reduce la caída de
presión a través del filtro, porque la cantidad de fluido que fluye por unidad
de área de filtración disminuye (la caída de presión es inversamente
proporcional al área del filtro). Esto conduce a un método estándar para el
dimensionamiento de un filtro. Una combinación de la velocidad del flujo del
proceso requerido y una caída de presión aceptable conduce a la zona óptima
(aunque debe tenerse en cuenta que la caída de presión aumentará con el
tiempo conforme el medio filtrante se va obstruyendo).

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Incremento de
Caída de presión tamaño

Velocidad del fluido
Fig. 6: Curvas del tamaño superficial de un filtro.

Si el espesor medio se incrementa al mismo tiempo que área, entonces
se produce un conjunto diferente de curvas, dado que el medio también
impone una restricción en el flujo del fluido. Cada elemento filtrante, por lo
tanto, tiene su propia caída de presión específica – velocidad del flujo,
dependiendo de su área, espesor y permeabilidad.

La temperatura de funcionamiento del fluido afectará a la caída de
presión a través del filtro, ya que la viscosidad del fluido va a cambiar. Un
fluido menos viscoso experimentará menos resistencia a fluir a través del
medio, y así provocará una menor caída de presión. Como resultado, la caída
de presión es inversamente proporcional a la temperatura. Una disminución
de la temperatura provoca un aumento de la caída de presión, como se
muestra en la figura 7. Una serie de curvas de caída de presión frente a la
velocidad del caudal a diferentes temperaturas establecen las características
de un filtro en su rango de temperatura de trabajo (hay que señalar que el
efecto de la temperatura es mucho más pronunciado para los líquidos que
para los gases).

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Disminución
temperatura

Caída de presión
Aumento
temperatura
Velocidad del fluido
Fig. 7: Efectos del cambio de temperatura.

Una variación en la velocidad del fluido no es el único efecto
potencial del cambio de temperatura. A bajas temperaturas, el agua contenida
en el aceite puede congelarse, causando la obstrucción o al menos la
obstrucción parcial del filtro, y un aumento anormal de la caída de presión.
Un efecto similar se produce con ceras disueltas en un aceite. Estos son los
cambios que deben ser controlados en un avión volando muy alto, o un barco
que navega en las aguas polares, situaciones en las que las temperaturas
extremadamente bajas pueden provocar la congelación del agua.

El efecto de una filtración prolongada es una acumulación de los
sólidos recogidos sobre o en el medio filtrante, reduciendo así la
permeabilidad (y aumentando la resistencia al paso del flujo) en proporción
directa a la cantidad de sólidos acumulados, como se muestra en la figura 8,
que muestra otro conjunto de curvas para un filtro determinado.

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Mismo fluido
Incremento
Misma temperatura
Caída de presión de tamaño

Tiempo
Fig. 8: Efecto de la acumulación de sólidos.

Las características expresadas en la figura 8 no son particularmente
útiles, debido a que un filtro se dimensiona para un caudal de diseño, y esta
figura representa una evolución en condiciones de trabajo. Es más bien
informativa para trazar la caída de presión a través del filtro a medida que
aumenta el tiempo de filtración, para producir una sola curva, como se
muestra en la figura 9. El hecho de que este aumento sea causado por una
acumulación de contaminantes es sólo una causa, y no un efecto, aunque la
carga de contaminantes retenidos por un filtro durante su ciclo de trabajo
puede ser significativo, ya que puede dictar la elección del tipo y del tamaño
del elemento filtrante.

Mismo fluido
Misma temperatura
Caída de presión

Rango de presión
diferencial de trabajo

Tiempo
Fig. 9: Caída de presión frente a tiempo de proceso.

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La forma de la curva de la figura 9 es muy típica: un aumento inicial
bastante fuerte, seguido de una sección de crecimiento prolongado lineal, que
luego se curva hacia arriba en un aumento mucho más pronunciado. El punto
en el que este aumento es más pronunciado es el tiempo a partir del cual
comienza a obstruirse el filtro – la eficiencia seguirá aumentando con la caída
de presión, pero el costo de operación se vuelve demasiado alto, y el
elemento debe ser limpiado o cambiado.

El aumento de la caída de presión puede ser utilizado para indicar la
necesidad de cambiar el filtro, o puede determinar el cambio entre un filtro
operativo y su unidad de reserva en una carcasa que contenga dos elementos
filtrantes diferentes.

29


1.2.3.- TIPOS DE FILTROS EN AUTOMOCIÓN

Los filtros empleados en la industria automotriz se utilizan en la limpieza de
los fluidos más importantes para el funcionamiento de un vehículo, como son el aire
que aspira el motor, el aceite que se encarga de la lubricación de los sistemas
mecánicos y el combustible que emplea para su funcionamiento. También se
emplean filtros en la limpieza del aire de la cabina por razones de salud para los
ocupantes del vehículo.

Los filtros más importantes que se pueden encontrar en un vehículo son los
siguientes:

 Filtro de aceite del motor

Este filtro es el encargado de retener todas las pequeñas partículas que
se pueden generar por fricciones entre los elementos mecánicos (partículas
metálicas) o aquellas que provengan de la cámara de combustión o del resto
del circuito de engrase (partículas de polvo, restos de combustible, etcétera).

Es importante que un motor tenga una lubricación correcta que
disminuya al máximo el coeficiente de rozamiento entre las partes móviles,
para así evitar desgastes prematuros o incluso roturas de dichas partes del
motor.

Los filtros de aceite que actualmente son los más importantes en el
mercado son los siguientes:

o Filtros de aceite tipo Spin – On: En estos filtros el cuerpo y el
elemento filtrante están fijos y no pueden separarse, es decir, cuando

30


el filtro alcanza el final de su vida útil se debe reemplazar
completamente, mientras que en los filtros tipo ECO solo es necesario
reemplazar el elemento filtrante. Esto mejora la estanqueidad del filtro
y favorece la separación entre el fluido limpio y el sucio, pero se eleva
el coste de mantenimiento. Para conseguir una buena estanqueidad
también incorporan, generalmente, una junta sujeta por un muelle a la
entrada del fluido sucio.

Fig. 10: Componentes de un filtro tipo Spin – On.

El funcionamiento de un filtro de aceite tipo Spin – On se
describe en la figura 11.

31


Fig. 11: Funcionamiento filtro Spin – On.

o Filtros de aceite tipo ECO: Estos filtros están compuestos por un
elemento filtrante, como una malla metálica (en desuso) o un papel
filtrante, y una carcasa metálica, el cual contiene al elemento filtrante.
En estos filtros, ambas partes no son fijas entre sí, sino que son
desmontables, pudiendo intercambiarse solo el elemento filtrante
cuando este obture alcanzando el final de su vida útil. De aquí
proviene el nombre de ECO ya que se consideran ecológicos por
reducir los residuos no reciclables que se generan en el cambio de un
filtro tipo Spin – On, como las partes metálicas del mismo, que no se
pueden reutilizar.

Las ventajas principales de este tipo de filtros frente a los
filtros tipo Spin - On son el bajo coste de mantenimiento, ya que se
puede intercambiar únicamente el elemento filtrante sin reemplazar el
filtro completo, y el beneficio con el medio ambiente, ya que la parte
desechable está formada únicamente por papel y pegamento, los
cuales son reciclables.

32


Fig. 12: Elemento filtrante intercambiable.

 Filtro de gasolina

La función principal de este filtro es retener las partículas que se
introduzcan con el propio combustible. Dichas partículas pueden provenir de
la obtención del combustible, de los tanques en los que se introduce para su
transporte, o de los depósitos en los que se almacena para su distribución, o
pueden provenir de la oxidación del depósito del propio vehículo si se diese.
Si estas partículas no se eliminan del combustible, pueden causar
obturaciones y roturas de los elementos que componen el sistema de
alimentación del motor.

Los filtros de gasolina pueden ser también filtros coalescentes, es
decir, filtros que además de separar las partículas sólidas suspendidas en el
fluido también separan el agua que se encuentra en éste.

o Filtros In Line: Son filtros que se conectan directamente en el
circuito de alimentación del motor, de tal forma que en una base está

33


la entrada del combustible y en la otra base se encuentra la salida del
mismo, tal y como se aprecia en la figura 13. Son característicos de
los vehículos carburados.

Fig. 13: Filtro de gasolina tipo In Line.

o Filtros DLF: Estos filtros son similares a los filtros Spin – On de
aceite, en el sentido en que las piezas que lo componen son similares
y su sistema de instalación en el circuito de alimentación es también
por medio de una rosca. Las diferencias con los filtros tipo In Line
son el modo de instalación en el circuito de alimentación y el sistema
que proporciona la estanqueidad entre el fluido sucio y limpio, que en
los filtros Spin – On está formado por juntas tóricas y en los filtros In
Line simplemente se pega el papel filtrante a la carcasa metálica.

34


Fig. 14: Filtro de gasolina tipo DLF.

El funcionamiento de este tipo de filtros se describe en la figura 15
que se muestra a continuación.

Fig. 15: Funcionamiento de un filtro tipo DLF.

35


 Filtro de gasoil

El filtro de gasoil tiene la función de retener las partículas sólidas, al
igual que el filtro de gasolina. Sin embargo, en el filtro de gasoil es
fundamental la eliminación de agua, por lo que prácticamente la totalidad de
los filtros de gasoil son filtros coalescentes, como el de la Figura 16.

Fig. 16: Filtro de gasoil coalescente.

El gasoil tiene unas propiedades lubricantes excelentes, las cuales
ayudan al correcto funcionamiento de los sistemas de inyección, ya que
mejora la circulación del fluido por los conductos tan estrechos que
componen dicho sistema. Si el gasoil contiene un pequeño porcentaje de
agua, disuelta o no, pierde gran parte de las propiedades lubricantes que
poseía, lo que puede originar fallos en el funcionamiento de la alimentación
del motor. Además el agua en el combustible puede provocar corrosión en los
elementos que componen la inyección, así como la formación de
microorganismos y bacterias en el depósito que provoquen la aparición de
lodos o de ácido sulfúrico.

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 Filtro de aire de aspiración

Este filtro se encarga de retener las partículas y el polvo que se
encuentra suspendido en el aire que aspira el motor y que proviene del
ambiente. Si este filtro no funciona correctamente, entrarán partículas de
polvo al cilindro y puede ocurrir que se estropeen los componentes más
importantes del motor, por ejemplo, se puede rayar la camisa de un cilindro,
comprometiendo la estanqueidad del mismo durante su funcionamiento.
También pueden originar pérdidas de potencia y de rendimiento en el motor.

Existen filtros de aire de aspiración de diversas formas, aunque los
más comunes son los filtros rectangulares y los filtros cilíndricos. Los
rectangulares suelen ir alojados en una caja de plástico mientras que los
cilíndricos suelen estar expuestos directamente al ambiente.

Fig. 17: Filtros de aire de admisión

Los filtros rectangulares son los más empleados en automoción en la
actualidad. Por otro lado, los filtros cilíndricos son más comunes en los
motores cuya alimentación se produzca por medio de un carburador, por lo
que eran los más utilizados antiguamente y, hoy día, son más comunes en los
motores de motocicletas.

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En la figura 18 se describen las diferentes partes de un filtro de aire de
admisión y se muestra como se produce la retención de las partículas.

Fig. 18: Partes de un filtro de aire.

 Filtro de aire de la cabina

La función de este filtro es eliminar las partículas de polvo y los
posibles elementos alérgenos que puedan estar mezclados con el aire
ambiente, proporcionando así a los ocupantes del vehículo un aire más limpio
para respirar. También se encarga de neutralizar los elementos químicos
nocivos que se encuentran en el ambiente, como los óxidos de nitrógeno o
azufre.

El elemento filtrante mantiene una carga electrostática, lo que
significa que se fabrica con partículas que han sido tratadas con una carga
eléctrica estática positiva o negativa. Las partículas en el ambiente tienen

38


cargas negativas o positivas, así que son atraídas por las partículas filtrantes
con cargas opuestas. Además, el filtro realiza una filtración mecánica, es
decir, el elemento filtrante con poros de un tamaño específico atrapa las
partículas más grandes.

La capa de carbón elimina los olores. El carbón está "activado", lo que
quiere decir que está tratado con productos químicos y calor para darle
características específicas que controlan los olores (odor - control). El carbón
activado atrapa los gases que producen olores por adsorción (no absorción),
manteniéndolos en la superficie del material. Debido a que el carbón activado
es poroso, cada poro tiene una superficie expuesta, así que el filtro tiene una
capacidad muy alta para atrapar gases nocivos.

Fig. 19: Filtro de aire de cabina con carbón activado.

39


1.2.4.- MÉTODOS DE ENSAYO DE FILTROS

Existen diversos métodos de ensayo para evaluar los parámetros de
funcionamiento más importantes de los filtros, como son la eficiencia de filtrado y la
vida útil. Éstos son los parámetros que son objeto de control en este proyecto. A
continuación se describen algunos ensayos que permiten determinar dichos
parámetros del proceso de filtración.

- Ensayo Single – pass.

Como su nombre implica, el ensayo Single – pass consiste en
alimentar a un filtro con un flujo constante que contenga partículas en
suspensión, pero sin reciclar el fluido filtrado, como se ilustra en la figura 20.

Contaminante

Filtro
Ensayado

Fig. 20: Esquema del ensayo Single – pass.

El fluido filtrado se recoge en un depósito separado, y los sólidos
atrapados en el filtro bajo ensayo se van acumulando, con su correspondiente
aumento en la presión diferencial a través del filtro. Se recogen muestras

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simultáneas del fluido de alimentación y del fluido filtrado y se hacen
recuentos de partículas obtenidos como con el ensayo Multi – pass,
obteniéndose la relación beta y la eficiencia de la filtración del filtro
ensayado.

En el ensayo Single – pass el filtro ensayado se alimenta con una
composición de contaminante que no cambia, lo que se asemeja a la mayoría
de los procesos de filtración, que tienen una alimentación relativamente
inalterada durante el funcionamiento. En esta prueba, los cambios en el
rendimiento del filtro son reflejados por los cambios en las condiciones del
fluido aguas abajo. Es posible, con esta prueba, mostrar con mayor facilidad
el efecto de las variables importantes que afectan al rendimiento del filtro.
Una de ellas es la capacidad de un elemento filtrante para retener suficientes
contaminantes sólidos sin que se produzca una caída de presión demasiado
elevada – la capacidad de retención de un elemento filtrante se determina
fácilmente en un ensayo Single – pass.

- Ensayo de capacidad de retención de suciedad.

Ya se ha mencionado que el ensayo Single – pass es capaz de
determinar la capacidad del medio filtrante para mantener la suciedad
acumulada sobre o dentro del propio medio. Una instalación bastante más
complicada para este fin se muestra en la figura 21, que puede ser usado para
determinar la vida útil del elemento filtrante, en términos de la caída de
presión máxima aceptable a través del elemento, como se determina por la
cantidad de sólidos acumulados en o sobre él. En el sistema mostrado en la
figura 21, un flujo continuo con partículas en suspensión se mantiene a través
del elemento de ensayo. Una cantidad especificada de contaminante se añade
al flujo aguas arriba del filtro a intervalos regulares de tiempo, y la presión
diferencial a través del elemento se registra, por lo que se puede obtener un

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gráfico de contaminante añadido frente a la caída de presión. Será posible
especificar la caída de presión máxima que sea aceptable a través del
elemento (en términos de fluido de bombeo de energía), y por lo tanto la
acumulación máxima permitida de sólidos – y por lo tanto el tiempo entre
cambios de los elementos filtrantes.

Intercambiador de calor

Filtro de alta
limpieza

Depósito Manómetro Manómetro
de entrada de salida

Manómetro
diferencial
Aliviadero

Bomba Caudalímetro

Unidad
Piezómetro ensayada
Filtro de alta
limpieza Sistema de inyección Pirómetro
A 15 x diámetro tubo de suciedad
B 4 x diámetro tubo

Fig. 21: Instalación para ensayo de capacidad de retención de suciedad.

En la misma, o una instalación similar, a la de la figura 21, pero sin la
adición de contaminantes sólidos, el líquido limpio se hace circular a
velocidades de flujo medidas y temperaturas controladas. Se puede extraer
entonces un diagrama de la caída de presión en el elemento filtrante frente al
caudal de fluido limpio. Esto se puede hacer primero en ausencia del
elemento filtrante, para determinar la resistencia de la carcasa del filtro por
separado, y después se determina la resistencia del elemento y la carcasa
combinados. Para comprobar la caída de presión solo en el elemento filtrante

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puede darse el caso de que la caída de presión a través del elemento y la
carcasa juntos no sea la suma exacta de las dos caídas de presiones de cada
elemento por separado por lo que no se podría determinar con exactitud.

La continuación de la prueba de caída de presión, ahora utilizando un
fluido contaminado, a la velocidad de flujo que luego tendrá el filtro en las
condiciones de operación, permitirá que la presión diferencial suba (dada una
bomba capaz de lograr los diferenciales de presión necesarios) hasta el punto
donde el elemento alcance la presión diferencial de fallo o colapso.

- Ensayos de filtros de aire.

Todos los ensayos de los filtros que funcionan con sustancias gaseosas
tienen el formato del ensayo Single – pass, pero los métodos son muy
diferentes, al igual que los tipos de partículas utilizados en el ensayo y los
medios de análisis para demostrar el rendimiento del filtro. Los materiales
utilizados incluyen arena natural o arena con mezcla de cuarzo, polvo de
aluminio, aerosoles de azul de metileno, etc. En la normas ISO 5011 se
especifica una mezcla de arena de cuarzo para la valoración de los filtros de
aire para motores de combustión interna y compresores.

Los polvos de aluminio, tales como Aloxite 50 y 225, se especifican
para las pruebas de filtros de ventilación en la norma BS EN 779. Las
distribuciones del tamaño de las partículas de estos dos polvos se muestran en
la figura 22. En ella se muestra el porcentaje de partículas de la muestra que
tienen un tamaño igual o inferior al correspondiente en el gráfico.

Un aerosol de colorante azul de metileno se usa principalmente para la
prueba de los filtros de baja penetración. Las partículas son extremadamente
finas, con un tamaño promedio de alrededor de 0,5 µm, y sin partículas con

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