DISEÑO MECÁNICO DE FAJAS TRANSPORTADORAS (PRIMERA PARTE)

Los transportadores de gusano tienen el plus de garantizar la homogeneidad del producto desplazado, además de dosificarlo y/o modificar sus condiciones de humedad y temperatura (en procesos de secado por ejemplo); los elevadores de cangilones pueden gozar de esta última ventaja aunque en mucho menor medida y ya de ambos nos hemos ocupado en los artículos previos. Pero ninguno de estos dos sistemas superaría la principal fortaleza del que se discutirá en esta ocasión, y me refiero a los trasportadores de faja, los cuales pueden desplazar los productos a grandes distancias con significativos ahorros de costo y menor contaminación ambiental respecto de otros sistemas o medios de transporte. Es por todo ello el medio más empleado por las industrias, minería y agroindustria principalmente. Por sólo citar un ejemplo tenemos la faja transportadora subterránea que emplea UNACEM (ex “Cementos Lima”) que fue construida hace más de 10 años, la cual cubre una distancia de 8,2 Km entre la planta y un muelle marino construido por la misma empresa. Este video nos da algunas precisiones sobre dicho proyecto:

Los transportadores de fajas se clasifican en dos tipos básicos:

1) DE FAJAS PLANAS, en los cuales, como se comprenderá, la faja debe mantenerse plana a lo largo de toda su trayectoria. Los materiales a transportarse han de tener un ángulo grande de reposo (superior a los 45°), pero preferentemente este ha de colocarse en unidades de embalaje. Comercialmente estas fajas están disponibles en anchos que van de 14 a 72 pulgadas (o aproximadamente 2 m).

2) DE FAJAS ABARQUILLADAS, que formarán un canal debido al peso del material transportado a lo largo de su trayectoria. A la inversa de los de “faja plana” no tendrán la limitación del ángulo de reposo ni del tamaño del material transportado a granel pero presenta muchos inconvenientes para el transporte de material embalado. Estas fajas también están disponibles en anchos de 14 a 72 pulgadas.

Nosotros haremos énfasis en los transportadores del segundo tipo al ser los de mayor envergadura a nivel de industria y minería.

Las fajas abarquilladas “estándar”, fabricadas de lona y caucho, comercialmente están disponibles en 28, 32, 36 y 42 onzas y excepcionalmente en 48 onzas, con recubrimientos de 1/8” a ½”. Existen fajas abarquilladas especiales que pueden ser “de gran resistencia” (lona reforzada con cuerdas de nylon), “resistentes a ácidos y aceites” (reforzadas con neopreno) y las “resistentes al calor” (refuerzo de fibra de vidrio) que pueden soportar temperaturas de hasta 200°C.

Fajas Estándar

Fajas Especiales



Los rodillos son de dos tipos: de avance y de retorno, se fabrican de fierro fundido o acero, con recubrimiento de goma o neopreno para evitar el desgaste por impacto, con este mismo propósito deben estar correctamente balanceados estática y dinámicamente. Los rodillos comercialmente son también “estándar” para la mayoría de aplicaciones pero también los hay “especiales” o autoalineantes (con topes) para evitar el desplazamiento lateral de la faja. Los diámetros que se pueden encontrar en nuestro medio son 4, 5, 6, 7 y 8 pulgadas.

Rodillos de Avance

Las poleas o tambores se clasifican de la siguiente manera:

- Polea de Cabeza (Abad Pulley).

- Polea de Cola (Tail Pulley)

- Polea Loca (Dier Pulley)

- Polea Tensora ( Take-Up Pulley)

- Polea Motríz ( Driven Pulley)

- Polea Deflectora ( Bend Pulley)

- Polea de Contacto (Snub Pulley)

- Polea Magnética ( Magnetic Pulley) 

Las poleas magnéticas se utilizan para extraer partículas que pudieran haber quedado adosadas a la banda o faja (obviamente tratándose de materiales metálicos). La polea Motriz es generalmente la de Cabeza. La longitud de las poleas será mayor en 2" al ancho de la faja para anchos de 14" a 42"  y 3" en caso de exceder las 42".

Continuaremos con toda la información técnica y también con los criterios fundamentales para el diseño de estos equipos este mes del nuevo año que comienza. Gracias una vez más por acompañarnos. Bienvenidos los comentarios, las sugerencias y también quienes tengan algo por compartir o se encuentren ejecutando algún proyecto en particular, sean bienvenidos a nuestra página de discusión de facebook y también vía este mismo blog. Un fraternal saludo para todos los lectores.

DISEÑO DE ELEVADORES DE CANGILONES (TERCERA PARTE)

El articulo anterior estuvo limitado al manejo de un catálogo de selección. Esta vez estamos desarrollando un modelo de cálculo completo para el diseño de estos equipos industriales. Los catálogos comerciales nos brindan información importante, incluso nos dan ya las dimensiones finales, aunque no se nos especifique a detalle la ingeniería general, pero se da el caso que no deseamos adquirir sino diseñar un equipo completo. Es allí donde apelaremos a las expresiones que a continuación pasaré a resumir.

Una vez conocido el flujo volumétrico , que en el artículo anterior definimos en pies cúbicos por hora, podemos trabajar en unidades métricas o inglesas, según el catálogo que usemos como referencia pasaremos a estimar la velocidad de trabajo así como las dimensionado de los tambores, así tenemos lo siguiente:

Una vez que se ha estimado la Longitud requerida de faja "L" se calculará el número de cangilones para lo cual nuevamente nos han de ayudar los catálogos comerciales donde podemos ver dimensiones de cangilones estándar (los cangilones tipo "A" del catálogo Link-Belt , por citar un ejemplo).
Para evitar la deformación de los cangilones al pasar alrededor de la polea y para evitar el sobre estiramiento, tanto los cangilones como la faja deben espaciarse de 3 a 4 veces la proyección de un cangilón (el seleccionado). Es decir, que el paso de los cangilones lo obtendremos al multiplicar la "proyección" por un número entre 3 y 4 (3,5). La proyección se obtiene del catálogo empleado.
El número total de cangilones se estimará así entonces:

   # de cangilones = Longitud de la faja / Paso de los cangilones

Ahora pasaremos a calcular la potencia de accionamiento a partir de las tensiones en la faja para lo cual emplearemos:

La potencia requerida para el motor se obtiene, tal como se indicó a partir de estas tensiones:

Potencia de accionamiento = ( T1  - T2 ) x Vtrabajo / n

Siendo "n" la eficiencia del motorreductor empleado, que también se encontrará en catálogos comerciales y suele estar alrededor del 90 a 95%.

DISEÑO MECÁNICO DE ELEVADORES DE CANGILONES (SEGUNDA PARTE)

El punto de partida en el diseño de elevadores de cangilones es  la selección del tipo de dispositivo, el cual obviamente dependerá del tipo de material que ha de manipularse así como del flujo volumétrico del mismo. Para ayudarnos en esta labor podemos auxiliarnos de tablas y nomogramas que suministran los fabricantes como es el caso de LINK-BELT, los cuales en gran parte emplearemos en el desarrollo del presente artículo.

LINK-BELT clasifica numéricamente a los elevadores, siendo los centrífugos del tipo 1, mientras que los continuos son del tipo 7. De ambos tipos ya hemos hablado en el artículo anterior.

Los datos básicos con los que debemos contar serán (empleando unidades inglesas):

1. Tipo de material
2. Peso específico del mismo (en libras por pie cúbico)
3. Capacidad de producción (en toneladas por hora).
4. Tamaño máximo de partículas de material (pulgadas)
5. Distancia entre ejes (pies).
6. Horas de servicio al día.

Seguidamente se determinará la capacidad volumétrica en pies cúbicos por hora de la siguiente forma:

CAPACIDAD VOLUMÉTRICA = (Toneladas por hora)*2000/Peso específico de material

A continuación se seleccionará el tipo de elevador (1 ó 7) según la tabla 1 que hemos fijado en nuestra página de Facebook.  Para los casos donde ambos sean recomendables, hemos de optar con la alternativa de mayor capacidad volumétrica, refiriéndonos a las tablas 2A, 2B  ó 2C.

Estas mismas tablas nos indicarán el número de elevador con las dimensiones que tendrán los cangilones, características de las cadenas de transmisión y las catalinas, así como diámetros de ejes y rpm recomendado.

Continuaremos ampliando todos estos detalles en el próximo artículo.

DISEÑO MECÁNICO DE ELEVADORES DE CANGILONES

El siguiente dispositivo transportador de interés para la serie que hemos iniciado hace algunos meses es el famoso elevador de cangilones o capachos cuyas aplicaciones cubren también un amplio rango en la industria de diferentes rubros, siendo por ello muy importante para los diseñadores mecánicos el conocer a detalle los pormenores de su mecanismo y también de los aspectos estructurales involucrados.

 

 Estos transportadores tienen una clasificación básica; pueden ser continuos o centrífugos, los cuales si bien son esencialmente lo mismo, van a ofrecer diferentes ventajas según la aplicación que se desee.

 

Elevadores centrífugos de cangilones

 

El elevador de estilo centrífugo tiene la capacidad de mover grandes cantidades de material rápidamente, y funciona muy bien para materiales duraderos y abrasivos como arena, grava y otros materiales a granel que fluyen libremente. El ascensor de estilo centrífugo empieza por extraer material de la sección de arranque o de entrada; esta acción requiere un cangilón resistente. Debido a la alta velocidad de operación; este elevador genera fuerza centrífuga en la polea principal. Esta fuerza expulsa el material del cubo y hacia el conducto de descarga como se muestra en la figura. Las acciones de lanzamiento y excavación de este diseño corren el riesgo de dañar material frágil, por lo que este estilo no se recomienda cuando se manipulan materiales más delicados. Los elevadores de estilo centrífugo están disponibles en el cinturón o en la cadena. El elevador mostrado en la figura está configurado con cangilones de estilo AC montadas en un sistema de transmisión por correa. Debido al estiramiento de la correa ya la fuerza de la cadena, ambos sistemas tienen algunas restricciones cuando alcanza grandes alturas.
 

 

Elevadores continuos de cangilones

 

 

 Por el contrario, el elevador continuo está diseñado para funcionar a una velocidad más lenta para eliminar la acción de lanzamiento, y por lo tanto es más adecuado para una manipulación suave del material. En un elevador de estilo continuo, los cangilones están diseñados específicamente para actuar como parte del conducto de descarga cuando se invierten, como se muestra en la figura. El material se vierte del cangilón y se desliza por éste invertido por delante en el canal de descarga. Aunque los cangilones recojan parte del material del fondo, este elevador está diseñado con una entrada de alimentación más alta para permitir que la mayor parte del material fluya directamente en los cangilones. En síntesis, el diseño de este elevador reduce en gran medida el daño y degradación de materiales más frágiles y desmenuzables. Además, este diseño es beneficioso cuando el producto es ligero y / o esponjoso y necesita evitar la aireación. El diseño del elevador representado en la figura está configurado con el frontal medio montado en un sistema de transmisión por correa.

 

Continuaremos con lo concerniente al diseño formal de estos dispositivos el mes que viene. Muchas gracias por estar con nosotros, amigos lectores.

DISEÑO MECÁNICO DE TRANSPORTADORES DE TORNILLO SIN FIN (TÓPICOS DE MANUFACTURA)

Para cerrar con broche de oro la serie dedicada al diseño mecánico transportadores de tornillo, dedicaremos un artículo especial a los procesos de fabricación de estos dispositivos cuyo punto de partida es el desarrollo plano de los pasos del tornillo el cual se efectúa sobre planchas gruesas LAC (acero A-36), acero inoxidable AISI 304 o el tipo de acero que se haya seleccionado para el particular. Los siguientes esquemas muestran los parámetros que nos servirán en lo sucesivo como referencia:

 

 



 Cada paso del tornillo, como se indicó, empieza sobre una placa plana de acero la cual es recortada y plegada según las formas mostradas:

 



El dimensionado se hará del modo siguiente:

 

Donde la anchura H = (D - d )/2, siendo "D" y "d" los diámetros de tornillo y eje respectivamente. Las longitudes de arco interior (I) e interior (L) se calculan a partir de las expresiones mostradas debajo:

Para el desarrollo del Radio de vuelo (R) utilizaremos este diagrama:

 

 Siendo  Tan Ф = L / I  además : r = R - H

El radio R se calcula así:  R = L x H / (L - I)

 y el ángulo de corte radial (en grados sexagesimales):   ϴ = 360° - Δ

siendo : Δ = (L x 360°)/2πR  

Las planchas cortadas y plegadas son unidas y soldadas a tope entre sí. La fase más delicada es la del montaje del gusano sobre el eje, la cual se hará con ayuda de un aparejo o tecle. Aquí se detallan gráficamente los pasos a seguir en este caso:

 
Puede verse aquí un detalle de las juntas de soldadura:

 

Cualquier persona interesada en un proyecto particular puede contactarse conmigo vía este mismo blog o nuestra página de discusión en Facebook. Muchas gracias por la atención brindada. Nos estaremos viendo con nuevos tópicos para los siguientes meses. 

 

 

 

 

DISEÑO MECÁNICO DE TRANSPORTADORES DE TORNILLO SIN FIN (TERCERA PARTE)

DISEÑO MECÁNICO DE TRANSPORTADORES DE TORNILLO SIN FIN (SEGUNDA PARTE)

DISEÑO MECÁNICO DE TRANSPORTADORES DE TORNILLO SIN FIN (PRIMERA PARTE)

Continuando con la secuencia en diseño de  dispositivos y equipos de uso industrial, le toca ahora el turno al transportador de gusano o tornillo sin fin, ideado hace más de 2300 años por el colega Arquímedes de Siracusa y con bastante aplicación hasta nuestros días en disímiles campos como la minería, la agroindustria, la petroquímica, entre muchas otras.

Transportador de Tornillo sin fin en una planta de chancado

Hay numerosos tipos de transportadores de tornillo sin fin, según la función que vayan a desempeñar, pero nosotros nos dedicaremos aquí al diseño del tornillo estándar considerando que no sólo es la aplicación más versátil a nivel de la industria en general sino también la que mayor cantidad de materiales puede desplazar de un punto a otro.

Transportador de tornillo sin fin estándar

Transportador - mezclador de paletas

Afortunadamente podemos encontrar numerosa información técnica y de diseño para estos dispositivos en internet, pero aquí buscaremos unificar criterios de manera complementaria de modo que podamos contar en lo sucesivo con una metodología coherente para el trabajo de diseño. 

Las fases para el diseño de un transportador de tornillo sin fin estándar son las siguientes:

1. Establecer los requerimientos de transporte.
2. Identificación del tipo de material a transportar.
3. Determinar la capacidad y velocidad del transportador.
4. Calcular el caballaje requerido y seleccionar el tipo de motor accionador.
5. Determinar el tamaño recomendado de los componentes.
6. Verificar los rangos de torsión de los componentes.
7. Verificar la deflexión del árbol principal la expansión térmica y la abrasión de la superficie.

La primera etapa implica consignar el tipo de material que se desea transportar, así como el flujo másico de material y la distancia entre puntos de transporte.
Para la segunda etapa podemos contar con tablas referenciales como las que se están posteando en nuestra página de facebook, debiendo tener además en cuenta de si los materiales serán, por ejemplo abrasivos, altamente corrosivos o potencialmente explosivos en el caso de químicos.
Daremos pautas y sugerencias de diseño para estos dispositivos en los siguientes artículos, por ello me gustaría conocer vuestras experiencias y vuestras inquietudes plasmadas en nuestra página de conversación y que me ayudarán a construir mejor esos artículos que se vienen.
Quedo entonces a vuestra disposición, muchas gracias por el momento y estaremos continuando el mes que viene.

DISEÑO MECÁNICO DE TOLVAS INDUSTRIALES (TERCERA PARTE)

Concluiremos el tópico iniciado en Enero complementando lo ya expuesto anteriormente: Se definieron el primer lugar dos ángulos importantísimos que sustituían al "ángulo de reposo" del material: el ángulo de fricción con la pared y el ángulo efectivo de fricción interna; basándonos en ellos deducíamos el ángulo de descarga de la tolva (ver artículo de enero).

Tolva minera de gruesos

 

Luego pasamos a calcular el diámetro mínimo de descarga que debería tener nuestra tolva sea de sección circular o rectangular (ver artículo de febrero).

Nos corresponde ahora establecer las dimensiones faltantes, para lo cual nos fijaremos en las siguientes expresiones:

Conocida la capacidad en volumen, el diámetro de descarga y una relación arbitraria H/D, podemos calcular el diámetro mayor D para el caso de las "cónicas", y a fin de no complicarnos ni con este ni en los cálculos posteriores, para secciones rectangulares podemos utilizar el famoso "diámetro hidráulico" cuyas tablas se adjuntan en nuestra página de Facebook (junto con todas las demás expresiones no visibles). La altura de sección variable puede calcularse valiéndonos de una simple congruencia de triángulos.

 

 

 

Conocida la geometría de nuestra tolva, el paso siguiente será determinar los esfuerzos horizontales y verticales de la siguiente manera:

 

 

Pv nos permitirá dimensionar los perfiles a emplearse en la estructura de soporte, mientras que con Pw estimaremos el espesor de plancha más adecuado.

El espesor se calculará a partir de:

 

Para las aplicaciones más comunes son suficientes las planchas de acero A-36 laminado en caliente, mientras que ahí donde requiramos condiciones de no corrosión utilizaremos planchas de acero inoxidable de grado AISI 316 ó 316 L.

Para el dimensionado de los perfiles en la estructura de soporte nos bastará efectuar un cálculo por pandeo, empleando la metodología de la AISC.

 

 

Otro punto importante sería estimar el flujo de material en las tolvas y ello es particularmente importante por ejemplo para dosificar la carga de los camiones o las fajas transportadoras, por citar un ejemplo.  No olvidar que tenemos dos tipos básicos de tolvas según las cuales procederemos con el cálculo.

 



 



 

 

Con esto estamos entonces dando por concluido el tema de diseño de tolvas industriales. Cualquier consulta o inquietud pueden hacérmela llegar vía mensaje privado a nuestra página de Facebook o al correo: ALJEPAGUE@yahoo.com

En nuestra página de Facebook estamos también añadiendo las tablas para diámetros hidráulicos y todas aquellas expresiones no visibles aquí. Gracias y hasta la próxima.

 



BIBLIOGRAFÍA:

·         MECHANICAL ENGINEERS HANDBOOK – Vol 3 – Chapter 10 : MATERIAL HANDLING  - John Wiley & Sons – 2006.

·         DISEÑO DE SILOS Y TOLVAS PARA ALMACENAMIENTO DE MATERIALES PULVURENTOS. PROBLEMAS ASOCIADOS A LA OPERACIÓN DE DESCARGA – J.L. Amorós, G. Mallol, E, Sánchez, J. Garcia – Instituto de Tecnología Cerámica, Asociación de Investigación de las Industrias Cerámicas, Universidad Jaume I. Castellón – España – Qualicer 2000.

·         DESIGN OF HOPPERS USING SPREADSHEET – C. O . C. Oko , E. O. Diemuodeke , I. S. Akilande – Departament of Mechanical Engineering – University of Por Harcourt – Nigeria- Año 2010.

·         CRITERIA FOR DESIGN OF STEEL BINS FOR STORAGE OF BULK MATERIALS – Bureau of Indian Standarts – New Delhi – 1998.



 



BIOGAS - DE ALTERNATIVA ENERGÉTICA ECOLÓGICA A ALTERNATIVA ENERGÉTICA SALUDABLE

La noticia más interesante de este mes para mí ha provenido de dos importantes industrias de la comida rápida en España: Eurofrits (productos congelados) y Matutano (papas fritas). ¿Y de qué trata el asunto?, nada más y nada menos que aprovechar los desechos de croquetas y papas fritas con la finalidad de producir biogás. Tema digno, sin duda alguna, de ser al Artículo del Mes de Aniversario de este humilde Blog.

 

Pasaremos a continuación a describir de manera sucinta pero completa el proceso empleado. Esta tecnología aplicada es la de los "biorreactores anaeróbicos con membrana", más bien conocidos por sus siglas en inglés: AnMBR. Tampoco se trata de un proceso nuevo pues ya desde los años 70 vienen funcionando en Japón como un medio alternativo en el tratamiento de aguas residuales. Y es que esta es otra de las ventajas que posee este sistema AnMBR: producir biogás y reciclar aguas industriales. Veamos un esquema:

Del reactor anaeróbico el biogás es canalizado hacia las membranas de filtrado, lo mismo que las aguas presentes en el mismo reactor, y ambos (agua y gas) son recirculados, como puede apreciarse.

 

Este proceso puede llevarse a cabo de 3 maneras diferentes: Con las membranas sumergidas en el mismo reactor, con membranas externas al reactor, como la indicada arriba, y, con el mismo proceso, pero a flujo cruzado.

 

 

La novedad del proyecto indicado arriba consiste en haberse llevado a cabo procesos de "ultrafiltrado" en las membranas, naturalmente, con tecnologías más recientes.

 

El mérito de un proyecto semejante es bastante elevado si se tiene en cuenta la gran cantidad de problemas que por él son atacados de raíz: en primer lugar el de darle un mayor valor agregado a la industria de la comida rápida, tan venida a menos por los riesgos a la salud humana que exponen sus productos finales y también sus mismos procesos productivos, al mismo nivel está el de la preservación de un recurso vital en estos tiempos: el agua; y en segundo lugar estaría el mérito de la menor dependencia energética.

 

Cualquiera puede visitar la página web del proyecto, donde se exponen (en nuestro idioma) las características y múltiples virtudes. He aquí el enlace: http://www.life-woganmbr.eu/

 

Estimados amigos, este ha sido el artículo especial del año, en el mes de aniversario cuando cumple ya 7 años y camina hacia ser una página web auténtica. Muchas gracias por acompañarnos. Estamos en contacto vía Facebook y Twitter  para recibir sus comentarios y sugerencias diversas.

 

 

 



 

 



DISEÑO MECÁNICO DE TOLVAS INDUSTRIALES (SEGUNDA PARTE)

Hablaremos ahora del diámetro mínimo de boca de salida  para lo cual nos fijaremos en cada caso de la TABLA 6 posteada en Facebook. Ese diámetro se calcula a partir de las expresiones consignadas en 1.1 (para evitar obstrucción) y 1.2 (para evitar domos). La primera expresión no entraña mayores dificultades ya que sólo depende del tamaño máximo de las partículas de material (do) y el factor de forma de éstas (k), que va desde la más fina (0,6) a la más gruesa (1,4). En cambio la segunda depende de los esfuerzos normales y la densidad críticas (TABLA 2 – Valor de W). 

El esfuerzo normal crítico (CAS, por su abreviatura en inglés) se obtiene gráficamente, pero primero se hace necesario estimar la  “función de flujo de material” MFF, y la “función factor de flujo del sistema), definida como “1 / ff”  siendo “ff” conocido como “factor de flujo”  (TABLAS 7, 8 y 9).  La absisa de la gráfica de esta función recibirá el nombre de “esfuerzo máximo normal (s1)” mientras que la ordenada será el “esfuerzo de material no confinado (fc)”

Asi, por ejemplo, para un ángulo de fricción de pared de 16° y un ángulo vertical de 30°, entramos a la TABLA 9 y obtenemos ff = 1.5

Con un coeficiente de fricción aproximado de 0,45 (tg d = 0,45), en la fórmula indicada arriba indicada, podemos utilizar nuestro EXCEL dando algunos valores cercanos a 1/ff  para obtener los siguientes :

Con el mismo EXCEL graficar y superponer las dos funciones para obtener un CAS de 1.39

El diámetro mínimo teniendo en cuenta 1.1 y 1.2 de la TABLA 6, será el mayor de ellos. Los factores de forma “m”, son como están consignados en la TABLA 5: m = 1 para tolvas cónicas y m = 0 para tolvas rectangulares.

Estimados amigos, continuaremos con este importante tópico en una próxima entrega. Muchas gracias por las inquietudes que me hacen llegar. Precisamente a partir de ellas es que voy construyendo estos artículos. Estamos añadiendo a Facebook las TABLAS 7,8 y 9. Gracias y hasta el mes que viene.

BIBLIOGRAFÍA:

·         MECHANICAL ENGINEERS HANDBOOK – Vol 3 – Chapter 10 : MATERIAL HANDLING  - John Wiley & Sons – 2006.

·         DISEÑO DE SILOS Y TOLVAS PARA ALMACENAMIENTO DE MATERIALES PULVURENTOS. PROBLEMAS ASOCIADOS A LA OPERACIÓN DE DESCARGA – J.L. Amorós, G. Mallol, E, Sánchez, J. Garcia – Instituto de Tecnología Cerámica, Asociación de Investigación de las Industrias Cerámicas, Universidad Jaume I. Castellón – España – Qualicer 2000.

·         DESIGN OF HOPPERS USING SPREADSHEET – C. O . C. Oko , E. O. Diemuodeke , I. S. Akilande – Departament of Mechanical Engineering – University of Por Harcourt – Nigeria- Año 2010.

·         CRITERIA FOR DESIGN OF STEEL BINS FOR STORAGE OF BULK MATERIALS – Bureau of Indian Standarts – New Delhi – 1998.

DISEÑO MECÁNICO DE TOLVAS INDUSTRIALES (PRIMERA PARTE)

Comenzaremos el año dedicando algunos artículos al diseño mecánico de dispositivos y equipos de uso industrial, ello atendiendo a la solicitud de algunos lectores muy interesados en el tema. La primera exposición versará acerca del diseño de tolvas.

Las tolvas o “chutes” son dispositivos ampliamente utilizados en numerosas industrias como las de procesamiento de minerales, cemento, cerámicos, alimentos, etc. Existe una amplia variedad de diseños para aplicaciones particulares, pero el común denominador de todos ellos es el propósito de fondo: facilitar el acarreo de un material (generalmente en polvo) para su transporte, almacenamiento, envasado, etc. Aquí podemos ver los tipos básicos según su finalidad, pero podemos clasificarlas en dos tipos básicos: de FLUJO TUBULAR (existe tendencia a formarse un agujero sobre el material a medida que se va descargando) y de FLUJO MÁSICO (el material en la parte superior de la tolva permanece a nivel mientras se descarga).

 

Comúnmente (inclusive en nuestro medio) los proyectistas consideran fundamentalmente el ángulo de reposo del material para el diseño de la tolva. Sin embargo, el ángulo de reposo por sí solo no es suficiente para explicar todos los mecanismos que afectan al rendimiento de la tolva. El ángulo de reposo sólo es útil para determinar el contorno de una pila de material, y su popularidad no se debe a su utilidad sino a la facilidad con que se puede medir. El diseño de una tolva consta básicamente de cuatro aspectos:

1. Determinación de la resistencia y de las propiedades de flujo de los materiales a manipular bajo las peores condiciones encontradas en la práctica.
2. Determinación de la geometría de la tolva para proporcionar la capacidad deseada y proveer un modelo de flujo con características aceptables y asegurar una adecuada descarga.
3. Estimación de las cargas ejercidas sobre las paredes de la tolva y el alimentador bajo condiciones de operación.
4. Diseño y detalle de la estructura del depósito.

Con respecto al flujo de material, estos son los problemas que se presentan, o que podrían presentarse en el diseño defectuoso de una tolva y que todo proyectista mecánico debe tener presente:

•HOYOS DE RATA O DUCTOS. Se producen cuando el núcleo de la tolva descarga (como en el flujo de embudo), pero los lados estancados son lo suficientemente estables como para permanecer en su sitio sin fluir, dejando un agujero a través del centro de los sólidos almacenados en la tolva ).

• EL FLUJO ES DEMASIADO LENTO. El material no sale de la tolva lo suficientemente rápido como para seguir los procesos.

• NO HAY FLUJO DEBIDO A FORMACIÓN DE ARCO O DOMO. El material es lo suficientemente cohesivo como para que las partículas formen puentes de arco o cúpulas que sujetan el material de sobrecarga en su lugar y detienen el flujo completamente.

• RALENTIZADO. Se produce cuando el material no es suficientemente cohesivo para formar una cúpula estable, pero lo suficientemente fuerte para que la velocidad de descarga del material se ralentice mientras el aire intenta penetrar en el material empaquetado para aflojar parte del material. El efecto resultante es un flujo lento de sólidos a medida que el aire penetra a una corta distancia liberando una capa de material y el proceso comienza con el aire que penetra en la superficie recién expuesta del material.

• VACIADO INCOMPLETO. Los espacios muertos en el contenedor pueden impedir que un contenedor descargue completamente el material.

• SEGREGACIÓN. Diferentes tamaños y partículas de densidad tienden a separarse debido a las vibraciones ya una acción de percolación de las partículas más pequeñas que se mueven a través del espacio vacío entre las partículas más grandes.

• CONSOLIDACIÓN DE TIEMPO. Para muchos materiales, si se les permite asentarse en una tolva durante un largo período de tiempo, las partículas tienden a reorganizarse para que se vuelvan más apretadas. Este efecto se conoce como de “empaque denso en porosidad de lecho”. Los materiales consolidados son más difíciles de fluir y tienden a puentear o producir hoyos de rata.

•APELMAZAMIENTO. Es otro efecto importante y se refiere al enlace fisicoquímico entre las partículas y que ocurre debido a la variación de humedad. La humedad en el aire puede reaccionar con o disolver algunos materiales sólidos tales como cemento y sal. Cuando la humedad del aire cambia, los sólidos disueltos se solidifican y pueden hacer que las partículas se junten y aumenten de tamaño.

Todos estos problemas deben (o deberían) ser subsanados siguiendo las pautas correctas en el diseño. El punto de partida será la determinación de dos parámetros importantísimos: El ángulo de fricción con la pared (f) y el ángulo efectivo de fricción interna (d), que para nada deben de ser confundidos con el ángulo de reposo del material.

El ángulo de fricción con la pared (f): Es equivalente a la fricción entre dos superficies sólidas, sólo que en este caso una de las superficies es el sólido. La fricción con la pared de la tolva hace que parte del peso del material sea soportado por esta misma.
El ángulo efectivo de fricción interna (d): Es una medida de la fricción entre las partículas, la cual es función del tamaño, forma, rugosidad y dureza del material sólido.

Se recomienda que estos ángulos sean determinados experimentalmente mediante una prueba de “cizallado” del material utilizando dispositivos llamados “células de Jenike”. Pero, a modo referencial, y sobre todo teniendo en cuenta las necesidades inmediatas de un diseñador mecánico, es que se están posteando nuestra página de Facebook algunas tablas que serán de gran ayuda. Ver TABLAS 1, 2 y 3. Provienen del manual hindú: CRITERIA FOR DESIGN OF STEEL BINS FOR STORAGE OF BULK MATERIALS (ver bibliografía).

Una vez conocidos los ángulos indicados, el próximo paso será la determinación del ángulo de descarga para nuestra tolva con el tipo de flujo : Flujo Másico (MASS) o Tubular (CORE) para lo cual nos ayudarán la TABLA 4. Terminaremos por hoy con el dimensionado básico, para lo cual recurriremos a la TABLA 5 y TABLA 6, esta última contiene las expresiones matemáticas necesarias para el cálculo. Hemos empezado con dos de los 4 criterios indicados como necesarios para un óptimo diseño de una tolva. Los siguientes criterios serán expuestos en un siguiente artículo. Desde ya muchas gracias por la atención brindada. Se indicó que todas las tablas preparadas se encuentran en nuestra página de Facebook, listas para su respectivo uso.

Cualquier persona interesada en un proyecto determinado puede hacerme llegar sus consultas por allí mismo. Son bienvenidas asimismo, y como siempre, los comentarios y sugerencias de los lectores.

BIBLIOGRAFÍA:

• MECHANICAL ENGINEERS HANDBOOK – Vol 3 – Chapter 10 : MATERIAL HANDLING - John Wiley & Sons – 2006.

• DISEÑO DE SILOS Y TOLVAS PARA ALMACENAMIENTO DE MATERIALES PULVURENTOS. PROBLEMAS ASOCIADOS A LA OPERACIÓN DE DESCARGA – J.L. Amorós, G. Mallol, E, Sánchez, J. Garcia – Instituto de Tecnología Cerámica, Asociación de Investigación de las Industrias Cerámicas, Universidad Jaume I. Castellón – España – Qualicer 2000.

• DESIGN OF HOPPERS USING SPREADSHEET – C. O . C. Oko , E. O. Diemuodeke , I. S. Akilande – Departament of Mechanical Engineering – University of Por Harcourt – Nigeria- Año 2010.

• CRITERIA FOR DESIGN OF STEEL BINS FOR STORAGE OF BULK MATERIALS – Bureau of Indian Standarts – New Delhi – 1998.