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.