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DISEO Y CONSTRUCCIN DE SISTEMA DE TRANSPORTE NEUMTICO MIXTO DE DOS ETAPAS PARA CEREALES

JUAN PABLO VEGA TRIANA

CARLOS EDUARDO ARAQUE MANRIQUE

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOMECNICAS

ESCUELA DE INGENIERA MECNICA

BUCARAMANGA

2009

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DISEO Y CONSTRUCCIN DE SISTEMA DE TRANSPORTE NEUMTICO MIXTO DE DOS ETAPAS PARA CEREALES

JUAN PABLO VEGA TRIANA

CARLOS EDUARDO ARAQUE MANRIQUE

Trabajo de Grado para optar al ttulo de

Ingeniero Mecnico

Director

GILBERTO PARRA

Ingeniero Mecnico

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOMECNICAS

ESCUELA DE INGENIERA MECNICA

BUCARAMANGA

2009

7

8

9

Yo, Juan Pablo Vega Triana, mayor de edad, vecino de Bucaramanga, identificado con la Cdula de Ciudadana No. 1098610665 de Bucaramanga, actuando en nombre propio, en mi calidad de autor del trabajo de grado, del trabajo de investigacin, o de la tesis denominada(o): Diseo y Construccin de Sistema de Transporte Neumtico Mixto de Dos Etapas para Cereales.

Hago entrega del ejemplar respectivo y de sus anexos de ser el caso, en formato digital o electrnico (CD o DVD) y autorizo a LA UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER, para que en los trminos establecidos en la Ley 23 de 1982, Ley 44 de 1993, decisin Andina 351 de 1993, Decreto 460 de 1995 y dems normas generales sobre la materia, utilice y use en todas sus formas, los derechos patrimoniales de reproduccin, comunicacin pblica, transformacin y distribucin (alquiler, prstamo pblico e importacin) que me corresponden como creador de la obra objeto del presente documento. PARGRAFO: La presente autorizacin se hace extensiva no slo a las facultades y derechos de uso sobre la obra en formato o soporte material, sino tambin para formato virtual, electrnico, digital, ptico, uso en red, Internet, extranet, intranet, etc., y en general para cualquier formato conocido o por conocer.

EL AUTOR ESTUDIANTE, manifiesta que la obra objeto de la presente autorizacin es original y la realiz sin violar o usurpar derechos de autor de terceros, por lo tanto la obra es de su exclusiva autora y detenta la titularidad sobre la misma. PARGRAFO: En caso de presentarse cualquier reclamacin o accin por parte de un tercero en cuanto a los derechos de autor sobre la obra en cuestin, EL AUTOR / ESTUDIANTE, asumir toda la responsabilidad, y saldr en defensa de los derechos aqu autorizados; para todos los efectos la Universidad acta como un tercero de buena fe.

Para constancia se firma el presente documento en dos (02) ejemplares del mismo valor y tenor, en Bucaramanga, a los 18 das del mes de Noviembre de 2009.

Autor:

Juan Pablo Vega Triana

10

Yo, Carlos Eduardo Araque Manrique, mayor de edad, vecino de Bucaramanga, identificado con la Cdula de Ciudadana No. 91542938 de Bucaramanga, actuando en nombre propio, en mi calidad de autor del trabajo de grado, del trabajo de investigacin, o de la tesis denominada(o): Diseo y Construccin de Sistema de Transporte Neumtico Mixto de Dos Etapas para Cereales.

Hago entrega del ejemplar respectivo y de sus anexos de ser el caso, en formato digital o electrnico (CD o DVD) y autorizo a LA UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER, para que en los trminos establecidos en la Ley 23 de 1982, Ley 44 de 1993, decisin Andina 351 de 1993, Decreto 460 de 1995 y dems normas generales sobre la materia, utilice y use en todas sus formas, los derechos patrimoniales de reproduccin, comunicacin pblica, transformacin y distribucin (alquiler, prstamo pblico e importacin) que me corresponden como creador de la obra objeto del presente documento. PARGRAFO: La presente autorizacin se hace extensiva no slo a las facultades y derechos de uso sobre la obra en formato o soporte material, sino tambin para formato virtual, electrnico, digital, ptico, uso en red, Internet, extranet, intranet, etc., y en general para cualquier formato conocido o por conocer.

EL AUTOR ESTUDIANTE, manifiesta que la obra objeto de la presente autorizacin es original y la realiz sin violar o usurpar derechos de autor de terceros, por lo tanto la obra es de su exclusiva autora y detenta la titularidad sobre la misma. PARGRAFO: En caso de presentarse cualquier reclamacin o accin por parte de un tercero en cuanto a los derechos de autor sobre la obra en cuestin, EL AUTOR / ESTUDIANTE, asumir toda la responsabilidad, y saldr en defensa de los derechos aqu autorizados; para todos los efectos la Universidad acta como un tercero de buena fe.

Para constancia se firma el presente documento en dos (02) ejemplares del mismo valor y tenor, en Bucaramanga, a los 18 das del mes de Noviembre de 2009.

Autor:

Carlos Eduardo Araque Manrique

11

DEDICATORIA

A mis padres

Juan Pablo Vega Triana

12

DEDICATORIA

A mis padres y a mi hermana

Carlos Eduardo Araque Manrique

13

AGRADECIMIENTOS

A nuestras familias.

A todos los que nos apoyaron y nos brindaron su cario y amistad.

14

CONTENIDO

Pg.

INTRODUCCIN 29

1. OBJETIVOS 31

1.1 OBJETIVO GENERAL 31

1.2 OBJETIVOS ESPECFICOS 31

2. GENERALIDADES DEL TRANSPORTE NEUMTICO 33

2.1 DEFINICIN DE TRANSPORTE NEUMTICO 33

2.2 HISTORIA DEL TRANSPORTE NEUMTICO 34

2.3 UTILIZACIN DE TRANSPORTADORES NEUMTICOS

PARA TRANSPORTE DE CEREALES 35

2.4 PROPIEDADES DE LOS CEREALES PARA EL

TRANSPORTE NEUMATICO 36

3. PROCESO DE TRANSPORTE NEUMTICO 38

3.1 FLUIDIZACIN 38

3.2 TIPOS DE TRANSPORTE NEUMTICO 40

3.2.1 TRANSPORTE EN FASE DILUIDA 42

3.2.2 TRANSPORTE EN FASE DENSA 42

15

4. CLASIFICACIN DE LOS TRANSPORTADORES NEUMTICOS 44

4.1 TRANSPORTADORES POR SUCCIN 44

4.2 TRANSPORTADORES POR PRESION 46

4.3 TRANSPORTADORES COMBINADOS 47

5. ELEMENTOS DE UN TRANSPORTADOR NEUMTICO 49

5.1 FUENTES DE AIRE 49

5.1.1 GENERALIDADES 49

5.1.2. TIPOS DE ELEMENTOS SOPLANTES 50

5.1.2.* VENTILADOR 50

5.1.2.* SOPLADOR 51

5.1.2.* COMPRESOR 52

5.2 SISTEMAS DE DOSIFICACIN DE MATERIAL 53

5.2.1 GENERALIDADES 53

5.2.2 TIPOS DE DOSIFICADORES 54

5.2.2.* VENTURI 54

5.2.2.* BOQUILLA DE SUCCIN 55

5.2.2.* TORNILLO 56

5.2.2.* VALVULA ROTATIVA 57

5.3 VLVULAS DE DESVO 59

5.4 SEPARADORES CICLNICOS 60

16

5.4.1 GENERALIDADES 61

5.4.2 FAMILIAS DE SEPARADORES CICLNICOS 64

5.4.2.* FAMILIA DE CICLONES DE ALTA EFICIENCIA 65

5.4.2.* FAMILIA DE CICLONES DE ALTA CAPACIDAD 66

5.4.2.* FAMILIA DE CICLONES CONVENCIONALES 67

5.4.3 CONSIDERACIONES DE DISEO DE CICLONES 69

5.4.4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS CICLONES 73

6. DETERMINACIN DE LAS CONDICIONES DE TUBERA 74

6.1 MTODO ANALTICO 74

6.2 MTODO DE FISCHER 76

6.3 MTODO DE EDITORIAL LABOR 78

6.4 MTODO EMPRICO 80

6.5 MTODO DE Mc CABE 81

7. MODELO MATEMTICO DEL PROCESO DEL TRANSPORTE

NEUMTICO 86

8. HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES PARA CLCULO DE

VARIABLES EN EL TRANSPORTE NEUMTICO 101

8.1 MANEJO DEL PROGRAMA DE DISEO DEL SISTEMA DE

TRANSPORTE NEUMTICO 101

9. CLCULO Y DISEO DEL TRANSPORTADOR NEUMTICO DEL MODELO PROPUESTO 114

17

9.1 DISEO DE CICLONES O SEPARADORES 114

9.2 DETERMINACIN DEL DIMETRO DE LA TUBERA 118

9.2.1 DETERMINACIN DEL DIMETRO DE TUBERA

EN ETAPA DE SUCCIN 120

9.2.2 DETERMINACIN DEL DIMETRO DE TUBERA

EN ETAPA DE PRESIN 122

9.3 CLCULO DE PRDIDAS DE PRESIN EN TUBERA 123

9.3.1 CLCULO DE PRDIDAS EN TUBERA EN

ETAPA DE SUCCIN 123

9.3.2 CLCULO DE PRDIDAS EN TUBERA EN

ETAPA DE PRESIN 126

9.3.3 CLCULO DE PRDIDAS DE PRESIN EN

ACCESORIOS 129

9.3.4 CLCULO DE PRDIDAS EN LA SECCION DE

SOLO AIRE 131

9.4 CLCULO DE LA POTENCIA REQUERIDA EN EL SISTEMA 133

9.5 VLVULA DOSIFICADORA 134

9.6 VLVULA DE DESVO 141

9.7 SELECCIN DEL SOPLADOR 141

18

10. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL TRANSPORTADOR

NEUMTICO DEL MODELO PROPUESTO 143

10.1 OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES DE LAS

PRUEBAS REALIZADAS AL TRANSPORTADOR NEUMTICO 151

11. PRESUPUESTO 153

12. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 157

BIBLIOGRAFA 159

ANEXOS 160

19

LISTA DE FIGURAS

Pg

Figura 1. Transportador neumtico industrial 35

Figura 2. Tubera desgastada por el paso de material 36

Figura 3. Proceso de fluidizacin. 39

Figura 4. Patrones de flujo en tubera de transporte horizontal 41

Figura 5. Transporte en fase diluida 42

Figura 6. Transporte en fase densa 43

Figura 7. Sistemas de transporte disponible para transporte neumtico 44

Figura 8. Transporte por succin desde almacenes abiertos 46

Figura 9. Configuracin tpica de transporte por presin 47

Figura 10. Transportador neumtico combinado 48

Figura 11. Tipos de unidades de movimiento de aire 50

Figura 12. Curva caracterstica de un ventilador 51

Figura 13. Curva caracterstica de un soplador 52

Figura 14. Caractersticas de variacin de presin

y caudal de diversos compresores 52

Figura 15. Venturi para dosificacin de material 54

Figura 16. Boquilla de succin 55

20

Figura 17. Aplicacin de boquilla de succin 56

Figura 18. Dosificadora de tornillo. 56

Figura 19. Vlvula dosificadora 57

Figura 20. Diseos alternativos de vlvulas rotativas 58

Figura 21. Opciones de ventear vlvulas rotativas 58

Figura 22. Relacin entre cantidad de material y revoluciones

de la vlvula rotativa 59

Figura 23. Vlvula de desvo 60

Figura 24. Geometra del separador ciclnico 61

Figura 25. Definicin de parmetros geomtricos del separador ciclnico 62

Figura 26. Principio de funcionamiento de un separador ciclnico 63

Figura 27. Generacion de vortices de aire y partculas. 63

Figura 28.Tipos de ciclones 68

Figura 29. Ventajas y desventajas de los separadores ciclnicos 73

Figura 30. Diagrama de cuerpo libre de la mezcla slido-fluido. 87

Figura 31. Presentacin del programa de diseo del

sistema de transporte neumtico 102

Figura 32. Men principal del programa de diseo del

sistema de transporte neumtico 103

Figura 33.Subprograma de diseo de ciclones o separadores. 104

21

Figura 34. Submen de diseo de tubera 105

Figura 35. Subprograma de seleccin de dimetro 106

Figura 36. Subprograma de prdidas de presin en

la tubera de la etapa de succin. 107

Figura 37. Subprograma de seleccin de dimetro 109

Figura 38. Subprograma de prdidas de presin en la tubera de la

etapa de presin. 110

Figura 39. Subprograma de prdidas en accesorios 111

Figura 40. Subprograma de prdidas en la seccin de solo aire 112

Figura 41. Variables de entrada en el subprograma de diseo de ciclones. 116

Figura 42. Resuspensin de material primer clculo. 116

Figura 43. Primer clculo de geometra y prdidas de presin en el cicln 117

Figura 44. Resuspensin de material calculo definitivo 117

Figura 45. Calculo definitivo de la geometra del cicln. 118

Figura 46.Datos de entrada y clculo de porosidad con el material

ms pesado y de mayor tamao. 119

Figura 47. Resultados de la relacin msica con el dimetro supuesto en

succin. 121

Figura 48. Resultados de la relacin msica con el dimetro supuesto en

presin. 122

22

Figura 49. Datos de entrada para el clculo de prdidas de presin

en la etapa de succin parte uno 125

Figura 50. Datos de entrada para el clculo de prdidas

en la etapa de succin parte dos 125

Figura 51 Resultados de las prdidas de presin en tubera

en la etapa de succin. 126

Figura 52. Datos de entrada para el clculo de prdidas de

presin en la etapa de presin, camino 1 y 2, parte uno 128

Figura 53. Datos de entrada para el clculo de prdidas de presin

en la etapa de presin, camino 1, parte dos 128

Figura 54. Resultados de prdidas de presin en la etapa de

presin para el camino 1 lado izquierdo,

camino 2 lado derecho 129

Figura 55. Datos entrada para las prdidas en accesorios

en el camino 1 lado izquierdo y camino 2 lado derecho 130

Figura 56. Resultados de prdidas en accesorios para el camino 1 131

Figura 57. Resultados de prdidas en accesorios para el camino 2 131

Figura 58. Datos de entrada del clculo de las prdidas en la

seccin de solo aire. 132

Figura 59. Resultados de las cadas de presin en la seccin

de solo aire 133

23

Figura 60. Resultados de potencia requerida por el sistema

bajo las condiciones de diseo dadas. En el lado izquierdo

resultados del camino 1, lado derecho resultados del camino 2 133

Figura 61. Tipos de rotor de vlvula rotativa. 136

Figura 62. Aspas de vlvula dosificadora. 137

Figura 63. Rodamientos sobre la carcasa. 138

Figura 64. Juego de poleas 140

Figura 65. Vlvula dosificadora. 140

Figura 66. Vlvula de desvo. 141

Figura 67. Soplador. 141

Figura 68. Transportador neumtico 142

Figura 69. Direccionador de flujo 144

Figura 70. Boquilla de succin doble 145

Figura 71. Detalle de las perforaciones en la boquilla exterior 145

Figura 72. Material depositado en la base del acople al cicln 146

Figura 73. Pared inclinada en el acople al cicln 146

Figura 74. Vlvula dosificadora con excesiva holgura entre aspas y carcasa 147

Figura 75. Cereales utilizados en las pruebas del transportador. 148

Figura 76. Filtro obstruido parcialmente. 151

Figura 77. Fenmenos observados. 152

24

LISTA DE TABLAS

Pg

Tabla 1. Presin de trabajo aproximada de diversos

dispositivos de dosificacin 54

Tabla 2. Eficiencia de remocin de las familias de ciclones 65

Tabla 3. Caractersticas de los ciclones de alta eficiencia 66

Tabla 4. Caractersticas de los ciclones de alta capacidad 67

Tabla 5. Caracteristicas de los ciclones convencionales 68

Tabla 6. Parmetros y valores recomendados de diseo

para ciclones. 72

Tabla 7. Ecuaciones del mtodo analtico 75

Tabla 8. Ecuaciones del mtodo de Fischer 77

Tabla 9. Ecuaciones del mtodo emprico 80

Tabla 10. Datos de pruebas del transportador en etapa de presin. 149

Tabla 11. Datos pruebas del transportador en etapa de succin. 150

25

LISTA DE ANEXOS

Pg

Anexo A. Propiedades de los cereales para el transporte neumtico 160

Anexo B. Prcticas de laboratorio 161

Anexo C. Manual de seguridad y uso del transportador neumtico 171

Anexo D. Cdigo de programacin en MATLAB 175

26

GLOSARIO

CICLON: Elemento separador de partculas slidas del aire u otro gas.

FLUIDIZACIN: Proceso mediante el cual una corriente de aire atraviesa las partculas slidas y stas se comportan como un fluido.

TRANSPORTE NEUMTICO: Es el movimiento de partculas slidas mediante una corriente de aire u otro gas.

RESUSPENSIN: Es el fenmeno causado por el ingreso de aire a travs de la vlvula dosificadora y que mantiene el material en flotacin, impidiendo su

transporte.

VLVULA DOSIFICADORA: Es un elemento mecnico que regula la cantidad de material que ingresa a la tubera de transporte.

VELOCIDAD DE FLOTACIN: Es la velocidad del gas a la cul un material permanece completamente suspendido, velocidades superiores a ste valor

implican transporte neumtico.

VRTICE: Torbellino de aire o de aire y material que se forma en el interior de un cicln.

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TTULO: DISEO Y CONSTRUCCIN DE SISTEMA DE TRANSPORTE

NEUMTICO MIXTO DE DOS ETAPAS PARA CEREALES*

AUTORES: Juan Pablo Vega Triana

Carlos Eduardo Araque Manrique**

PALABRAS CLAVES: Transporte Neumtico, Fluidizacin, Fase Densa, Fase Diluida, Vlvula dosificadora, Ciclones

DESCRIPCIN:

Este documento contiene informacin general sobre el transporte neumtico, especialmente el de cereales. Presenta diversos mtodos de clculo de condiciones de tubera, as como un programa realizado en el software computacional MATLAB, que con una interfaz en GUIDE permite al usuario calcular diversos sistemas de transporte neumtico, brindndole las dimensiones geomtricas y perdidas de presin en los diferentes dispositivos del equipo como los separadores ciclnicos, tubera y accesorios, tambin calcula la potencia consumida por el soplador. Es una valiosa herramienta para determinar las condiciones de operacin de los transportadores neumticos.

Tambin contiene informacin sobre el proceso de diseo de un transportador neumtico a escala, para transportar diversos tipos de cereales. El equipo permitir la realizacin de pruebas de laboratorio para analizar las propiedades de varios materiales y la observacin de diversos fenmenos fsicos como la fluidizacin y la creacin de vrtices al interior de los separadores ciclnicos, tambin permite reconocer el tipo de flujo, en fase densa y diluida, este es un elemento importante para el diseo e investigacin de transportadores neumticos, porque la potencia y las prdidas de presin estn fuertemente influenciadas por este factor.

Mediante la construccin del modelo se espera incrementar el desarrollo intelectual e investigativo de los estudiantes de ingeniera mecnica en el rea de diseo de maquinas; con la ayuda de manuales de laboratorio brindamos una forma fcil de usar y aprovechar el equipo.

*Trabajo de grado. Modalidad Investigacin.

**Facultad de Ingenieras Fsico- Mecnicas. Ingeniera Mecnica. Ing, Gilberto Parra.

28

TITLE: DESIGN AND CONSTRUCTION OF PNEUMATIC TWO STAGE

CONVEYING SYSTEM FOR CEREALS*

AUTHORS: Juan Pablo Vega Triana

Carlos Eduardo Araque Manrique**

KEYWORDS: Pneumatic Convey, Fluidization, Dense Phase, Dilute Phase, Rotative Valve, Cyclons.

DESCRIPTION:

This document contains general information about pneumatic convey, of cereals specially. Presents diverse calculate methods of piping conditions, also a program developed in the computational software MATLAB, whit an interface in GUIDE allow calculate various systems of pneumatic convey, giving the geometrical dimensions and pressure losses in the devices of the equipment has cyclonic separators, piping and accessories, also calculate the power consumed for the blower. It is a valuable tool to determine operation conditions of pneumatic conveyors.

Also contain information about the process of design of a pneumatic scale conveyor, to transport diverse kind of cereals. The equipment will allow the realization of laboratory test to analyze the properties of various materials, and the observation of vortex in the interior of cyclonic separators. Also allows recognize the type of flow, in dense and dilute phases, this is an important element for design and research of pneumatic conveyors, because the power and pressure losses are greatly influenced by this factors.

Whit the construction of the model we hope increase the intellectual and investigative development of the mechanical engineering students in the design of machines area; whit the help of laboratory manuals we give an easy way to use and enjoy the conveyor.

*Trabajo de grado. Modalidad Investigacin.

**Facultad de Ingenieras Fsico- Mecnicas. Ingeniera Mecnica. Ing, Gilberto Parra.

29

INTRODUCCIN

El transporte neumtico es uno de los procesos ms interesantes para el

movimiento de material, involucra conceptos de mecnica de fluidos, dinmica y

diseo de mquinas entre otras reas de la ingeniera, en general los modelos

matemticos del proceso son bastante complejo, debido a que el transporte de

material mediante una corriente de gas genera interacciones entre las partculas

y stas son difciles de analizar debido a las colisiones entre ellas y contra la

tubera de transporte. Es por ello que continuamente se recurre a formulas

empricas o a parmetros encontrados experimentalmente para poder realizar

un diseo adecuado.

Mediante el diseo de un transportador neumtico, utilizando las ecuaciones

bsicas que rigen el proceso, trataremos de lograr un mayor entendimiento del

fenmeno. Tambin podremos brindar la posibilidad de que los estudiantes

aprecien la teora puesta en prctica generando una mayor interiorizacin de la

informacin, al igual que una motivacin adicional para continuar acrecentando

el conocimiento sobre el transporte neumtico.

El control de las variables y la forma como estas afectan un proceso es algo

que se puede experimentar fcilmente con un sistema fsico a escala que

confirme o invalide nuestras suposiciones; generando continuas interrogantes y

respuestas, y nos ayude a entender lo que sucede en la prctica, dejando de

lado las idealizaciones tericas.

El conocimiento del comportamiento real de este tipo de transportador, brindara

herramientas valiosas para realizar mejores diseos, que satisfagan de la forma

ms adecuada las necesidades especificas de movimiento de material; tambin

permite reconocer las caractersticas principales del sistema, resaltando las

cualidades y defectos que posee el transporte neumtico.

30

El diseo y construccin de un transportador neumtico permitir estudiar y

visualizar el transporte de materiales slidos a granel; tambin analizar cmo

los diferentes tipos de flujo en la tubera pueden afectar el transporte, y as

determinar los parmetros y variables ms importantes para el correcto diseo y

operacin de estos sistemas tales como la velocidad mnima de la mezcla aire-

solido y la cada de presin en la tubera entre otros.

31

1. OBJETIVOS

1.1. Objetivo General

Contribuir con la formacin integral de los estudiantes de ingeniera mecnica

de la universidad industrial de Santander, brindndoles la posibilidad de

interactuar y descubrir las caractersticas de un sistema de transporte

neumtico de cereales.

1.2 Objetivos Especficos

1. Realizar el modelo matemtico para un sistema de transporte neumtico. 2. Disear y construir un sistema de transporte neumtico mixto de dos

etapas para cereales.

Con las siguientes especificaciones del sistema:

Capacidad de transporte 200 Kg de cereal por hora. Dos configuraciones distintas en la lnea de transporte en la

etapa de presin.

Longitud de la lnea de transporte de la primera configuracin 75 centmetros horizontales y 30 centmetros verticales.

Longitud de la lnea de transporte de la segunda configuracin 95 centmetros horizontales y 30 centmetros verticales.

Para lo cual se deber:

a. Disear y construir el sistema de transporte neumtico que permita el movimiento del cereal desde la zona de carga hasta la de descarga.

Con las siguientes caractersticas:

32

Mecanismo de accionamiento por medio de un soplador elctrico de velocidad variable.

Medidores de presin en cada etapa del sistema. Secciones de tubera transparente (Acrlico). Carga de material por succin en la primera etapa. Movimiento de material por presin en la segunda etapa.

b. Disear y construir dos separadores ciclnicos. Con las siguientes caractersticas:

Sistema de dosificacin de material en la base del primero. Sistema de filtrado de aire en el segundo. Paredes laterales transparentes (Acrlico) en los dos ciclones.

3. Entregar Planos de construccin del sistema de transporte neumtico completo y de cada componente en el software SolidWorks.

4. Elaborar un manual de uso, prcticas de laboratorio y mantenimiento del transportador para el usuario.

33

2. GENERALIDADES DEL TRANSPORTE NEUMTICO

2.1 DEFINICIN DE TRANSPORTE NEUMTICO

El proceso de transporte neumtico de material consiste principalmente en

mover slidos, ya sean polvos o partculas granulares dentro de una tubera. El

movimiento del material se da por la combinacin de un diferencial de presin y

mediante una corriente de flujo de gas a presin.

Un transportador neumtico presenta algunas limitaciones debido a que no

puede transportar materiales hmedos (solo permite un nivel bajo de humedad)

ni que tengan tendencia a adherirse, ya que la tubera podra quedar obstruida

por el apelmazamiento del material, tambin est limitado su uso a materiales

con baja fragilidad y baja abrasividad debido a que el material puede romperse

al chocar con la tubera y con otras partculas, la abrasividad es un factor a

tener en cuenta especialmente en los codos, debido a que en stos elementos

puede darse un desgaste excesivo.

En general un transportador neumtico requiere ms potencia por peso de

material transportado que otras alternativas de transporte pero sus ventajas

pueden compensar sta deficiencia.

El transporte neumtico puede ser usado con una gran cantidad de productos,

como la arena, cemento, harina, productos qumicos y productos alimenticios

entre otros, debido a que el transporte se realiza mediante tuberas, es en

general un proceso bastante limpio tanto para el producto como para el

ambiente. Con las normas medioambientales actuales se convierte en una

alternativa importante en diversos procesos industriales, adems permite una

gran flexibilidad en los recorridos, cambios de direccin y una fcil

automatizacin lo que reduce los costos asociados al proceso de produccin.

34

Otra de las ventajas es que permite la descarga de material mediante sistemas

de vaco o aspiracin, lo que lo hace importante cuando se requiere descargar

material a granel de forma vertical como en el caso de barcos o vagones de tren

o cuando stos se encuentran apilados.

La cantidad de material que se puede transportar depende fundamentalmente

de dos factores; el primero es la cada de presin que se puede dar en la lnea

de transporte y el segundo es el dimetro de la tubera. Generalmente la cada

de presin depende de las caractersticas del elemento soplante, pero un buen

diseo debe jugar con la combinacin de ambos parmetros; no existe una

combinacin general que permita transportar todos los materiales de manera

satisfactoria, cada producto posee caractersticas especiales y la decisin final

a menudo se ve influenciada por factores indirectos, como son los costos

iniciales del transportador o los costos de produccin.

2.2 HISTORIA DEL TRANSPORTE NEUMTICO

El transporte neumtico es bastante antiguo, hace ms de cien aos se empez

su utilizacin, a pesar de ser un proceso muy comn, an existen gran cantidad

de cosas que ignoramos, la mayor parte de los diseos se realizan usando la

experiencia obtenida mediante prueba y error por investigadores o mediante

relaciones encontradas con la observacin del proceso, se han dado grandes

pasos en el entendimiento del movimiento de material, hoy en da los esfuerzos

estn enfocados en encontrar formas de transportar mayor cantidad de

materiales en fase densa, debido a las ventajas que presenta ste tipo de

transporte, los avances en metalurgia y nuevos materiales tambin permiten

disminuir la degradacin de la tubera de transporte.

Hoy en da el transporte neumtico est altamente difundido entre las

industrias, se puede encontrar en puertos, minera, industrias qumica y

35

farmacutica, plantas de produccin de elementos plsticos, vidrios entre

muchas otras.

Figura 1. Transportador neumtico industrial

Debido a que el transporte se realiza en sistemas cerrados la poca

contaminacin del producto con el medio y viceversa han contribuido a la

expansin de los sistemas de ste tipo en todo el mundo.

2.3 UTILIZACIN DE TRANSPORTADORES NEUMATICOS PARA

TRANSPORTE DE CEREALES

Los sectores agropecuarios representan un gran campo de aplicacin para el

transporte neumtico, ya que ste presenta caractersticas de higiene,

flexibilidad, precisin, seguridad y confiabilidad; es tambin adaptable a cualquier necesidad en cuanto a capacidad y longitud, lo que simplifica

notablemente el traslado de productos entre sectores de produccin. Ests

caractersticas lo convierten en uno de los medios ms eficaces para el

transporte de diversos productos agrcolas como cereales, lo cual vislumbra un

futuro de amplia expansin de sta forma de transporte.

36

Una de las razones primordiales de la utilizacin de un transportador neumtico

para cereales es su capacidad para aspirar el material sin la necesidad de una

diferencia de alturas o un deposito contenedor, sumado a ello el transporte por

el interior de una tubera disminuye la contaminacin que absorben los cereales

si se compara con los que son expuestos directamente al medio ambiente, esto

lo hace muy til aun en sitios con un alto nivel de contaminacin, ya que el

transito desde la zona de carga hasta la de descarga se hace sin tener contacto

con el medio que lo rodea.

2.4 PROPIEDADES DE LOS CEREALES PARA EL TRANSPORTE

NEUMTICO

Cuando se desea transportar neumticamente un material se deben analizar

varias propiedades de los mismos, entre ellas el grado de abrasividad, ya que si

ste es demasiado alto se tendr un desgaste prematuro de la tubera de

transporte y de los dems componentes del sistema, tambin es importante

revisar su tendencia a pegarse, entre partculas y con las superficies, ya que se

puede generar taponamiento de la tubera y un consumo excesivo de potencia,

el material para el transporte neumtico debe estar relativamente seco, y

poseer poca fragilidad si se desea que mantenga su integridad a lo largo del

recorrido, ya que la friccin y los impactos son permanentes.

Figura 2. Tubera desgastada por el paso de material

37

En general los cereales poseen propiedades que los hacen fciles de

transportar neumticamente (Ver Anexo A), son algunos de los materiales ms

comunes en ste tipo de transporte, debido a que al realizarse en tuberas

cerradas impiden el flujo de partculas contaminantes desde y hacia el medio

que rodea los cereales, esto es fundamental con materiales que normalmente

sern utilizados para el consumo humano.

38

3. PROCESO DE TRANSPORTE NEUMTICO

3.1 FLUIDIZACIN

Es el proceso que hace posible el transporte neumtico; dependiendo del grado

de fluidizacin que se logre con el material podemos tener diversos tipos de

transporte, ya sea denso o diluido, el consumo de potencia y desgaste de los

elementos del transportador estn fuertemente asociados a ste concepto.

Se puede definir como la operacin por la cul las partculas slidas son

transformadas en un estado fluido a travs del contacto con un gas o lquido.

Este mtodo de contacto posee varias caractersticas inusuales, una correcta

aplicacin de los procesos de fluidizacin permite el aprovechamiento del

comportamiento de los materiales para realizar su transporte u otro tipo de

procesos industriales.

Si se tiene una cama de partculas slidas finas, un caudal pequeo de fluido

pasa a travs de los espacios vacos, esto se conoce como lecho fijo. Con un

incremento en el caudal, las partculas se separan y algunas vibran y se

mueven en determinadas regiones; esto se conoce como lecho expandido.

A una velocidad an ms alta, se alcanza un punto en el cul todas las

partculas son suspendidas en el fluido ascendente, en ste momento la fuerza

de friccin entre una partcula y el fluido contrarresta el peso de la partcula, la

componente vertical de la fuerza de compresin entre partculas adyacentes

desaparece. Se considera entonces que se ha alcanzado el estado de

fluidizacin incipiente o mnima fluidizacin.

Un incremento en el caudal resulta en un estado de expansin progresiva del

lecho, no se observa un burbujeo a gran escala, y toda la mezcla es

39

aproximadamente homognea, esto se conoce como fluidizacin particulada o

uniforme.

Con flujos ms altos la agitacin de las partculas se torna violenta y el

movimiento es ms vigoroso, el lecho no se expande mucho ms all del nivel

de mnima fluidizacin, se presenta entonces una fluidizacin agregativa o

burbujeante. Dependiendo de la geometra del recipiente, las burbujas pueden

presentar el fenmeno de empaquetamiento, en el cul su tamao es tal que

puede alcanzar las paredes, despus de eso la porcin de lecho por encima de

la burbuja es empujada hacia arriba como por un pistn. Las partculas luego

caen y la burbuja se desintegra, formando un movimiento oscilatorio que se

repite, ste empuje puede ser aprovechado para realizar transporte de material

en fase densa.

Hasta ste punto todas las mezclas slido-fluido se consideran fase densa

porque existe un lmite superior del lecho claramente definido. Si el flujo tiene

una velocidad suficientemente alta, la velocidad de arrastre de las partculas

ser excedida y los slidos sern transportados con la corriente, en se punto

se tiene una fluidizacin, en fase diluida y con transporte de material.

Figura 3. Proceso de fluidizacin.

40

3.2 TIPOS DE TRANSPORTE NEUMATICO

An no existe un consenso general para decidir cuando se presenta transporte en

fase densa y fase diluida, en general se recurre a observaciones y descripcin de

dichas observaciones para determinar el tipo de transporte que se est

presentando.

Existen algunos valores generales de algunas caractersticas del transportador

neumtico como son la velocidad de gas o el nivel de presin que pueden indicar

fase densa o fase diluida pero stos valores dependen de la bibliografa que se

analiza. Otros autores simplemente definen su concepto de fase densa y fase

diluida, no existe un lmite claramente visible para pasar un tipo de transporte a

otro, algunas veces se recurre a dos conceptos para diferenciarlos; la velocidad

de choking que es la velocidad lmite entre los 2 tipos de transporte, velocidades

por encima de su valor indican transporte en fase diluida y valores inferiores

transporte en fase densa; se define como:

(3.2.1)

Donde: Fraccin de vaci en la tubera a la velocidad de choking

Flujo msico de slidos por unidad de rea=

Densidad del slido

Velocidad terminal o de flotacin de la partcula

= Flujo msico de slidos

La velocidad de choking slo es vlida para transporte vertical. Para el

transporte horizontal se defini de forma anloga la velocidad de saltacin, sta

velocidad se define como:

41

(3.2.2)

Donde: 1440* X+1.96

1100*X+2.5

X = Tamao de la partcula

Dimetro de la tubera

Densidad del gas

Aceleracin gravitacional.

Las anteriores definiciones no son universalmente aceptadas es por eso que

muchas veces se dice que todo lo que no sea claramente fase densa es fase

diluida o viceversa. La figura 4 presenta la evolucin desde flujo altamente diluido

hasta descender a transporte en fase densa con acumulacin de material en la

base de la tubera.

Figura 4. Patrones de flujo en tubera de transporte horizontal

42

3.2.1 TRANSPORTE EN FASE DILUDA

Casi cualquier material puede ser transportado de sta forma, en general se

trata de partculas totalmente suspendidas en el fluido de transporte, es decir no

existe acumulacin en la zona inferior de la lnea de transporte, se puede

transportar de sta forma en sistemas de presin, vaco o combinados. En

general un material que puede ser transportado en fase densa, tambin lo har

en fase diluida y para ello generalmente se requiere solamente un aumento de

la velocidad del gas.

Se requieren grandes volmenes de aire; el arrastre producido mantiene el

slido en suspensin al interior de la corriente, el gasto energtico es

importante por la necesidad de un suministro continuo de gran cantidad de

fluido. Dependiendo de las caractersticas de abrasividad del material se

pueden presentar inconvenientes de desgaste excesivo en la tubera. Debido a

la gran cantidad de aire disponible para el transporte y su alta velocidad permite

un flujo continuo de gran cantidad de material.

Figura 5. Transporte en fase diluda

3.2.2 TRANSPORTE EN FASE DENSA

A menudo es llamado flujo no suspendido, como su nombre lo indica el material

no est completamente suspendido en la corriente de aire. Se puede presentar

de varias formas, como ondulaciones de material o como paquetes de material

separados por una zona de aire, aunque existen muchos puntos intermedios en

que se presentan combinaciones de ambas. En general si en una tubera

horizontal existe acumulacin de material en la parte inferior o no se observa un

43

transporte diluido homogneo del material estamos frente a un sistema de tipo

denso. Por sta razn algunos autores simplemente expresan que si no se tiene

una fase diluida claramente identificable entonces estamos ante fase densa.

El volumen de aire requerido es bastante menor que en fase diluida, el solido se

transporta por empuje haciendo paquetes, para ello se requiere un menor flujo

de aire pero una mayor presin. La energa requerida es menor, al igual que el

desgaste en la tubera, es recomendable cuando el material transportado es

abrasivo, se pueden generar taponamientos debido a que el material crea una

capa sobre la superficie inferior de la tubera, lo que restringe el flujo.

Figura 6. Transporte en fase densa

44

4. CLASIFICACIN DE LOS TRANSPORTADORES NEUMTICOS

Dependiendo de las necesidades del proceso de transporte se puede poseer un

transporte por succin (vaco), por presin o por una combinacin de ambos.

Existe otro tipo de transporte en fase densa que se da con un equipo especial

llamado tanque de soplado o de presin que enva porciones de material

presurizado a travs de la tubera, el transporte es intermitente. El siguiente

diagrama representa las diversas combinaciones posibles y las caractersticas

de cada tipo de transportador seleccionado.

Figura 7. Sistemas de transporte disponible para transporte neumtico

4.1 TRANSPORTADORES POR SUCCIN

El transporte por succin generalmente se usa para arrastrar material desde

diversas fuentes hacia un punto comn; si existe poca o nula diferencia de

presin en los puntos de carga del material no existen problemas al utilizar sta

opcin, el elemento dosificador del producto que entra al sistema es muy

simple, si se compara con su similar de presin positiva.

Una ventaja de stos sistemas es que el aire y las posibles fugas de gas se dan

desde el exterior del sistema hacia el interior del mismo, por sta razn el

impacto por contaminacin de las partculas de polvo al ambiente es

45

prcticamente nulo. Esta caracterstica es fundamental cuando se trabaja con

materiales txicos o peligrosos.

Cuando se desea transportar material apilado o de depsitos abiertos como

barcos, el sistema de succin es la mejor opcin, tambin lo es cuando se

realizan labores de limpieza.

Debido a que el aire succionado por la unidad de potencia atraviesa el cuerpo

de la misma, es importante que se realice un filtrado riguroso de la corriente de

gas para evitar daos a la unidad.

Se debe prestar especial atencin a lo siguientes detalles:

1) Cuando se transporta de forma continua, el material depositado en el

recipiente de almacenamiento debe ser retirado continuamente, esto se hace

generalmente mediante una vlvula dosificadora en la base del mismo. Se

pueden presentar problemas debido a que el aire que entra a la unidad de

potencia puede ser obtenido a travs de las fugas en sta vlvula y no del sitio

donde se encuentra el material a transportar

2) El recipiente de almacenamiento debe ser diseado para lidiar con el vaco

del sistema.

3) Debido a que el aire succionado por la unidad de potencia atraviesa el

cuerpo de la misma, es importante que se realice un filtrado riguroso de la

corriente de gas para evitar daos a la unidad.

Las figuras 8 y 9 representan las configuraciones ms comunes para l sistema

de transporte neumtico por succin, el primero permite transportar desde

diversos puntos a un sitio comn, el segundo posee una manguera flexible que

permite alcanzar lugares complicados y llevar el material hasta un separador.

46

Figura 8. Transporte por succin desde almacenes abiertos

4.2 TRANSPORTADORES POR PRESIN

El transporte por presin permite transportar desde un punto a mltiples puntos

mediante la adicin de vlvulas de desvo en la tubera.

En general el material puede ingresar al sistema directamente desde una tolva

o recipiente de almacenamiento hacia la tubera de transporte mediante la

accin de la presin atmosfrica y la fuerza de gravedad, pero comnmente se

utilizan sistemas de dosificacin en la base del recipiente para poder controlar

la cantidad de material que ingresa al sistema, se debe tener cuidado al utilizar

vlvulas rotativas como sistemas de dosificacin debido a que se pueden

presentar fugas de aire considerables a travs de ellas.

47

Figura 9. Configuracin tpica de transporte por presin

4.3 TRANSPORTADORES COMBINADOS

Poseen las caractersticas de ambos sistemas, se logra aumentar la distancia de

transporte que se lograra si solamente se tuviera el sistema de vaco. Permiten

cargar el material desde mltiples fuentes y hacia mltiples destinos.

Pueden funcionar con una sola unidad de potencia pero en ste caso se debe

tener en cuenta que la diferencia de presin total del sistema (seccin de vaco+

seccin de presin) debe ser lograda con el mismo elemento. En el caso de que

no sea posible realizar el proceso con una sola unidad, se usan dos, la primera

ubicada al final de la etapa de succin y la segunda al inicio de la zona de presin

Se debe poseer un sistema de filtrado al final de cada etapa para evitar daos

internos a la unidad propulsora y envo de material a la atmsfera.

Adicionalmente es fundamental que el tamao de la tubera en cada etapa del

proceso sea cuidadosamente escogida debido a que las condiciones de presin y

de cantidad de material (cuando se cuenta con dosificacin al final de la primera

etapa) pueden ser muy diferentes.

48

Figura 10. Transportador neumtico combinado

49

5. ELEMENTOS DE UN TRANSPORTADOR NEUMTICO

Los transportadores neumticos son en general bastante simples, poseen pocas

partes en movimiento y son ampliamente recomendados para transporte de

granos o polvos, sus partes principales son: una fuente de gas comprimido,

(generalmente aire) un elemento dosificador de material, una tubera de

transporte y un elemento separador de la mezcla solido-fluido, tambin puede

existir un sistema de filtrado, cuando las condiciones lo requieran. De igual forma,

si el sistema lo requiere se pueden utilizar vlvulas de desvo para cambiar los

recorridos del material y sus sitios de carga y descarga.

5.1 FUENTES DE AIRE

5.1.1 GENERALIDADES

La fuente de aire para un transportador neumtico es el corazn del sistema. Es a

menudo una de las decisiones ms importantes a tomar. Se debe ser cuidadoso

con la eleccin cuando se realiza un diseo debido a que por lo general ste

elemento es el de mayor costo y la capacidad potencial de transporte depende

directamente de stos elementos, al igual que la mayor parte de la potencia

consumida.

Los requerimientos de presin estn fuertemente influenciados por la distancia de

transporte, para largas distancias a menudo se utilizan varias unidades ubicadas

a intervalos en la tubera; de sta forma se evita tener un equipo nico

voluminoso y poco rentable cundo se desea disminuir la cantidad de material.

Los accesorios que posee el sistema son otra fuente importante de cadas de

presin. Las vlvulas dosificadoras, los codos y las tuberas de dimetro reducido

generan un componente importante de los requerimientos de presin que debe

suplir la unidad.

50

Las necesidades de gas dependen fundamentalmente de la cantidad de material

a transportar, el dimetro de la tubera y de la relacin msica de material y fluido

escogida. Un aumento en los parmetros anteriores implica mayores caudales de

aire, la unidad debe ser capaz de proveer el volumen de aire requerido para el

funcionamiento adecuado del sistema. Existe una gran variedad de unidades de

movimiento de aire por lo que se puede satisfacer de manera adecuada

prcticamente cualquier necesidad.

Figura 11. Tipos de unidades de movimiento de aire

5.1.2 TIPOS DE ELEMENTOS SOPLANTES

Los dispositivos ms comunes son los ventiladores, sopladores y compresores.

5.1.2.* VENTILADOR

Generan altos caudales de fluido a baja presin, generalmente son usados en

sistemas de fase diluida y de poca longitud, su uso se da en sistemas con pocas

posibilidades de obstruccin de la tubera. Pueden ser usados en sistemas mixtos

de presin y vaco, especialmente con materiales ligeros y con poca adherencia.

51

El aumento en la rata de material transportado se puede dar incrementando el

dimetro de la tubera, pero esto implica un mayor caudal de aire requerido.

Presenta la desventaja de una curva caracterstica casi plana, que permite una

gran variacin del caudal entregado debido a los requerimientos de presin del

sistema, lo anterior puede generar inconvenientes cuando se presenta

acumulacin de material y en consecuencia una mayor cada de presin, en ste

caso es probable que el flujo de aire suministrado no sea suficiente para

mantener suspendido el material y se obstruya la tubera.

Figura 12. Curva caracterstica de un ventilador

5.1.2.* SOPLADOR

Son usados ampliamente en sistemas con cadas de presin inferiores a 1 bar,

son probablemente los equipos ms utilizados en sistemas de fase diluida, ya que

permiten niveles medios de caudal y presin. Pueden ser utilizados en sistemas

mixtos, y su curva caracterstica indica que tienen poca variacin en el caudal

entregado independientemente de los requerimientos de presin, esto hace que

las obstrucciones en la tubera ocasionadas por el material depositado debido a

disminucin en el caudal de aire son menos probables que con el uso de

ventiladores.

52

Figura 13. Curva caracterstica de un soplador

5.1.2.* COMPRESOR

Existe gran variedad de equipos de ste tipo, en general permiten tener niveles

medios o altos de presin y un caudal elevado de aire (una sola unidad puede

generar presiones de 60 PSI o superiores y caudales de 3000 Pies^3/min), se

utilizan en sistemas de trabajo pesado; puede presentar inconvenientes debido a

que en algunos tipos el flujo es altamente pulsante y variable como se muestra en

la figura 14.

Figura 14. Caractersticas de variacin de presin y caudal de diversos

compresores

53

5.2 SISTEMAS DE DOSIFICACIN DE MATERIAL

5.2.1 GENERALIDADES

En general un dosificador introduce un material prcticamente estacionario a

corrientes de gas a alta velocidad, ya sean presurizadas o en vaco. Es el

elemento individual que ms contribuye con la cada de presin del sistema, esto

se debe principalmente a un intercambio de momento del fluido a las partculas

junto con una gran cantidad de turbulencia en la mezcla solido-fluido en la zona

de alimentacin, por sta razn deben ser cuidadosamente seleccionados

buscando minimizar las prdidas de ste tipo.

Los sistemas de dosificacin de material son muy importantes porque permiten

controlar la relacin msica de material a transportar por un volumen determinado

de aire, de sta forma se puede cambiar la potencia requerida por el

transportador o el tipo de transporte, que puede pasar de fase densa a diluida y

viceversa.

En sistemas combinados pueden funcionar como separadores entre las etapas

del transportador, donde funcionan como sellos o como dosificadores para el

empaque del producto transportado al final de la etapa, generalmente se ubican

en la base de los separadores o de los elementos de almacenamiento de

material.

Dependiendo de la presin de trabajo del sistema se selecciona el sistema de

dosificacin ms conveniente como muestra la tabla 1.

54

Tabla 1. Presin de trabajo aproximada de diversos dispositivos de dosificacin

5.2.2 TIPOS DE DOSIFICADORES

Dependiendo de las necesidades se tienen mltiples opciones de dosificacin, de

tornillo, vlvulas rotativas, venturi, boquillas de succin entre otros.

5.2.2.* VENTURI

Es el sistema ms simple, la dosificacin se da como consecuencia de la cada

de presin provocada por la corriente de aire que al atravesar la garganta del

dispositivo crea una zona de presin negativa que permite la entrada del material.

Est limitado a distancias cortas y baja cantidad de material.

Figura 15. Venturi para dosificacin de material

55

5.2.2.* BOQUILLA DE SUCCIN

Mecnicamente es un sistema bastante simple que se usa en sistemas de vaco,

consiste de 2 tubos concntricos, el interno est conectado directamente a la

lnea de transporte, el externo de un dimetro poco mayor posee la parte inferior

abierta y la parte superior cubierta pero con perforaciones que permiten el paso

de aire hacia el tubo interno. Mediante el deslizamiento del elemento externo

sobre el interno se modifica la forma y la cantidad de material que es

transportado.

Debido al suministro de aire a travs del espacio entre los tubos se evita el

atascamiento de material en la punta de la boquilla, es muy til en labores de

limpieza debido a que permite una gran versatilidad, sobre todo si se monta el

tubo externo sobre una tubera flexible.

Figura 16. Boquilla de succin

56

Figura 17. Aplicacin de boquilla de succin

5.2.2.* TORNILLO

El dosificador de tornillo puede ser usado en sistemas de presin o vaco.

Mediante la rotacin de un tornillo logra introducir material en la lnea de

transporte; un elemento de desplazamiento positivo que logra variar la cantidad

de material transportado mediante la variacin de su velocidad de rotacin.

Puede presentar problemas de fugas de aire a travs de su carcasa

especialmente en sistemas de presin.

Figura 18. Dosificadora de tornillo

57

5.2.2.* VALVULA ROTATIVA

Es el elemento de dosificacin ms utilizado, puede funcionar en sistemas de

presin o vaco, en niveles bajos, medios o de alta presin; en muchos casos se

utiliza como sello de aire entre las diferentes etapas del transportador.

Est compuesto por un rotor con paletas ubicadas longitudinalmente y que crean

espacios o bolsillos que al ser llenados por el material y debido a la rotacin del

eje es depositado en la zona inferior por accin de la fuerza de gravedad. El rotor

est encerrado en una carcasa y el material es transportado entre el eje, las

paletas y la carcasa; mediante la variacin de la velocidad del eje motriz se puede

alterar la cantidad de material dosificado en la lnea de transporte.

Figura 19. Vlvula dosificadora

Debido a los espacios entre las paletas y a la diferencia de presin entre las

partes superior e inferior de la vlvula se puede generar una corriente de aire

ascendente, que puede generar perdidas considerables de fluido y resuspensin

del material, es decir flotacin del mismo sin permitir la entrada a la vlvula, por

sta razn se puede optar por diseos alternativos que tienen sus puertos de

entrada y salida desalineados o perpendiculares las aspas al flujo de material

58

como se muestra en la figura 20, de sta forma se busca que sea ms difcil el

paso de aire; tambin se puede dirigir el aire que entra hacia lugares externos y

que no impidan el llenado como se muestra en la figura 21.

Figura 20. Diseos alternativos de vlvulas rotativas. a) Puertos desalineados

b) Aspas perpendiculares al flujo

Figura 21. Opciones de ventear vlvulas rotativas. a) A travs del cicln. b) Por la

carcasa y dirigida a la salida de aire del cicln. c) Por el puerto de entrada.

59

Con las vlvulas rotativas se debe prestar atencin al tiempo de llenado de los

bolsillos, ya que ste puede ser bastante pequeo si se tiene en cuenta que stos

dispositivos tienen una velocidad de rotacin entre 20 y 60 revoluciones por

minuto, si el nmero de paletas es muy grande es probable que no se tenga un

llenado adecuado, pues el material no tendr tiempo de fluir ni hacia el interior ni

hacia el exterior, la figura 22 muestra la relacin entre la cantidad de material

dosificado y las revoluciones de la vlvula.

Figura 22. Relacin entre cantidad de material y revoluciones de la vlvula

rotativa

5.3 VALVULAS DE DESVO

Las vlvulas de desvo son elementos mecnicos que se encargan de cambiar la

trayectoria del material transportado en la corriente de gas mediante la alineacin

de la tubera de entrada con diversos puertos como lo muestra la figura 23

60

Figura 23. Vlvula de desvo

Existen mltiples configuraciones de vlvulas de desvo, existen diseos con

accionamiento manual o automtico, normalmente con elementos neumticos,

ste tipo de vlvulas permiten la carga y descarga de material desde y hacia

distintos recipientes de almacenamiento.

Permiten tambin la automatizacin del proceso de transporte si poseen

accionamiento mecnico. Las vlvulas de desvo son uno de los componentes

mecnicos que le brindan mayor versatilidad a un transportador neumtico, pues

permiten cambios de direccin progresivos, sin generar las cadas de presin

elevadas que un codo estndar puede presentar y a diferencia de stos puede

rotar sobre su eje para brindar rutas alternas.

5.4 SEPARADORES CICLNICOS

Los separadores ciclnicos (a menudo llamados simplemente ciclones) son

equipos utilizados para realizar la separacin de material slido que se

encuentra suspendido en una corriente de gas, son altamente efectivos

especialmente con partculas mayores a 10 micrmetros, aunque existen

diseos especiales que pueden desempearse satisfactoriamente con

61

partculas de hasta 200 micrmetros; tambin pueden ser usados con niebla, es

decir pequeas cantidades de agua en una corriente de gas.

Sus aplicaciones tpicas son el control de la contaminacin del aire ocasionado

por diversas fuentes como plantas de generacin de electricidad a base de

combustibles fsiles, hornos, incineradores y aplicaciones agroindustriales en

general.

Constituyen uno de los mtodos de separacin ms econmicos, no cuentan

con partes mviles y los materiales para su construccin pueden ser bastante

econmicos.

5.4.1 GENERALIDADES

Un cicln est formado bsicamente por un cilindro vertical con fondo cnico,

una entrada tangencial normalmente cuadrada, un ducto en la parte superior

que se encarga de retirar el aire limpio y otro inferior que extrae el material

slido previamente separado.

Figura 24. Geometria del separador ciclnico

62

Figura 25. Definicin de parmetros geomtricos del separador ciclnico

Su principio de funcionamiento es el de impactacin inercial, generado por la

fuerza centrfuga; las partculas solidas viajan en la corriente de gas y entran

tangencialmente al cicln, donde chocan con las paredes del mismo, por sta

razn se recomienda un puerto de entrada cuadrado y que sea ms alto que

ancho, de sta forma se garantiza un incremento en la superficie tangencial,

esto brinda una mayor eficiencia de separacin.

63

Figura 26. Principio de funcionamiento de un separador ciclonico

(Impactacin inercial)

Luego de que la mezcla gas-solido entra al cicln se presenta un doble vrtice,

uno exterior formado por la corriente de gas que entra al cicln, las partculas

solidas, debido a su inercia tienden a moverse hacia la periferia del equipo

alejndose de la entrada del gas y acumulndose en la base cnica. El segundo

vrtice es creado por el gas luego de que alcanza la base del cicln para luego

ascender por la zona central describiendo una hlice.

Figura 27. Generacion de vortices de aire y partculas.

64

Bsicamente los ciclones se comportan como cmaras de sedimentacin, pero

son ms eficientes que stas debido a que no utilizan la fuerza gravitacional

para lograr la separacin sino la fuerza centrfuga. Debido a que la fuerza

centrfuga depende de la velocidad del gas y del radio de giro es posible que

sta fuerza sea mucho mayor que la gravitacional; la mayor parte de la

recoleccin se da en la zona cnica debido a la reduccin en el radio de giro.

Se podra pensar que si se aumenta la velocidad de entrada al cicln se tendra

una mayor eficiencia de separacin pero esto no es cierto debido a la

resustentacin del material; cuando la velocidad del gas es demasiado alta es

posible que en el fondo del cicln parte del material sea arrastrado por el vrtice

interno que sale del cicln; esto entorpece la separacin y salida de material por

la parte inferior del cicln, en general se recomienda que la velocidad de

entrada debe estar entre 15,2 m/s y 27,4 m/s, se recomienda disear para

velocidades de 22 m/s. El incremento de la velocidad por encima de los valores

recomendados implica un mayor gasto de energa ocasionado por una cada de

presin ms alta y una eficiencia de recoleccin menor.

Aunque un cambio en las condiciones de operacin genera una variacin en la

eficiencia del cicln, el factor que ms influye es el dimetro del mismo. Un

cicln de dimetro ms pequeo a una cada de presin fija es ms eficiente,

pero a menudo se requiere utilizar varias unidades en paralelo para lograr la

capacidad requerida.

5.4.2 FAMILIAS DE SEPARADORES CICLNICOS

Los ciclones de entrada tangencial pueden ser clasificados en 3 grandes

familias o tipos que tienen caractersticas definidas; ciclones de alta eficiencia,

ciclones de alta capacidad y ciclones convencionales.

65

La tabla 2 presenta los valores de eficiencia de separacin estndar es decir

partculas de un tamao superior a 10 micrmetros, para partculas de 10

micrmetros y de 2,5 micrmetros para cada familia.

Tabla 2. Eficiencia de remocin de las familias de ciclones

5.4.2.* FAMILIA DE CICLONES DE ALTA EFICIENCIA

Los ciclones de alta eficiencia estn diseados para separar adecuadamente

partculas de 5 micrmetros con una eficiencia cercana al 90%. Los diseos de

ste tipo presentan cadas de presin grandes, por lo que el consumo de

energa es elevado, en general stos equipos se disean teniendo en cuenta la

cada de presin mxima permisible.

Los parmetros que definen las dimensiones del cicln para cada tipo de esta

familia, estn definidos en la tabla 3.

66

Tabla 3. Caractersticas de los ciclones de alta eficiencia

5.4.2.* FAMILIA DE CICLONES DE ALTA CAPACIDAD

Los ciclones de alta capacidad estn diseados para partculas de ms de 20

micrmetros aunque es posible que con partculas ms pequeas se presente

algn grado de separacin.

En la siguiente tabla se encuentra las correlaciones que identifican la geometra

y caractersticas de la familia de ciclones de alta capacidad, y para cada tipo en

esta familia.

67

Tabla 4. Caracteristicas de los ciclones de alta capacidad

5.4.2.* FAMILIA DE CICLONES CONVENCIONALES

Los ciclones convencionales se encuentran en una gran cantidad de tamaos,

la entrada al equipo puede ser rectangular o circular. Sirven para la separacin

de partculas ms grandes, la cada de presin no es tan elevada y en general

poseen una buena eficiencia de separacin para la mayora de las

aplicaciones, de acuerdo a su disposicin geomtrica se pueden tener las

siguientes configuraciones.

68

Figura 28.Tipos de ciclones. a) Entrada tangencial y descarga axial; b)

Entrada tangencial y descarga perifrica;

c) Entrada y descargas axiales; d) Entrada axial y descarga perifrica

Los parmetros que definen las dimensiones y caractersticas de cada tipo de

cicln dentro de la familia convencional estn definidos en la siguiente tabla 5.

Tabla 5. Caracteristicas de los ciclones convencionales

69

5.4.3 CONSIDERACIONES DE DISEO DE CICLONES

El comportamiento de los diferentes tipos de ciclones dependen esencialmente

de dos variables, la velocidad del gas en la entrada del cicln y el tamao de la

partcula, a partir de estas dos variables escogemos la familia de ciclones que

mejor se adapte a las condiciones de proceso.

En nuestro diseo especfico se necesita separar cereales en donde el grano de

menor tamao es de 4480 micrmetros y el de mayor tamao es de 10030

micrmetros viendo esto y comparando con la tabla 2, es claro que el tipo de

partcula a mover entrara en la columna de partcula estndar (PST), que me

identifica un tamao de partcula mayor a 10 micrmetros.

Al tener partculas de gran tamao los separadores ciclnicos que mejor se

comportan para este tipo de material son los de la familia convencional, de esta

familia seleccionaremos los ciclones con entrada tangencial y salida axial tipo

ZENZ.

Teniendo las correlaciones que me identifican las dimensiones geomtricas del

cicln en la tabla 5, diseo el cicln.

Para el clculo del dimetro del cicln se identifican los datos de entrada de

diseo: Primero la capacidad de separacin deseada, segundo la densidad del

gas o vehculo de transporte, tercero la velocidad de entrada del gas en el

cicln que est en el intervalo de 15.2 a 27.4 m/s y cuarto el tamao de la

partcula a separar.

Calculo de las dimensiones del cicln convencional tipo Zenz:

1. Calculo del caudal de gas que entra al cicln de forma tangencial ():

(5.3.3.1)

70

(5.3.3.2)

Donde: = Flujo msico de material (solido)

= Relacin de flujo msico entre material y gas

= Flujo msico del gas

= Densidad del gaS

2. Calculo del rea de entrada al cicln ():

(5.3.3.3)

Donde: = Velocidad de gas en la entrada del cicln

3. Calculo del dimetro segn correlaciones de la tabla (5):

(5.3.3.4)

0.5 (5.3.3.5)

0.25 (5.3.3.6)

0.5 0.25 (5.3.3.7)

..

(5.3.3.8)

4. Calculo de las dems dimensiones del cicln:

Altura de entrada al cicln (a): 0.5 (5.3.3.9) Ancho de entrada al cicln (b): 0.25 (5.3.3.10) Altura de salida del cicln (S): 0.75 (5.3.3.11) Dimetro salida del cicln (Ds): 0.5 (5.3.3.12)

71

Altura parte cilndrica del cicln (h): 2 (5.3.3.13) Altura total cicln (H): 4 (5.3.3.14) Altura parte cnica del cicln (z): 2 (5.3.3.15) Dimetro de salida del polvo (B): 0.5 (5.3.3.16)

5. Calculo de velocidad de saltacin, de la misma forma expuesta en la

seccin 3:

(5.3.3.17)

Donde: 1440 1.96

1100 2.5

Tamao de la partcula a transportar

= Aceleracin de la gravedad

= Dimetro de tubera

Para conocer si hay o no resuspensin en el cicln se tiene que cumplir la

siguiente condicin.

1.35 (5.3.3.18)

6. Calculo de la cada de presin en el cicln Pc:

(5.3.3.19)

Donde: = nmero de cabezas de velocidad (ver tabla (5))

= 16 para ciclones con entrada tangencial

72

(5.3.3.20)

Existen parmetros que permiten evaluar el desempeo adecuado de un cicln,

entre ellos se tiene el dimetro del cicln, la cada de presin, la relacin entre

la velocidad de entrada del gas y la velocidad de saltacin que me representan

si hay o no resustentacin en el fondo del cicln, es decir partculas que

permanecen en flotacin.

Velocidades de entrada muy bajas permiten la sedimentacin de partculas y

neutralizan el efecto de la fuerza centrfuga generando disminucin en la

eficiencia de coleccin; a velocidades de entrada muy altas pueden

resuspender partculas previamente colectadas, disminuyendo tambin la

eficiencia. La experiencia indica que la velocidad de entrada al cicln debe

situarse en el intervalo de 15.2 a 27.4 m/s. Kalen y Zenz propusieron la

existencia de una velocidad de saltacin en el cicln para explicar por qu la

eficiencia de coleccin algunas veces descenda con incrementos en la

velocidad de entrada. De lo anterior se puede observar que lo ideal es trabajar

con velocidades de entrada lo suficientemente altas para aprovechar el efecto

de la aceleracin centrfuga, sin sobrepasar la velocidad que implica

resuspensin del material ya colectado.

Estos parmetros de diseo son una recomendacin, ms no una imposicin en

el momento de disear.

Tabla 6. Parametros y valores recomendados de diseo para ciclones.

73

5.4.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS CICLONES

Figura 29. Ventajas y desventajas de los separadores ciclnicos

74

6. DETERMINACIN DE LAS CONDICIONES DE TUBERA

Para la determinacin de los fenmenos que se da en la tubera con el flujo de

una mezcla de aire y partculas solidas existen diferentes mtodos que modelan

el comportamiento de la mezcla durante el transporte neumtico.

El siguiente esquema muestra los diferentes mtodos que se utilizan para la

determinacin de las condiciones en la tubera.

6.1 MTODO ANALTICO

El mtodo analtico descompone y distingue todos los componentes que rene el

fenmeno del transporte neumtico o flujo de una mezcla de gas solido. Este

mtodo es estrictamente energtico, donde se evalan las prdidas de energa

durante el transporte por un gas de las partculas a travs de un ducto.

75

El siguiente cuadro identifica los modelos matemticos que se utilizan en el

mtodo:

Tabla 7. Ecuaciones del mtodo analtico

Donde: = Flujo msico de material (solido)

= Velocidad del material (solido)

= Flujo msico del gas

= Velocidad del gas

TIPO DE ENERGIA MATERIAL A

TRANSPORTAR

GAS O VEHICULODE TRANSPORTE

Energa de aceleracin

para vencer la inercia de

los slidos y ponerlos en

movimiento

12

12

Energa para elevar los

slidos o potencial

Energa necesaria para

vencer la friccin entre la

pared del ducto y la

mezcla

2

Perdidas de energa po

cambios de direccin

(accesorios, codos, etc)

2 2

2

2

76

= Densidad del material (solido)

= Aceleracin de la gravedad

= Diferencia de altura

= Distancia de transporte

= Coeficiente de friccin entre el material y el ducto

= Coeficiente de friccin entre el gas y el ducto

= Dimetro de tubera

= Radio de curvatura del codo

= Numero de codos

= Constante que depende de las caractersticas fsicas del accesorio

6.2 MTODO DE FISCHER

El mtodo de Fischer es caracterstico por ser muy conservativo ya que sobre

disea el sistema resultante tomando parmetros con valores relativamente

elevados para asegurarse de prevenir cualquier obstruccin o interferencia en el

flujo.

Este mtodo utiliza cuatro tipos de energa las cuales son, energa prdida en

codos y accesorios, energa consumida por el transporte horizontal, energa

consumida por el transporte vertical, la energa de aceleracin y la energa

consumida por el flujo de gas identificada por las siguientes ecuaciones. La

siguiente tabla me determina los valores de las prdidas de energa mediante

ecuaciones:

77

Tabla 8. Ecuaciones del metodo de Fischer

Donde: = Flujo msico de material (solido)

= Velocidad del material (solido)

= Flujo msico del gas

= Velocidad del gas

= Densidad del material (solido)

= Aceleracin de la gravedad

= Distancia vertical de transporte

Energa de

aceleracin

Energa consumida

por el transporte horizontal

Energa consumida

por el transporte vertical

Energa perdida

en codos y accesorios

Energa consumida

por el aire

2

Energa total consumida

78

= Distancia de horizontal de transporte

= Longitud total de transporte

= Coeficiente de friccin entre el material y el ducto

= Coeficiente de friccin entre el gas y el ducto

= Dimetro de tubera

= Angulo de curvatura

= Numero de codos

= Caudal de gas

6.3 MTODO DE EDITORIAL LABOR

Este mtodo de Editorial Labor calcula la cada de presin por carga para que

mediante algunas correcciones con factores sugeridos en tablas y graficas

podremos hallar un dimetro de tubera.

En este mtodo los datos de entrada para el clculo y diseo son la densidad del

material, la longitud total de la tubera o de transporte, capacidad de transporte,

numero de codos y longitud vertical de transporte

Conociendo el material a transportar y sus caractersticas (Anexo A) encontramos

la velocidad mnima de transporte. Teniendo en cuenta la relacin msica

deseada se calcula la densidad de la mezcla.

Para el clculo del dimetro aproximado de tubera multiplicamos la velocidad

mnima de transporte por un factor de seguridad de 1.5; Teniendo estos valores

hallamos el dimetro mediante la siguiente ecuacin:

79

(6.3.1)

Con el dimetro calculado se estandariza, y se recalculan la densidad de la

mezcla y la velocidad.

(6.3.2)

El valor de la densidad de la mezcla recalculado deber ser:

(6.3.3)

Calculo de las prdidas de presin de carga:

. 2.5 3 2 (6.3.4)

Donde: = Flujo msico de material (solido)

= Velocidad mnima de transporte (Ver Anexo A)

= Densidad de la mezcla

= Dimetro de tubera

= Densidad de la mezcla corregida

= Velocidad mnima de transporte corregida

= Dimetro de tubera estandarizado

= Distancia total de transporte

2 = Coeficiente de friccin del gas con respecto al material

80

3 = Factor de rozamiento en codos

= Numero de codos

= Distancia vertical de transporte

6.4 MTODO EMPRICO

Es el mtodo ms usado en el diseo de sistemas neumticos en la industria.

Se tienen en cuenta los fundamentos tericos expuestos por M. Gasterstadt.

Este mtodo en general es la sumatoria de las prdidas de presin por

transporte horizontal, perdidas de presin por transporte vertical, perdidas de

presin en codos, perdidas de presin en ciclones y perdidas por aceleraciones.

Perdidas por friccin

en el transporte horizontal

Perdidas por friccin

en el transporte vertical

2 100

Perdidas en ciclones Equivale a una cabeza de velocidad por cicln

Perdidas por

aceleraciones

2.25

Tabla 9. Ecuaciones del metodo Empirico

Donde: = Relacin msica = /

= Flujo msico de material (solido)

= Flujo msico del gas

81

= Distancia total horizontal

= Cada de presin en 100 pies de tubera

= Distancia total vertical

= Dimetro de tubera

= Numero de codos

= Presin de velocidad

= Nmero de aceleraciones

6.5 MTODO DE Mc CABE

Este mtodo parte de la presin en la entrada del equipo que en un principio es

un dato desconocido, pero que se puede evaluar utilizando cualquiera de los

mtodos anteriormente nombrados, este mtodo utilizara los siguientes datos

de entrada para el desarrollo del mismo: Temperatura del aire, dimetro de

tubera, velocidad de salida del aire, dimetro de la partcula, la relacin msica

entre material y gas, esta relacin es recomendable tomarla por debajo de 10

para transporte diluido o a densidad baja, la densidad del material, la longitud

de la tubera de transporte

Procedimiento para evaluar la cada de presin a lo largo de todo el sistema:

1. Se calcula la densidad del aire en la entrada del sistema ():

29.492

460

(6.5.1)

Donde:

= Presin a la entrada del equipo

= Presin atmosfrica

82

= Temperatura del aire

2. Se calcula el flujo msico o la capacidad de transporte, por unidad de

rea (G):

(6.5.2)

Donde:

Velocidad de salida del aire

3. Se calcula el numero de Reynolds () y as hallar el coeficiente de friccin del gas con respecto a las paredes de la tubera

(6.5.3)

Donde:

= Dimetro de la tubera

Viscosidad dinmica del gas

Con el nmero de Reynolds se lee el coeficiente de friccin del gas en tablas.

4. Ahora se supone una densidad de gas media (, debe ser

ligeramente inferior a la densidad del gas hallada () y se calcula una velocidad de gas medio.

(6.5.4)

Donde:

= Velocidad de gas media

83

=Densidad media del gas

5. Se evala la densidad del gas en la salida para comprobar el dato de

calculado anteriormente.

(6.5.5)

Donde:

=Densidad del material

=Densidad del gas a la salida

= Aceleracin de la gravedad

= Dimetro de la partcula

6. Teniendo las grficas para flujo horizontal y vertical se leen los factores

de a y k y con estos valores se calcula (B):

84

1

(6.5.6)

Donde:

= Relacin msica

7. Ahora se evala la presin de salida (Pb) con una ecuacin de balance general de energa

1 29

2

1

(6.5.7)

Donde:

85

= Velocidad de entrada del gas

8. Se calcula una densidad del gas en la salida

(6.5.8)

(6.5.9)

Ahora se compara el valor de supuesto con el valor hallado de , estos

valores tienen que dar muy cercanos y si no se toma el promedio de los dos y

se sigue iterando hasta conseguir una buena aproximacin entre los dos

valores y ya con la densidad media del gas se puede calcular la cada de

presin para el sistema.

86

7. MODELO MATEMTICO DEL PROCESO DE TRANSPORTE NEUMTICO

Debido a la complejidad de los procesos presentes en el transporte neumtico,

una aproximacin terica que lo modele debe contener gran cantidad de

variables y requiere la aplicacin de una amplia variedad de conceptos fsicos

para lograr una aproximacin aceptable al fenmeno.

A continuacin presentaremos un conjunto de ecuaciones que pretenden dar

una comprensin general del transporte neumtico. Con la adecuada utilizacin

de las mismas lograremos determinar la cada de presin ocasionada por el

transporte de material.

A diferencia de la mayor parte de los mtodos usados para el clculo de

condiciones de tubera, el que presentaremos a continuacin pretende dar

explicacin matemtica a los procesos, sin recurrir a ecuaciones empricas, lo

que hace mucho ms generales los resultados obtenidos.

El modelo no discrimina entre transporte en fase densa y fase diluida de una

forma directa, pero mediante el cambio de la relacin msica de solido y aire se

puede obtener soluciones igualmente vlidas para los dos tipos de transporte.

Permite tambin determinar las cadas de presin en el sistema

independientemente de si se tiene transporte en presin o vaco (succin), lo

anterior lo convierte en una de las formas ms completas para determinar las

cadas de presin en tuberas horizontales, verticales o inclinadas.

El desarrollo de modelo se basa en la utilizacin simultnea de ecuaciones de:

1) Balance de masa

2) Balance de momentum

3) Balance de energa.

87

La figura 30 presenta un diagrama de cuerpo libre para un diferencial de tubera

que contiene una corriente de aire transportando partculas solidas (mezcla).

Las fuerzas se descomponen en los ejes X y Y y se hace el balance de

momentum para aire y solido.

Figura 30. Diagrama de cuerpo libre de la mezcla slido-fluido.

Diferencial de mezcla:

Donde: = Densidad del gas (aire)

= Densidad del solido (cereal)

= Porosidad

= Fuerza de empuje de la corriente de gas

88

1) Ecuacin de balance de momentum en el eje x para el material (cereal)

1 (7.1)

= Fuerza de interaccin entre el