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TRANSPORTE DE MATERIALES

Fajas, tornillo sinfín, elevadores y neumático 2011 Universidad Nacional de Trujillo Ing. Raúl Benito Siche Jara

I. INTRODUCCIÓN En un contexto económico globalizado, con mercados cada vez más exigentes, una agresiva competencia y una inminente recesión económica mundial, es imperante que la industria asuma los retos de producir más, mejor y sobre todo, rápido. La eficiencia en la producción, es hoy el resultado de la elección racional y planificada de los métodos para ejecutar las operaciones industriales y en este sentido, aunque la logística para el movimiento de materiales, insumos y productos es a menudo subestimada, pues no incide en la mejora del producto final, sí representa un valor operativo oneroso por ser un factor determinante para optimizar procesos y reducir costos. Dado que el objetivo siempre es que el flujo de materiales transcurra eficientemente, desde la recepción, almacenaje de materias primas y semielaboradas, pasando por todos los procesos productivos, hasta el embalaje y la entrega del producto final, algunas ramas de la ingeniería mecánica e industrial así como del diseño, se han especializado en crear dispositivos para este propósito. Así, los sistemas de transporte de materiales, además de eliminar o reducir los movimientos ineficientes y acelerar los eficientes, proteger la calidad de los materiales y disminuir los costos operativos, cumplen una función de vital importancia: cuidan la integridad física de los operarios al facilitar su trabajo y minimizar los riesgos laborales. La historia demuestra que desde épocas y en civilizaciones antiguas, existieron métodos eficaces para transportar materiales, ejemplo de ello, es la forma como los egipcios lograron movilizar los grandes bloques de piedra para construir las pirámides, al utilizar rodillos de madera. Este método (rodillos), que después se convertiría en uno de los mecanismos más utilizado para el transporte de materiales, es sólo uno de los muchos que en la actualidad existen y que facilitan, sin lugar a dudas, el trabajo del ser humano en las plantas de producción. Hoy en día diseñar un óptimo sistema de transporte de materiales en plantas agroindustriales constituye la preocupación permanente por mejorar su administración, finanzas y producción; ésto ha conducido a la implementación de sistemas automáticos que facilitan las tareas mecánicas y rutinarias, además de disminuir errores y reducir los costos, compartir datos, utilizar conjuntamente diferentes componentes, guías y prácticas para proveer procesos eficaces y eficientes. Las empresas pueden y deben aprovechar los beneficios que las aplicaciones de gestión proporcionan a su negocio, ya que a través de estas soluciones informáticas logran simplificar y controlar sus procedimientos. Motivados por profundizar el conocimiento de los transportadores utilizados en la Ingeniería Agroindustrial, se realiza la presente investigación con el principal objetivo de desarrollar y validar un software de aplicación para el cálculo de flujo de sistemas de transporte de materiales agroindustriales, además de identificar las tecnologías empleadas en el transporte de materiales agroindustriales y su aplicación.

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II. MARCO TEORICO

2.1. HISTORIA DE LOS TRANSPORTADORES El transporte de materiales ha constituido desde los inicios de la humanidad un gran estímulo al ingenio y a la inventiva del hombre. Las civilizaciones antiguas se enfrentaron con el problema de mover objetos pesados y de gran volumen. Se considera como el primer medio de transporte al hombre o más a menudo a la mujer, la cual asumía la labor de animal de carga (Miravete y Larrodé, 1996). El hombre utilizaba los hombros y la cabeza para apoyar los objetos que necesitaba transportar, sin embargo, esto causaba ciertas dificultades que se solucionaron con la utilización de elementos auxiliares tales como yugos y largueros para los hombros, o sacos para colocarlos en la espalda. Posteriormente, comienza a utilizar a los animales para ejercer la labor de transportar materiales. Los camellos son los animales de carga por excelencia, puesto que son los únicos animales capaces de atravesar los grandes desiertos de arena dada su capacidad para realizar largos recorridos sin agua y su pesuña de planta plana y con gran superficie lo han convertido en la bestia ideal para recorrido en regiones desérticas. Su fuerza es superior a la de cualquier otro animal. Ya en el siglo XV, con el descubrimiento de América se difundió la utilización del caballo, el cual siguió siendo utilizado hasta mediados del siglo XVIII como el animal de carga más empleado (Miravete et al., 1998). En la cultura egipcia, la aplicación de la mecánica estuvo dominada por cuatro elementos fundamentales: el plano inclinado, la cuña, el rodillo y la palanca. Sus aplicaciones sirvieron para el transporte de materiales en la construcción de monumentos. Cabe destacar, como una evolución del primitivo arrastre, el empleo de rodillos o traviesas cilíndricas, colocadas bajo la carga a arrastrar, y con su eje de simetría perpendicular a la dirección del movimiento. A medida que la carga avanzaba los rodillos posteriores quedaban libres y eran colocados en la parte anterior (fig. 1, izquierda). Se cree que este procedimiento fue desarrollado por primera vez en Egipto, logrando mediante su utilización, disponer de una carreta plana y transportable a voluntad. (Miravete et al., 1998). Así mismo, los griegos inventaron muchas tecnologías y mejoraron otras ya existentes, descomposición de las fuerzas con ayuda de los llamados polipastos (fig. 1, derecha). El polipasto se compone de una polea fija y una segunda sujeta al objeto a desplazar. Una cuerda discurre, partiendo de un punto fijo, primero alrededor de la polea móvil y después de la fija. Estirando del extremo libre, la cargas se desplaza únicamente la mitad de la distancia que lo hace el extremo libre (Miravete y Larrodé, 1996).

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Figura 1. Izquierda: Sistema primitivo de arrastre: rodillos o traviesas cilíndricas. 2500 a. C. Derecha: Utilización de polipastos. 432 a.C. Fuente: Durando (2005).

Figura 2. Tornillo sin fin. 212 a.C. Fuente: Durando (2005).

Los griegos fueron únicos en la era preindustrial por su capacidad se combinar las investigaciones científicas con el desarrollo de nuevas tecnologías. Un ejemplo es el tornillo de Arquímedes (fig. 2), que primero se concibió matemáticamente y más tarde se construyó. Los griegos fueron los primeros en inventar los molinos de viento y de agua, lo que les hizo pioneros en tres de los cuatro métodos de propulsión no animal anteriores a la Revolución Industrial, aunque sólo utilizaron la energía hidráulica (Isolve, 1995). 4

Los primeros dispositivos de elevación y transporte fueron las palancas, las poleas, los rodillos y los planos inclinados. La realización de grandes trabajos de construcción con este tipo de equipamiento exigía una enorme cantidad de personas. Un ejemplo lo tenemos en la construcción de la pirámide de Keops (siglo XXII a.C.) de 147 metros de altura, compuesta de prismas de piedra cada uno de 9 x 2 x 2 metros cúbicos de tamaño y 90 toneladas de peso aproximadamente. Su construcción duro unos 20 años y estuvieron ocupadas permanentemente cerca de cien mil personas (Miravete y Larrodé, 1996). Por los años 2820 a.c. se obtienen en China fibras resistentes a partir de la planta del cáñamo, los artesanos trenzan con este material las primeras cuerdas, las cuales se emplearon para las primeras instalaciones de elevación vertical (fig. 3). Hacia 1550 a.C se generaliza en Egipto y Mesopotamia el empleo del shadoof, un mecanismo de palanca utilizado para elevar el agua procedente de los ríos con el fin de regar los campos.

Figura 3. Elevación vertical con cuerda de cáñamo empleando palanca y polea. 4000-3500 a.C. Fuente: Connolly (1991).

Sin duda, Herón de Alejandría (Siglo I d.C.) dio un impulso importante a varias técnicas relacionadas con la elevación. En su obra Mechanica, además de la cuña, el tornillo y la rueda con un eje, describe la polea compuesta. Todos se basan en el mismo principio de la palanca: “una pequeña fuerza que actúa desde una gran distancia se convierte en una gran fuerza que actúa desde una pequeña distancia”. También Herón describió los trenes de engranaje (Miravete y Larrodé, 1996) Durante la Edad Media (siglo V d.C. a XVII d.C.) se conocen instalaciones de elevación que apenas se diferencian de las antiguas. El desarrollo del comercio, la navegación y la industria de los siglos XI y XII contribuyó a perfeccionar máquinas de elevación y a ampliar los sectores de aplicación.

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A principios de la Edad Moderna, con el creciente empleo del hierro y el acero, el transporte de materiales llegó a ser una actividad de importancia cada vez mayor. Se había extendido el uso de muchas clases de grúas (fig. 4), poleas y otros aparatos de elevación (cangilones); sin embargo el empleo de la mayor parte de ellos se limitaba solo al manejo de materiales que eran demasiado pesados para ser transportados por el hombre.

Figura 4. Grúa a vapor. S. XVI. Fuente: History Powys (2006).

Posteriormente, ha inicios del siglo XX, el transporte de materiales se realizaba por medios mecánicos. La puesta en vigor de este concepto significaba el nacimiento de la moderna técnica de transporte de materiales. Literalmente existen miles de tipos de equipos para manejar materiales. Varían de las herramientas de mano más básicas a los sistemas de manejo de materiales más sofisticados controlados por computadoras, que incorporan un vasto conjunto de diferentes funciones de manufactura y control (Meyers y Stephens, 2006). Hoy en día, los sistemas de transporte de materiales son una herramienta útil para la industria puesto que satisfacen las necesidades de trasladar materiales en cualquier sentido y dirección. De estas operaciones dependerá la velocidad, costo y calidad de la producción. Además, se han desarrollados nuevos métodos como el transporte neumático (Vaughn, 1998). 2.2. SELECCIÓN DE UN TRANSPORTADOR Y TIPOS La selección del transportador para un material específico en una situación dada, se complica debido al gran número de factores interrelacionados. En primer lugar, se deben sopesar las alternativas entre la elección del tipo básico de trasporte (faja, tornillo sin fin, cangilones o neumático) y, a continuación, escoger el tamaño y el diseño adecuado. Puesto que existen diseños normalizados y datos completos de ingeniería para equipos transportadores, su desempeño se puede predecir con exactitud cuando se usan para materiales alimenticios que tengan características conocidas de transporte. La capacidad requerida es un factor primordial en la selección de un transportador. Por ejemplo, los transportadores de faja se pueden fabricar de tamaños relativamente grandes y trasladar grandes cantidades de material a velocidades elevadas; por otra parte, los transportadores de tornillo sin fin se hacen extremadamente torpes cuando aumentan su tamaño y no se pueden manejar a velocidades elevadas sin crear problemas graves de abrasión (Blandón, 2008). Por lo tanto se deben tomar en consideración las características químicas y físicas de los materiales a 6

transportar, sobre todo la fluidez; también son importantes la capacidad de abrasión, friabilidad y tamaño del terrón (Blandón, 2008). Los efectos químicos de los alimentos a transportar pueden prescribir los materiales estructurales con los que se fabricarán los componentes de los transportadores. En fin, seleccionar el transportador adecuado es parte de la práctica; por lo que, mientras más se esté en contacto con los equipos transportadores, cuanto más se conozca sus características, propiedades y funcionamientos mayor será la probabilidad de acertar en el transportador adecuado. Fonseca et al. (2004) define a los transportadores como dispositivos fijos y portátiles usados para transportar los materiales entre dos puntos fijos, a través del movimiento intermitente o continuo. Desde este punto de vista los transportadores industriales se pueden clasificar por el tipo de material que transportan, si son continuos o fijos, aquellos que utilizan la gravedad como fuerza impulsora del movimiento y otros que son accionados mecánicamente. Cabe mencionar, que la mayoría de transportadores utilizan la fuerza mecánica, accionada por energía eléctrica, para transportar materiales. Aunque, en algunos casos también se puede presentar una combinación de fuerzas gravitacionales y fuerzas mecánicas, como es el caso de algunos de los modelos de transportadores de cangilones. Dentro de los transportadores para materiales agroindustriales más importantes podemos mencionar:  Transportador de Fajas  Transportador de Tornillo Sin fin  Transportador de Cangilones  Transportador Neumático Todos estos tipos de transportadores, desde su concepción hasta su diseño, serán abordados en los siguientes ítems. 2.2.1. Transportadores de Faja En esencia un transportador de faja no es más que una faja sinfín que se mueve sobre rodillos que la sostienen, denominados rodillos libres o locos. Estos se colocan uno junto al otro, para formar una plancha sobre la que se desplaza la faja. Los transportadores de faja constituyen el medio básico de transporte en la industria extractiva, fábricas de acero, centrales eléctricas, así como en la industria alimentaria (Czaplicka, 2003). Este transporte debe garantizar:  Suficiente resistencia a la tracción en dirección longitudinal y transversal.  Flexibilidad adecuada en las dos direcciones mencionadas.  Vida útil apropiada. Tiene la ventaja de poder alcanzar un consumo relativamente pequeño de energía, sobre todo para el transporte horizontal. A rendimiento y longitud iguales, el transportador de faja es aproximadamente un 10% más económico que el tornillo sin fin. El inconveniente de estos dispositivos es que ocupan mucho espacio (sobre todo cuando disponen de carrito de descarga). Además del modelo clásico, existen transportadores de faja particulares, con bordillos, o de fajas entubadas para no levantar mucho polvo. La faja debe ser lo suficientemente elástica y al mismo tiempo, no debe ser tan flexible que se doble entre los rodillos. Debe también ser lo suficientemente duradera y resistente a los pinchazos, daños mecánicos y la abrasión, además de ser insensible a las condiciones del medio 7

ambiente. Las fajas transportadoras también están obligadas a ser altamente resistente a las articulaciones entre sus secciones. Los transportadores de faja se utilizan de manera casi universal. Pueden recorrer kilómetros a velocidades de hasta 300 m/min y manejar hasta 5000 toneladas/h. También pueden funcionar en distancias cortas a velocidades suficientemente lentas para la recolección manual, con una capacidad de sólo unos cuantos kilogramos por hora; por ejemplo en las actividades de selección y limpieza de frutas y hortalizas. Las pendientes de los transportadores de faja (fig. 5) se limitan a un máximo de aproximadamente 30°, y las más comunes se encuentran en la gama de 18 a 20°. Sólo se pueden producir cambios de dirección en el plano vertical de la trayectoria de la faja y se deben diseñar cuidadosamente como curvas verticales ó codos relativamente planos.

Figura 5. Esquemas de sistemas de transportadores de faja. a) Horizontal b) Inclinado, c) Horizontal - Inclinado - Horizontal, d) Horizontal - Inclinado. Fuente: Miravete y Larrodé (1996).

Para Heide (2007), el plan higiénico del sistema de fajas que transporta producto alimentario es a menudo pasado por alto. Las fajas transportadora son el elemento de vinculación en muchos segmentos de la industria de alimentos por ello son parte importante del proceso. Escoger el cinturón correcto es vital para la eficacia y condición de higiene de la línea de la producción. 2.2.1.1. Componentes básicos de un transportador de faja El transportador de faja se utiliza para trasegar numerosos productos, ya que la gran variedad de sus accesorios permite realizar prácticamente toda clase de transporte, sea en sentido horizontal u oblicuo, de productos frágiles o abrasivos, calientes o húmedos, a granel o en sacos. Según 8

Miravete y Larrodé (1996), el trasportador de faja (fig. 6) se compone de un órgano de tracción (2) ejecutado en forma de faja si fin que a la vez es el elemento portador del trasportador, con el fin de transportar material de un sitio de carga (5) a otro de descarga (3), accionada por dos poleas o tambores cilíndricos ubicados uno en cada extremo cumpliendo cada uno la función impulsadora (1) y tensora (6), este ultimo accionada por medio de un dispositivo tensor (7). La faja se mueve sobre rodillos de apoyo en los ramales de trabajo (4) y libres o locos (8) y consta de un tambor inclinador (10) y del dispositivo para limpiar la faja (11). Todos los elementos del trasportador van montados en el bastidor metálico (9).

Figura 6. Esquema de un trasportador estacionario de faja horizontal. Fuente: Miravete y Larrodé (1996).

Para la ejecución de esa tarea se instala la faja en una maquinaria apropiada consistente del tambor de propulsión acoplado al motor y del de inversión, cuya posición puede ser cambiada a través de un dispositivo tensor. La faja propiamente dicha En la mayoría de los casos la solución más rentable para transporte de masas a distancias cortas y medias es el transportador por fajas. La faja es el componente clave de estos sistemas y sus características determinan la dinámica del rendimiento del proceso (Hou y Meng, 2008). La construcción base es de materiales resistentes en un cierto número de capas que se utilizan de acuerdo al material a transportar, a las cantidades y a la distancia. Algunos materiales utilizados son la lona, loneta, algodón, metal y neopreno, o también fibras sintéticas como rayón, nylon y poliéster. Estos materiales son ligados y forrados entre sí con caucho natural o sintético por ambas caras para resistir la abrasión y evitar la entrada de humedad. Por la cubierta superior se transporta el material y por la inferior se toma contacto con los rodillos de los polines. La faja, es el elemento más importante de un sistema de transporte de faja, no sólo por ser el elemento básico, sino que en adición es el elemento de desgaste, estando su valor entre 10% y el 30% de valor total de la instalación. Así, las características deseadas en la faja son:  Flexibilidad  Resistencia a la tensión  Resistencia a la corrosión  Que sea adaptable a diferentes diámetros de polea. Podemos distinguir 3 tipos de fajas de acuerdo a su fabricación (fig. 7.), según Miravete y Larrodé (1996), la lisa, usada para instalaciones horizontales y de pequeño ángulo de inclinación; la de superficie rugosa, para evitar el deslizamiento de las piezas transportadas y la con nervios en "v'', para instalaciones de elevado ángulo de inclinación, a fin de impedir el corrimiento del material. En esta última, los nervios laterales están dispuestos de forma que no necesitan rodillos especiales para el retorno de la faja. 9

Lisa

De superficie rugosa

Con nervios en “V”

Figura 7. Tipos de fabricación. Fuente: Miravet y Larrode (1996).

Los dos primeros tipos se fabrican con anchos desde 300 mm hasta 1380 mm; y los tres, con el número de capas y recubrimiento que precise la instalación (fig. 8). Las fajas de telas artificiales (sintéticas) tienen la elevada resistencia al frote y a los impactos, se limpian con facilidad y no se destratifican. El plazo de funcionamiento de estas fajas es considerablemente mayor (hasta 1.5 veces) que las fajas tejidas de algodón. Su alta flexibilidad permite reforzar la canaladura de la faja del trasportador, lo que aumenta bruscamente la productividad (Miravete y Larrodé, 1996). Así se encuentran fajas fabricadas con fibra de vidrio con recubrimiento de plástico de silicona o cauchotadas con recubrimiento de fibra de vidrio, etc.

Figura 8. Recubrimientos de faja. (A) Cubierta superior. (B) Refuerzo 1. (C) Carcza. (D) Refuerzo 2. (E) Cubierta inferior. Fuente: Kunstmann (2008).

Fajas transportadoras de plástico sin refuerzo de tela La faja transportadora está hecha de polímero termoplástico sin refuerzo de tela, apropiada para alimentos de acuerdo a los reglamentos del FDA y USDA.

Figura 9. Faja trasportadora modulares de plástico. Fuente: Bepex Cora (2009).

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Entre sus principales propiedades tenemos:  Al no tener tela no se deshilacha en los bordes. Higiénico y no desarrolla crecimiento de bacterias y hongos.  Flexible, resistente a la tracción, no absorbe humedad, y fácil de limpiar.  Excelente resistencia a la abrasión  Resistencia a productos grasos y aceitosos Es usada en muchas ramas de la industria alimentaría para transportar artículos envasados y no envasados. Gracias a la composición de materiales es ideal para usos donde la faja tiene contacto continuo con raspadores ó humedad. Fajas de teflón/fibras de vidrio Faja simple forrada en fibra de vidrio con teflón en los dos lados, en los extremos está forrado con teflón un ancho estándar, tienen un fabricado no adherente y su superficie ultra suave asegura que incluso productos con un mayor poder de adhesión puedan se levantados de la base limpiamente. Además puede resistir temperaturas hasta 250ºC (Bepex Cora, 2009).

Figura 10. Faja trasportadora de fibra de vidrio. Fuente: Bepex Cora (2009).

Sus propiedades son:  Resistente a productos alimenticios.  No es adherible, no se pega.  Resistente a aceite, grasa y productos químicos.  Resistentes al frío y al calor (-19 °C a + 260 °C).  De pequeño grosor, lo que hace más rápido los procesos de enfriamiento.  Aislante de la electricidad. Las fajas y piezas fabricadas con TEFLON o TPFE (Politetrafluorotileno), TPFE combinado con fibra de vidrio, tienen una amplia gama de usos en procesos industriales, por ejemplo:  Para transportar masas pegajosas en la industria alimentaria.  Industria de transformación de productos.  Industrias cárnicas, donde se tratan materias grasas.  Máquinas con sellado al calor, etc. Faja transportadora de silicona Fajas con cobertura superior de poliolefina o silicona de color transparente. Según los tipos, la cara inferior puede ser de poliolefina, grabada o lisa, o de tejido de poliéster y la trama puede ser rígida o flexible. Todas son resistentes a grasas y aceites animales y vegetales, y la mayoría son antiestáticas. Adecuado para productos alimenticios según los reglamentos de la FDA. 11

Figura 11. Faja trasportadora de silicona. Fuente: Bepex Cora (2009).

Sus propiedades son:  Gran flexibilidad por el pequeño espesor de la faja.  Buena congelación de productos como por ejemplo dulces.  Resistente a materias grasas y químicas  Resistente al calor.  Efecto auto adhesivo, estabilidad lateral.  Resistente a la dilatación. La cobertura de silicona es idónea para productos muy adherentes, como caramelos, goma de mascar, coberturas de azúcar, etc y productos de confitería. La de poliolefina supera el test de la pirólisis (combustión no tóxica a 810º C), como requieren algunas plantas tabaqueras (Esbelt, 2009). También son usadas para el transporte de cajas de embalaje en pendientes ascendentes ó descendentes. Fajas transportadoras de PVC Para aplicaciones que requieran una resistencia fuerte a aceites y grasas minerales, o a la abrasión. Todas son de trama rígida y su cobertura inferior puede ser de tejido de poliéster, con cobertura grabada o impregnadas. La mayoría son antiestáticas y resistentes al corte y las de PU son alimentarias (Esbelt, 2009). Resistente para artículos de alimentos de acuerdo al reglamento de FDA. Sus propiedades son:  Alta flexibilidad debido a la delgada faja.  Buena congelación de productos dulces debido a la delgada faja.  Estabilidad transversal por el tipo de tejido monofila-mentado.  Resistente a los productos grasos.  No sufre dilatación, es inextensible.

Figura 12. Faja de PVC azul atóxicas. Fuente: Esbelt (2009).

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Su gama de aplicaciones es muy amplia. Usadas en fábricas donde se manejan los productos de uno en uno por ejemplo industria de productos dulces (confitería, pastelería). Además, para fajas que pasan por un túnel refrigerante. Fajas transportadoras de tela Están construidas de tela tejida sin fin hecha en varios grosores de faja, se encuentran con acabados cerrados ó revestidos. Los tipos de tejido utilizado son: punteado cruzado y lino. Sus propiedades son:  Muy flexible.  Dimensión muy estable.  Resistente al uso.  Telas crudas, tiene buena absorbencia.  Tejidos sin fin, sin interferencia de unión.

Figura 13. Faja trasportadora de poliéster. Fuente: Bepex Cora (2009).

Las fajas de lana, algodón y fieltro poliéster están destinadas principalmente al transporte y manipulación en la industria panadera y de bollería (Bepex Cora, 2009), para cortar, amasar la pasta cruda; en todas las industrias de envasado, empacado, pesado y medido. Fajas anti-llama Fajas indicadas para su uso en atmósfera con riesgo de explosión. Además de ser antiestáticas son resistentes a las llamas. Especialmente indicadas para minería subterránea (Inter Andean, 2009). Aplicaciones:  Descarga de cereales en puertos y transporte de los mismos de forma genérica.  Minería subterránea.  Parques de carbón Para trabajar en interior de minas, donde la llama puede provocar serios accidentes. Miravete et al. (1998) argumentan que es condición obligatoria, impuesta por el Ministerio de Industria de España, la utilización de fajas anti-llama que responden a las exigencias de las Normas de ensayo DIN 22-103 y CERCHAR M-81-651 (ver anexo 1). Los polines o rodillos Para que la faja no se combe bajo la influencia de propio peso de la faja y de la carga, entre los tambores se colocan rodillos de apoyo o trenes de rodillos. El diámetro del rodillo se elige según la anchura de la faja, velocidad de movimiento, tipo de carga y, en particular, las dimensiones de los trozos. La longitud de los rodillos se toma igual a la longitud del tambor (Miravete y Larrodé, 1996). 13

Figura 14. Rodillos iguales para trasportadores de faja de carga normal triple. Fuente: Suminco (2004).

Sumico (2004) en la fig. 15, clasifica los rodillos en base a la aplicación de carga, impacto y retorno según:

Rodillos iguales

Aplicaciones Carga normal triple

Rodillos simples

Formas

Carga normal simple

Carga de impacto triple Carga de autoalineamiento triple

Carga de impacto simple Carga de autoalineamiento simple

Rodillos de retorno simple

Retorno normal simple Retorno de discos estándar Retorno de discos pesados Retorno de autoalineamiento simple Retorno de autoalineamiento de discos

Eje solido

Retorno limpiador helicoidal Carga normal con eje Carga de impacto con eje

Figura 15. Rodillos (polines) para trasportadores de faja de fabricación estándar. Fuente: Sumico (2004).

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Están colocados con una inclinación ya establecida, según sean las características del material a transportarse, pudiendo ser estos ángulos de inclinación de los rodillos de 20°, 35° y 45° generalmente. A mayor ángulo de carga será mayor la capacidad del transportador para un determinado ancho de faja, esto permite transportar la mayor cantidad de material por metro de longitud, sin derramarlo.

Las poleas o tambores Soportan y mueven la faja, además de controlar la tensión de ésta (Linares, 2008). Se denomina polea a un tambor cilíndrico provisto de un forro metálico, con tapas en ambos extremos del eje, apoyadas en la estructura de la faja transportadora. La construcción típica de una polea de la más comúnmente usada es la de tipo eje completo. Este tipo es el más simple en lo que se refiere a su construcción y facilidades para la reparación en caso de daño del eje (Rotrans, 2009). Santillán (2008), diferencia las poleas usadas en una faja transportadora de acuerdo a la función que este desempeña, en: Polea motriz y de cabeza La polea motriz es la polea que transmite el movimiento a la faja transportadora; esta acoplada al motor y al sistema de transmisión. En la mayor parte de los casos la polea motriz es de cabeza.

Figura 16. Tambor motriz de eje completo. Fuente: Rotrans (2009).

Polea de Cola Es la polea que se encuentra ubicada en el extremo opuesto de la cabeza, o sea en la alimentación, siendo en la mayor parte de los casos movida por la faja transportadora (polea loca).

Figura 17. Izquierda: Tambor de cola o de reenvío. Derecha: Tambor de cola limpiador o de jaula de ardilla. Fuente: Dismet (2009).

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Polea de contrapeso o polea tensora Es la que se encarga de mantener la tensión de la faja para evitar el deslizamiento bajo full carga y en los arranques sin y bajo carga. Normalmente tienen el mismo diámetro que la polea de cola.

Figura 18. Esquema de estaciones accionadoras. a) Con un tambor accionador, b) Con dos tambores accionadores y un desviador, c) Con faja presionante. Fuente: Miravete y Larrodé (1998).

Los dispositivos de tensado cumplen las siguientes funciones (Santillán, 2008):  Lograr el adecuado contacto entre la faja y el tambor motriz.  Evitar derrames de material en las proximidades de los puntos de carga, motivados por falta de tensión en la faja.  Compensar las variaciones de longitud producidas en la faja, estas variaciones son debidas a cambios de tensión en la faja.  Mantener la tensión adecuada en el ramal de retorno durante el arranque. Este ajuste en la faja puede ser:  Por tensores a presión en la parte inferior de la faja.  Por medio de la acción de la gravedad. Poleas dobladoras Son todas las poleas que se usan con el fin de cambiar la dirección de la faja transportadora o con el fin de mantener el ángulo de contacto de la faja de goma a la polea motriz para obtener de esta manera la máxima tracción motriz. Cuando la polea dobladora está en la parte de carga o de alta tensión de la faja transportadora recibe el nombre de dobladora de alta tensión. Estas poleas, conjuntamente con las motrices, son las que deben calcularse más cuidadosamente debido a que son las que soportan la carga más alta. Las poleas dobladoras tienen menor diámetro que el resto de las poleas.

Bajantes de Transferencia Llamados también Chute. Es un sistema de traspaso del material de faja a faja (Olympus Control, 2007).

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Figura 19. Chute de traspaso. Fuente: Olympus Control (2007).

Transmisión El sistema de transmisión para fajas transportadoras se compone de un motor calculado de acuerdo a las condiciones del sistema, un reductor, acoplamientos flexibles y algunas veces transmisión final por cadena o intermedia por fajas en V. 2.2.1.2.

Clasificación de transportadores de fajas

De acuerdo a su estructura Se pueden clasificar en transportadores de faja portátil y estacionaria. Los portátiles son, como su nombre lo indica, móviles, livianas y fácilmente transportables. Normalmente no tienen más de 10 m entre los centros de sus ejes y 24 pulgadas de ancho. De acuerdo a su uso pueden tener sistemas de traslación o no. Los transportadores de faja estacionarios, son las de aplicación industrial, siendo instalaciones definitivas. De acuerdo a su sección Los transportadores de faja se clasifican en planos y cóncavos o acanalados.

Figura 20. Izquierda: Faja trasportadora plana. Fuente: TGW (2009). Derecha: Faja trasportadora cóncava acanalada. Fuente. F&F Industry (2009).

Los de faja plana, tienen como característica que la faja se apoya sobre uno o varios rodillos en forma plana (fig. 21; a, b, c.); se usa normalmente para el transporte de sacos y cajas y eventualmente para transporte a granel en fajas cortas y horizontales. No tienen gran aplicación en el transporte de materiales a granel, debido a su corta capacidad volumétrica. 17

Figura 21. Tipos de fajas y ubicación de los rodillos de soporte en transportadores de faja. Fuente: Miravete y Larrodé (1996).

Los transportadores de fajas cóncavas o acanaladas, como su nombre lo indica, se caracterizan por su concavidad, es decir, trabajan con sus bordes inclinados. La faja normalmente se apoya en un tren de 3 rodillos, 1 horizontal y los otros en ángulo con la horizontal (figura 21; d, e, f, g y h). El inconveniente que presentan las fajas acanaladas es que sus bordes de faja estarán siempre sujetos a una tensión mayor con relación a la parte media, debido a la inclinación que presentan los bordes. De acuerdo a la velocidad del transportador Se clasifican en lentas (hasta 1.5 m/s), rápidas (hasta 3 m/s) y muy rápidas (sobre 3 m/s). De acuerdo al perfil del transportador Se clasifican en horizontales, ascendentes y descendentes. Por supuesto, hay combinaciones horizontales ascendentes y horizontales descendentes.

Figura 22. Izquierda: Faja trasportadora de inclinación. Fuentes: Inter System (2009). Derecha: Faja trasportadora plana/inclinada acanalada. QC Industries (2009).

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De acuerdo a su longitud Se clasifican en cortas (hasta 30 m. entre ejes), medianas (hasta 300 m entre ejes) y largas (sobre 300 m. entre ejes).

Figura 23. Fajas trasportadoras para la agroindustria. Fuente: Key Tecnology (2009).

Transportadores de faja articulada Al igual que con los transportadores de faja de tejido, Nikaitrans (2010), dispone de un gran abanico de transportadores de faja articulada modular (fig. 24) para ajustarse a la forma y al peso del producto a transportar o bien dependiendo de la disposición física donde ha de instalarse el equipo. Las aplicaciones más usuales para estos equipos se engloban en los sectores de alimentación, empaquetado, embotellado, automóvil, etc.

Figura 24. Transportador de faja articulada. Fuente: Nikatrans (2008).

Para el sector de alimentación, se utilizan fajas articuladas que cumplen la normativa FDA. A diferencia de los transportadores de faja de tejido, en éstos, el arrastre de la faja no se realiza por fricción, sino por tracción de piñón a la faja articulada; por lo tanto, las tensiones de la faja son menores y el ajuste de las mismas es muchísimo más fácil y rápido.

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La unión de los diferentes módulos (fig. 25) que componen la faja se realiza por medio de pasadores, con las ventajas que ello conlleva en materia de mantenimiento. Dependiendo de la forma de trabajo o bien del producto a transportar, incorporan fajas articuladas modulares de acetal, polipropileno o polietileno y con acabados varios en materia de accesorios, como guías laterales, superficies adherentes para transporte inclinado, superficies antiadherentes para una buena acumulación del producto.

2.2.1.3.

Figura 25. Faja transportadora modular.

Ventajas y desventajas de un sistema de faja Fuente: Direct Industry (2009).

Ventajas:  Posibilita transportar diferentes tipos de materiales: productos a granel (maíz, café, trigo, materiales finos molidos, etc.) y empacados (sacos y cajas).  Reduce al mínimo la quiebra del material.  Alta eficiencia mecánica y bajo consumo energético (en comparación con otros tipos de transportadores).  Posibilita efectuar carga y descarga en diferentes puntos a lo largo del transportador.  Puede trabajar a altas velocidades, aumentando así el rendimiento de transporte.  No produce ruido en comparación con otros transportadores de régimen continuo.  Para un material granular, cuanto mayor es su ángulo de reposo, mayor es la capacidad de transporte. Desventaja La principal limitación de un transportador de fajas se da en cuanto la capacidad de transporte, pues esta está en función al tipo de material a ser transportado y el ángulo de reposo del material. Para materiales con mayores ángulos de reposo mayor será la capacidad de transporte y para materiales con ángulos de reposo bajos, la capacidad de transporte también será baja. 2.2.1.4. Factores de diseño de un sistema de transporte de faja Es relativamente sencillo diseñar un transportador de faja para cualquier conjunto de condiciones. Un procedimiento adecuado comprende: estudio de los materiales a transportar, conocer las condiciones operacionales, definir la velocidad y ancho de la faja, calcular la potencia necesaria, seleccionar la faja adecuada y finalmente diseñar los puntos de carga y descarga. Sin embargo requiere considerables experiencias concebir un diseño que proporcione óptimos rendimientos y seguridad. El diseño de un transportador de fajas sigue una cantidad de pasos operacionales, las cuales se están detallando en las fig. 26 y 27 esquematizadas por Tsalidis y Dentsoras (1997).

Primero, la determinación inicial de los datos, incluyen el conocimiento del material transportado, la longitud del transportador, el ancho de faja, la capacidad de carga del transportador (fig. 26). 20

Flujo de material requerido

Material

Longitud del transportador

Tipo de transportador

Tipo de faja

Ancho de faja

Velocidad de faja

Soporte de faja

Flujo de material operacional

Figura 26. Criterio inicial de diseño. Fuente: Tsalidis y Dentsoras (1997).

En base a esto, se puede determinar qué tipo de transportador por fajas es recomendado, de esto se desprende el tipo de faja adecuado, en cuanto a sus dimensiones, la velocidad de operación y el tipo de soporte de las fajas, para últimamente, saber exactamente la capacidad real del transporte, las cuales deben ser ligeramente superior a la capacidad requerida como factor de seguridad (fig. 27).

Elementos de conducción

Faja

Polea loca

Coeficientes de movimiento

Resistencia al movimiento

Fuerzas de resistencia en sección

Fuerzas de resistencia

Potencia requerida

Fuerzas periféricas

Conducción múltiple

Inicio y Frenado

Figura 27. Cálculo de potencia. Fuente: Tsalidis y Dentsoras (1997).

21

Segundo, es el conocimiento de las resistencias o fricciones que ocurren dentro del equipo, las cuales son determinantes para calcular la potencia necesaria para movilizar la faja. Tamaño de lo terrón Para una faja de 600 mm, los tamaños uniformes de los terrones pueden llegar a 102 mm. Por cada 152 mm de aumento en la anchura de la faja, el tamaño de los terrones puede aumentar aproximadamente 51 mm. Si el material contiene aproximadamente 90% de partículas finas, el tamaño de los terrones se podrá incrementar en cerca de un 50%; sin embargo, es preciso tener cuidado en mantener el flujo uniforme haciendo que las partículas finas lleguen antes a la faja para protegerla de los daños causados por el impactos. Cuando mayor sea el tamaño del terrón, tanto más peligro será que se caigan de la faja o rueden hacia atrás en los tramos inclinados. Ángulo de reposo del material El ángulo de reposo indica las propiedades de fluidez de los polvos. Una buena fluidez favorece a la descarga del material; este es igual al ángulo máximo de talud formado por el material granular amontonado, en relación a la horizontal (fig. 28). También puede definirse, como la tangente del coeficiente de rozamiento del grano sobre grano.

Figura 28. Ángulo de reposo del material. Fuente: Gstatic (2009).

El ángulo de reposo varía de acuerdo al material. Los factores que afectan su variación son:  Tamaño del grano: a mayor tamaño menor ángulo de reposo.  Rugosidad del grano: influye también en este factor la presencia de pelusa en la superficie del grano.  Humedad del grano: a mayor humedad mayor ángulo de reposo.  Forma del grano o formas geométricas: mientras más diferentes sean a una esfera, mayor será el ángulo de reposo.  Presencia de materiales extraños: insectos, partículas vegetales, terrones, excremento de roedores, etc. incrementan el ángulo de reposo. Tabla 1. Angulo de reposo y densidad para diferentes materiales. MATERIAL SECO Maíz Molido (i) Arroz en Cáscara (i) Soja (ii) Trigo (i) Avena (ii) Cebada (ii) Linaza (ii) Café (i) Sal (i)

ÁNGULO DE REPOSO

DENSIDAD EQUIVALENTE EN kg/m3

27º 36º 29º 27º 32º 28º 25º 27º 18° – 22°

258 301 165-173 230-250 280

Fuente: (i) Infofics (1999), (ii) Ravernet (2009).

22

Al establecer los requisitos de tonelaje de los transportadores de faja es importante trabajar con cargas máximas en lugar de promedio. Las fajas que funcionan vacías la mitad del tiempo pueden llevar dos veces la carga promedio cuando funcionan. Humedad La alto contenido de humedad del material transportado puede generar malas condiciones de descarga e incluso reducir la capacidad del transportador, debido a la adhesión que se produce sobre la faja o vertedores. Aun cuando la abrasión puede crear problemas en los transportadores de faja, son más fáciles de resolver con sistemas de fajas diseñados adecuadamente. Temperatura y actividad química La temperatura y la actividad química de los materiales transportados desempeñan papeles importantes en la selección de las fajas. Por ejemplo, se debe evitar el caucho natural cuando se manejan materiales aceitosos, incluso cuando el material no tenga una superficie evidentemente grasosa. Hay fajas especiales de hule, algodón y fibra de asbesto para afrontar diversos grados de temperaturas de los materiales y se deben usar siempre que las temperaturas sean elevadas. Las temperaturas altas pueden dañar a las fajas con rapidez y en forma grave, por lo que la inversión en lo que a primera vista puede parecer una faja de precio extremadamente alto, suele resultar económica a la larga. Hay muchos productos elastoméritos súper resistentes para la construcción de fajas. Entre ellos se tiene al neopreno, al teflón, al caucho y los vinilos. La actuación exitosa de la faja transportadora dependerá grandemente de los parámetros tomados para su diseño, teniendo en cuenta las condiciones de operación requeridas, además de la selección adecuada de los componentes constitutivos.Tener en cuenta también, las condiciones operacionales y ambientales que afectan el diseño. Los ambientes con condiciones tales como alta temperatura ó una atmósfera corrosiva pueden afectar a la faja, la maquinaria y la estructura. Los extremos de temperatura y humedad pueden prescribir el cierre total de la faja. Velocidad y ancho de la faja La combinación adecuada del ancho de la faja y velocidad, depende de la capacidad a transportar, ángulo de inclinación, tensiones de la faja, densidad masiva o a granel del material, tamaño del terrón y otras características del material a ser transportado (tabla 2). Tabla 2. Ángulo de inclinación y velocidad de faja. ÁREA TOTAL DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL ANCHO DE FAJA (m)

0.356 0.406 0.457 0.508 0.610 0.762 0.914 1.067 1.219 1.372 1.524

MARGEN LIBRE (m)

0.043 0.046 0.048 0.051 0.056 0.064 0.071 0.079 0.086 0.094 0.102

(m2)

ÁNGULO

VELOCIDAD MÁXIMA (m/seg)

10º

20º

30º

MATERIAL FINO NO ABRASIVO

GRANOS

0.0069 0.0094 0.0124 0.0158 0.0239 0.0391 0.0615 0.0807 0.1078 0.1347 0.1700

0.0089 0.0122 0.0161 0.0204 0.0308 0.0504 0.0746 0.1041 0.1375 0.1765 0.2193

0.0109 0.0151 0.0199 0.0253 0.0381 0.0622 0.0921 0.1273 0.1700 0.2165 0.2703

1.524 1.524 2.032 2.032 2.540 2.794 3.048 3.048 3.048 3.048 3.048

2.032 2.286 2.286 2.540 3.048 3.556 4.064 4.064 4.064 4.064 4.064

23

Con frecuencia se pueden obtener el costo inicial más bajo al utilizar las fajas más estrechas posibles para un tamaño de terrón dado y un funcionamiento a una velocidad máxima; sin embargo, la velocidad se puede ver limitada con frecuencia por el polvo y, a veces, resulta más económico utilizar una faja más ancha con menos pliegues para combinar la resistencia necesaria a la tensión con buenas características de acanalamiento. La abrasividad del material puede afectar firmemente la velocidad, puesto que a velocidades altas, aumenta el desgaste de abrasión y hay un mayor riesgo que la caída de los terrones de la faja. Una faja debe funcionar con un tamaño de terrón, una inclinación y una carga menor que los valores máximos recomendados y con una alimentación uniforme introducida a la faja en forma central, tan aproximadamente como sea posible en la dirección y a la velocidad de desplazamiento de la faja. Tabla 3. Capacidades recomendadas para transportadores de faja.

MATERIAL

MATERIAL

FAJAS PLANAS MATERIAL

570 kg/m3 kg/seg 2.2500 3.2778 4.0833 5.0278 6.5000 15.3333 70

810 kg/m3 kg/seg 3.1944 4.3889 5.8333 7.1944 9.2778 21.8889 100

810 kg/m3 kg/seg 1.5833 1.9722 2.6389 3.2220 4.1667 9.8611 45

FAJAS ACANALADAS ANCHO DE FAJA (m)

0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.71 1.50

VELOCIDAD MÁX

(m/seg)

MATERIAL GRANULAR FINO

GRANO

1.5250 1.5250 1.5250 2.0333 2.0330 2.8000 3.0500

1.7833 2.0333 2.2833 2.2833 2.5333 3.5667 4.0667

Nota 1: Las capacidad (CAP) ha sido determinada basándose en la capacidad de la faja con carga uniforme y a velocidades de 30.5 m/min. Al respecto, también se pueden fijar capacidades de transporte según el ancho y la densidad del material a transportar. En este caso se sugiere el uso del anexo 2. Potencia necesaria La potencia requerida para impulsar un transporte de faja tiene tres componentes:  La potencia para impulsar la faja vacía  La potencia para desplazar la carga del material en forma horizontal, una distancia determinada.  La potencia para elevar o hacer descender la carga del material. Para determinar la potencia de la faja, es necesario hacer los cálculos como sigue: Potencia para mover la faja vacía (Pot1) La potencia Pot1 en CV, es calculada con la siguientes formula práctica (empírica), siendo bastante precisa para fajas cuyo ancho es superior a 91.5 cm. Pot 1 

V  W  1.292  0.015  0.000328  L  … (1) 100

Donde: V = Velocidad de la faja (m/min) W = Ancho de la faja (cm) L = Longitud de transporte (m) 24

Para fajas cuyo ancho es menor de 91.5 cm a la potencia calculada (Pot1) adicionar 20%. Opcionalmente la potencia para mover la faja vacía (Pot1) puede ser calculada de la siguiente manera para tenerla en unidades de HP. Pot1 

V(A  B  L) 100

… (2)

Donde: V = Velocidad de la faja (pie/min) L = Longitud del transporte (pie) A, B = Constantes de la tabla 4 Potencia para mover el material horizontalmente (Pot2) La potencia Pot2 en CV, es calculada con la siguientes formula práctica. Pot 2 

Donde: L = Longitud de transporte (m) CAP = Capacidad (t/h)

CAP  0.48  0.0099  L  … (3) 100

Opcionalmente la potencia para mover la faja horizontalmente (Pot2) puede ser calculada de la siguiente manera para tenerla en unidades de HP. Pot 2 

Donde: CAP = Capacidad (t/h)

CAP  0.48  0.003202  L  … (4) 100

A = Área total de la sección transversal en pie2

CAP 

AxVx ρ 2000

V = Velocidad de la faja en pie/min ρ = Densidad del material en lb/pie3

L = Longitud de transporte (pie) Aunque, en cualquier caso la Capacidad de Transporte (CAP) puede calcularse de la siguiente manera: CAP = A x V x En todo caso se pueden utilizar los datos de la tabla 3 o del anexo 2 dependiendo del caso. Potencia para elevar al material una altura determinada (Pot3) La potencia Pot3 en CV, es calculada con la siguientes formula práctica. Pot 3 

3.33  H  CAP 1000

… (5)

H = Altura en (pie) Nota 2: Esta potencia se hace negativa cuando el material se transporta hacia abajo. 25

Potencia total para mover la faja es (PotT) Pot T  Pot o  Pot 2  Pot3 … (7)

Nota 3: Para transportadores de faja que operan directamente sobre una superficie rígida, debido al rozamiento entre la faja y la superficie, se requerirá más potencia. Para ese caso la Pot1 (CV) y la potencia Pot2 (CV) pueden ser determinadas mediante las siguientes ecuaciones: Pot 1 

V  W  1.292  0.015  0.00328  L  … (8) 100

Pot 2 

CAP  0.48  0.099  L  … (9) 100

Tabla 4: Constantes “A” y “B” para diferentes anchos de faja utilizados en él cálculo de potencia para mover la faja. ANCHO DE FAJA (m)

A

B

0.3556

0.20

0.00140

0.4064

0.25

0.00140

0.4572

0.30

0.00162

0.5080

0.30

0.00162

0.6096

0.36

0.00224

0.7620

0.48

0.00298

0.9144

0.64

0.00396

1.0668

0.72

0.00458

1.2192

0.88

0.00538

1.3716

1.00

0.00620

1.5240

1.05

0.00765

Puntos de carga y descarga Se deben diseñar con cuidado los puntos de carga y descarga de los transportadores de faja. Es sumamente importante que se cargue el material sobre la faja en su centro y en la dirección de desplazamiento de preferencia, de tal modo que los terrones caigan sobre una capa de material fino. Las partículas finas se pueden depositar sobre la faja mediante el rasurado del vertedor de alimentación o la instalación de una sección de tamiz o barras limitadoras. Es vital la descarga limpia para la duración de la faja. En el desplazamiento de regreso, el lado portador de la faja está en contacto con los rodillos de regreso y cualquier material que se adhiera se empotrará en ella ó se depositará sobre los rodillos. Los materiales extremadamente pegajosos pueden requerir del empleo de un dispositivo de limpieza de la faja, en forma de escobilla giratoria, raspadores de aceros montados ó de resortes, paletas raspadores de hule ó, a veces, un alambre tenso. Cuando se usan esos dispositivos, se debe tener cuidado de que el material no caiga sobre la faja. 26

2.2.1.5. Ejemplos de cálculo Calcular la potencia necesaria para transportar 10 t/hr de un material granular cuya densidad es de 650 kg/m3, una distancia horizontal de 50 m y una altura de 10 m utilizando un transportador de faja acanalada sobre rodillos. Cálculo de la velocidad de la faja A partir de la tabla 3, utilizando una faja de 30 cm de ancho, se calculará la capacidad del la faja para el material dado: Cap 

650 kg/m3  2.25 kg/seg  9.2 t/h 570 kg/m3

También se puede calcular por: Cap 

650 kg/m3  3.1944 kg/seg  9.2 t/h 810 kg/m3

La velocidad necesaria para transportar 10 t/hr será, teniendo en cuenta que se asumió velocidad de faja con carga uniforme de 30.5 m/min (nota 1), será: 10 t/h(30.5 m/min)  33 m/min 9.2 Tn/h Entonces, para una faja de 30 cm. de ancho, para transportar 10 t/h del material, se debe utilizar una velocidad de 33 m/min. V

Cálculo de la potencia para mover la faja vacía V = 33 m/min W = 30 cm

L  102  502  51m Empleando la ecuación 1: 33 m/min  30 cm  1.292  0.015  0.000328  51 m  100 Pot1 = 0.41 CV Pot 1 

Como el ancho de faja es menor que 91.5 cm. se deberá corregir la potencia (factor: 1.2). Pot1 = 0.41 CV x 1.2 Pot1 = 0.5 CV Cálculo de la potencia para mover el material horizontalmente Cap = 10 t/h L = 51 m. Empleando la ecuación 3:

Pot 2 

10 t/h  0.48  0.0099  51 m  100

Pot2 = 0.98 CV = 0.1 CV 27

Cálculo de la potencia para elevar el material Cap = 10 t/h H = 10 m Empleando la ecuación 5:

Pot3 

3.33 10 m 10 t/h 1000

Pot3 = 0.33 CV Cálculo de la potencia total PotT = 0.5 + 0.1+ 0.33 PotT = 0.93 CV Luego, el transportador necesita 1 CV para operar. 2.2.2. Transportadores de Tornillo Sin Fin El transportador de tornillo sin fin es uno de los tipos de transportadores más antiguos y versátiles. Consiste en un sistema de aspas helicoidales (hélice laminada a partir de una barra plana de acero) ó seccionales (secciones individuales cortadas y formadas en hélice, a partir de una placa plana), montadas en una tubería ó un eje y que giran en una artesa. La potencia de transporte se debe transmitir a través del eje ó la tubería y se ve limitada por el tamaño permisible de sus piezas. Las capacidades de los transportadores de tornillo sin fin para productos agroindustriales se limitan en general a aproximadamente 1000 pies3/h. Valiéndose del transportador de tornillo sin fin, es de conveniencia el transporte de materiales en forma de polvo, de grano fino y fibroso (fig. 29). No es conveniente emplear estos transportadores para desplazar cargas de pedazos de grandes dimensiones, abrasivas o pegajosas (Miravate, 1996). El tornillo sin fin es el medio de transporte más conocido y difundido para la extracción horizontal, también por canalones inclinados y verticales. Es decir, se puede trabajar en forma oblicua a 45°, pero su rendimiento del tornillo se reduce en 1/3; y a 90°, la reducción es de 2/3.

Figura 29. Esquema del sistema del transportador de tornillo sin fin. Es el método más sencillo y más antiguo para transportar material a granel. El material es colocado en el cuerpo del transportador a través de las aberturas de entrada, se mueve a lo largo en un suave movimiento en espiral por la rotación del tornillo. Las entradas, salidas, compuertas, transmisiones y otros accesorios controlan el ritmo de transporte del material y el lugar de descarga. Fuente: Go4b (2008).

28

El transportador de tornillo, especialmente el vertical ha sido y sigue siendo ampliamente utilizado para el transporte de una variedad de productos agrícolas, principalmente de granos. Sus características favorables incluyen precios más bajos, la construcción simple, un requisito de espacio pequeño, insignificante mantenimiento y larga vida. Tiene una baja eficiencia energética, pero esto suele ser aceptable dentro de la gama de potencia normalmente bajo que este tipo de transportador requiere (Rademacher, 1981). Las transmisiones por tornillo sin fin a pesar de ser unas de las más antiguas usadas por el hombre han sido poco estudiadas y sus métodos de cálculo a las diferentes fallas no están totalmente establecidos. Muchas veces el diseño de una transmisión por tornillo sin fin consiste en un tedioso proceso de prueba y error. Debido a la baja eficiencia de estas transmisiones producto de la fricción generada en el contacto se disipa una elevada cantidad de calor al medio ambiente, contribuyendo negativamente al calentamiento global del planeta. Las investigaciones de la mayoría de los científicos han estado encaminadas al mejoramiento de los materiales y a la lubricación, considerándose la geometría como un aspecto secundario o agotado (Soto et al.; 2007).

(A) )

(E) )

(B) )

(C) ) (F) ) (D) ) Figura 30. Tipos de Transportadores de Tornillo sin Fin. (A) Tornillo sin fin autoportante. Permite alimentar las instalaciones donde no es posible el montaje de soportes intermedios. (B) Tornillo sin fin de extracción. Bajo tolva con paso progresivo. El grupo motriz puede ser sustituido por un motovariador. (C) Tornillo sin fin de artesa a paleta. Para transportar un producto al tiempo que se amasa. (D) Tornillo sin fin de doble cámara. Para calentar o enfriar el producto durante el transporte. (E) Tornillo sin fin atravesando un silo. Permite un segundo punto de descarga. Tronillo cónico de paso progresivo, equipado de un grupo motovariador. (F) Dosificador a tornillo sin fin. Para productos pulvurulentos y de pequeña capacidad Se puede equipar con motovariador, rompe bóvedas, doble espiral, etc. Fuente: Miravete (1996).

29

Además de su capacidad de transporte, los transportadores de tornillo sin fin se pueden adaptar a una gran variedad de operaciones de procesamiento como mezclado, lavado, cristalización, refrigeración, extracción o secado. Se puede lograr casi cualquier grado de mezcla con transportadores de tornillo sin fin de aspas cortadas, cortadas y plegadas ó reemplazada mediante una serie de paletas. El uso de aspas de caucho permite manejar materiales pegajosos. Las unidades de aspas escalonadas ó cónicas y de paso variable pueden proporcionar un control excelente para las aplicaciones de alimentación ó en transportadores en los que se requiere un control preciso del índice de desplazamiento. Se usan tornillos de paso corto para aplicaciones de desplazamiento inclinado y vertical y unidades de paso corto y aspas dobles, que evitan eficientemente la acción de inundación. Además de una gran variedad de diseños de componentes, los transportadores de tornillo sinfín se pueden fabricar en una gran variedad de materiales que van del hierro colado al acero inoxidable (fig. 30). El uso de tornillos huecos y tuberías para la circulación de fluidos calientes ó fríos permite que los transportadores de tornillo sin fin se usen para operaciones de calentamiento, enfriamiento y desecación. Se pueden usar tuberías recubiertas con el mismo fin. Es relativamente fácil sellar un transportador de tornillo sin fin de la atmósfera exterior, con el fin de que pueda funcionar al aire libre sin protección especial. De hecho, se puede sellar completamente para funcionar en su propia atmósfera con una presión positiva ó negativa y el tubo se puede aislar para mantener temperaturas internas en regiones de temperatura ambiente elevadas ó bajas. Otras ventajas adicionales es el hecho de que se puede diseñar con una descarga por debajo para facilitar la limpieza, con el fin de evitar la contaminación cuando se deban manejar en el mismo sistema de materiales diferentes. Puesto que los transportadores de tornillo sin fin se hacen por lo común con secciones estándar acopladas, es preciso prestar una atención especial a los esfuerzos de torsión en los acopladores. Los cojinetes de suspensión que sostienen los tramos obstruyen el flujo de los materiales cuando la artesa se carga por encima de su nivel. 2.2.2.1. Componentes básicos de un transportador de tornillo sin fin Los elementos básicos de un transportador de tornillo sin fin, se muestra la fig. 31.

C C B

H

A

E

B

G D

Según (1996), este transportador (fig. 32) consta de un canalón (7), cuya parte FiguraMiravate 31. Componentes básicos de un trasportador de un tornillo sin fin. inmóvil (A) Tornillo sin fin. (B) inferior tiene la de un (C) semicírculo, cerrado ypor arriba(D) con la tapa (3), del Componentes de forma acoplamiento. Soporte intermedio cojinete. Soporte extremo. (E)árbol Zona impulsor de carga y (8)canalón. con las espiras desujetas a él del transportador, de los apoyos extremos (2 Alnicolsa y 6) e (F) Apoyos base extremo. (G) tornillo Zona de descarga. (H) Apoyos de base intermedios. Fuente: intermedio (4), del accionamiento (1), de los dispositivos cargador (5) y descargador (9). La (2001). 30

descargar de este transportador horizontal puede realizarse en cualquier punto a través de los agujeros descargadores de chapa de fondo. Las espiras del tornillo se fabrican estampadas de chapa de acero de 4 a 8 mm de espesor y, luego, se sueldan al árbol.

Figura 32. Corte transversal de un transportador de Tornillo Sin Fin. Fuente: Miravete (1996).

Características de un tornillo sin fin Las características principales que presenta específicamente el tornillo sinfín (fig. 33), son:  Pasos del tornillo (p), que viene a ser la distancia existente entre dos hélices consecutivas, medidas paralelamente a su eje.  Diámetro del tornillo (D)  Diámetro del eje (d)  La velocidad de rotación del tornillo

Figura 33. Características de un tornillo sin fin. Fuente: Miravete et al. (1998).

El paso “p” del tornillo, es la distancia entre dos hélices consecutivas, medida paralelamente a su eje. Por lo general en un tornillo sin fin, el paso es igual a su diámetro. En tornillos dosificadores, el paso se considera 1/2 a 1/3 de su diámetro para obtener flujo de material uniforme. El paso del tornillo es t = (0.5 ÷ 1.0) D, donde D es el diámetro del tornillo. Cuanto más ligero sea el material a transportar, tanto mayor se toma el paso. El diámetro del tornillo D, depende del tamaño de los pedazos de la carga a desplazar. Este diámetro debe ser como mínimo 12 veces mayor que el tamaño de los pedazos a transportar del material homogéneo por su grosor y 4 veces mayor que el grosor máximo de los trozos, al transportar material no clasificado (ordinario). La velocidad de rotación del tornillo depende de la naturaleza de la carga a transportar y del diámetro del tornillo y se adopta tanto mayor cuanto menor es el peso a granel, la abrasividad de las cargas y el diámetro del tornillo. Para los materiales pesados, la velocidad de rotación suele ser cerca de 50rpm y para los ligeros hasta 150rpm (Miravate, 1996). El 31

canalón del transportador de tornillo sin fin se suele fabricar de chapa de acero de 2 a 8 mm de espesor. El área de relleno del canalón del transportador es:

S

D 2

… (10)

4

Donde λ es el coeficiente de relleno de la sección del canalón tomado menor que la unidad, para evitar el amontonamiento cerca de los cojinetes intermedios. Se toman los siguientes valores de λ para las distintas cargas:  Pesadas y abrasivas: 0.125  Pesadas poco abrasivas: 0.25  Ligeras poco abrasivas: 0.32  Ligeras no abrasivas: 0.4 2.2.2.2. Tipos de cinta utilizadas en los transportadores de tornillo sin fin Los transportadores sin fin presentan los tipos de cinta que se muestran en la fig. 34.

(A) )

(C) )

(E) )

(G) )

(B) )

(D) )

(F) )

(H) )

Figura 34. Tipos cintas utilizados en transportadores de tornillo sin fin. (A) Helicoidal, es el más utilizado para transporte de granos. (B) Helicoidal con paleta, se emplea para mezclar y agitar materiales finos, granulares y escamosos. (C) Helicoidal de pasos cortos, recomendable para u n transportador inclinado de 20º o más, muy utilizado en materiales gomosos, pegajosos y viscosos. (D) Acero inoxidable, recomendable para materiales que se transportan a alta temperatura, transportes de productos químicos y alimentos. (E) Paleta, utilizado como mezcladores de materiales secos o fluidos. (F) Aleta cortada, se utiliza para transportar materiales finos, ligeros, granulados, escamosos y pastosos. (G) Aleta cortada y doblada, se utiliza para materiales pesados o medios que tienen doble finalidad: transporte y cortado. (H) Tramos de cinta, recomendable para materiales pegajosos y viscosos. Fuente: Miravete (1996).

32

Tubo Transportador Los tubos transportadores (fig. 35) son una variedad de los transportadores de tornillo sin fin. Están diseñados para desplazar materiales a alta temperatura, así como los que emanan vapores nocivos, en el interior del tubo se dispone en su centro un eje solidario a una estructura helicoidal. Al girar el tubo dispuesto sobre unos rodillos, el material a transportar se desplaza una magnitud del paso de la espiral para cada revolución del tubo exterior. Ya que en el curso de la rotación del tubo el material se mezcla y se desmenuza continuamente, los tubos transportadores no se emplean para desplazar materiales que no deben desmenuzarse. Estos tubos pueden instalarse horizontalmente o con pequeña inclinación

Figura 35. Tubo Transportador. Fuente: Miravete (1996).

Los tubos transportadores se distinguen por su sencillez y fiabilidad de construcción y por la posibilidad de su hermeticidad al transportar la carga. No obstante, dichos tubos tienen gran peso propio, grandes dimensiones y elevado consumo de energía. El paso de la línea helicoidal t suele tomarse igual a la mitad del diámetro interior del tubo y el coeficiente de relleno λ de la sección del tubo se toma teniendo en cuenta la disminución del flujo de material con la inclinación del tubo hacia arriba (ver tabla 5). Tabla 5. Coeficiente λ en función de la inclinación del tubo. 0

5

10

20

0.22 – 0.33

0.19

0.13

0.08

Inclinación del tubo en grados Coeficiente λ

2.2.2.3.

Ventajas y desventajas de un sistema de tornillo sin fin

Ventajas  Relaciones de transmisión altas.  Transmite el movimiento a través de ángulos rectos.  Evitan las pérdidas de material.  Se emplean para desplazar cargas a alta temperatura y polvorientas. Desventajas  Coste elevado.  Dificultad para el montaje y limpieza.  Tramos cortos de transporte. 33

2.2.2.4. Factores de diseño de un sistema de tornillo sin fin Los procedimientos para el diseño de las transmisiones para este tipo de transportador a pesar de aparecer en las diferentes normas y libros de texto no son lo suficientemente precisos, obteniéndose en muchas ocasiones transmisiones sobredimensionadas (Soto et al.; 2007). Tipo de material Clasificación de los materiales en función de su densidad (ver anexo 10):  Materiales de clase A: Material no abrasivo, fino y ligero que corre libremente y de 450 a 640 kg/m3 de densidad.  Materiales de clase B: Materiales no abrasivos de densidad media, granulares o en pequeños terrones mezclados con finos, de 800 kg/m3 de densidad.  Materiales de clase C: Materiales no abrasivos o semi-abrasivos, granulares o en pequeños terrones mezclado con fino, de 640 a 1600 kg/m3 de densidad.  Materiales de clase D: Materiales semi-abrasivos o abrasivos, finos, granulares o en pequeños terrones mezclados con finos y de 600 a 1600 kg/m3 de densidad. Capacidad de transporte La capacidad real de un tornillo sin fin, será calculada de gráficas especiales (vea anexos 7 y 8), determinados experimentalmente para cada tipo de material considerando una serie de factores. En caso de no disponer de las gráficas, se puede considerar de un 30 a 50% de la capacidad teórica. Si el tornillo sin fin trabaja en forma inclinada normalmente su capacidad se determina experimentalmente. En todo caso, en el anexo 9 se muestra una gráfica en la cual podemos encontrar la capacidad de un transporte de tornillo si se conocen la velocidad de giro del tornillo (rpm) y el ángulo de inclinación del tornillo respecto a la base. Según Togores (2003), la capacidad teórica de un tornillo sin fin en posición horizontal estará dada por la siguiente relación:

Cap  4.71105 (D2  d2 )  P  N … (11) Donde: Cap = Capacidad de transporte de Tornillo sin fin (m3/h) D = Diámetro de la hélice (cm) d = Diámetro del eje (cm) P = Longitud del paso (cm) N = Revoluciones por minuto (rpm) Capacidad de la hélice

Cap h  0.785D 2  L … (12)

Donde: Caph = Capacidad de la hélice (m3/h) D = Diámetro de la hélice (m) L = Longitud del tornillo (m) Capacidad del eje

Cap e  0.785d 2  L

… (13)

Donde: Cape = Capacidad del eje (m3/h) d = diámetro del eje (m) 34

Capacidad de transporte del tornillo por diferencia

Cap tor  Cap h  Cap e … (14) Capacidad de transporte para 1 RPM y producto especifico

Cap esp  Cap tor  γ … (15) Donde: Capesp = Capacidad específica (t/h ó kg/h) γ = Peso especifico del material (kg/m3) (ver anexo 11). Velocidad Angular

ω

Cap esp (kg/h)

… (16)

Capacidad de planta (kg/h)

Para transportadores horizontales, que operan en canales la velocidad angular del eje varía de 40 a 165 rpm. y para inclinados en canal circular varía de 50 a 900 rpm. Potencia de un tornillo sin fin La potencia en CV, requerida para mover el tornillo sin fin depende de diversos factores; principalmente, las dimensiones del sistema y características del material a transportar. Un cálculo aproximado para transportadores horizontales es obtenido por la siguiente fórmula: Pot 

Donde: Cap = γ = L = F =

Cap  γ  L  F

… (17)

4500

Capacidad (m3/min) Peso especifico del material (kg/m3) (ver anexo 11) Longitud del transportador (m) Factor que depende del material (ver tabla 6) Tabla 6. Factor de Seguridad en función del material. Material

Densidad (kg/m3)

Factor (F)

Clase A

450 – 640

1.2

Clase B

800

1.4 -1.8

Clase C

640 – 1600

2 - 2.5

Clase D

800 - 1600

3.4

La potencia calculada por la fórmula tiene que ser corregida por los siguientes factores de seguridad: a. De acuerdo a la potencia calculada por la fórmula. Dependiendo del valor de la potencia como resultado de la ecuación 10 deberá este multiplicarse por un factor que se muestra en la tabla 7. 35

Tabla 7. Factor multiplicador de acuerdo a la potencia Potencia calculada

Factor multiplicador

Menor de 1 CV

2.00

De 1 a 2 CV

1.50

De 2 a 4 CV

1.25

De 4 a 5 CV

1.10

Mayor a 5 CV

1.00

Fuente: Siche (2009).

b. De acuerdo al sistema de alimentación. Si la alimentación es por la parte superior del tornillo, adicionar a la potencia calculada de 0.5 CV a 1 CV para contrarrestar los efectos de fricción y de amontonamiento del material. c. Consideraciones finales. La longitud del tornillo es limitado, debe ser considerado como límite de 30 m. Dado al esfuerzo de torsión en el eje. Para longitudes mayores de 30 m es posible acoplar otras unidades como se muestras en la fig. 36.

Figura 36. Acoplamientos de Tonillos Sin Fin para longitudes de transportes mayores a 30 metros. Fuente: Miravete et al. (1998).

Los cálculos de potencia requerida para los transportadores de tornillo sin fin están normalizados; sin embargo, cada fabricante ha agrupado constantes numéricas de maneras distintas y asignando valores ligeramente diferentes sobre la base de variaciones individuales de diseño. Así pues, al comparar las necesidades de potencia de los transportadores de tornillo sin fin es aconsejable utilizar una fórmula específica para equipos específicos. 2.2.2.5. Eficiencia de las transmisiones por tornillo sin fin Según Soto et al. (2007), para calcular la eficiencia de las transmisiones por tornillo sin fin la mayoría de las fuentes consultadas establece la siguiente expresión:

 

tan tan(   )

… (18)

Donde: λ = Ángulo de la hélice del tornillo ρ = Ángulo de fricción. Normalmente ρ oscila entre 1° y 6°. La eficiencia puede calcularse como:



(cos n  f tan  ) (cos n  f cot an )

… (19)

36

Desde el punto de vista geométrico el parámetro que determina la eficiencia de acuerdo a las investigaciones realizadas hasta el momento es el ángulo λ, ya que: tan  

Donde: Zt = Número de entradas del tornillo m = Módulo de la transmisión dt = Diámetro primitivo del tornillo

Zt m dt

… (20)

De la expresión anterior se puede apreciar que a medida que aumente el número de entradas y el módulo aumenta λ, lo mismo ocurre al disminuir el diámetro primitivo. Por otro lado, la cantidad de calor generado al medio ambiente en función de la eficiencia viene expresado por la siguiente expresión: Q = (860. 1− η) N … (21) Donde: Q = Cantidad de calor generado (Kcal/h) η = Eficiencia de la transmisión N = Potencia transmitida Para una potencia dada de 50 Kw la gráfica responde a una función lineal: Q = a + b.η

… (22)

Donde: a = 43000 b = -430 Las transmisiones por tornillo sin fin generan una gran cantidad de calor a la atmósfera, la cual depende estrechamente de le eficiencia de estas transmisiones, un ligero incremento de la eficiencia puede contribuir a disminuir considerablemente a disminuir la cantidad de calor generado (Soto et al.; 2007). Existen dos vías para aumentar la eficiencia de estas transmisiones: mejorando el material y las condiciones de lubricación u optimizar los parámetros geométricos. Corrigiendo positivamente el tornillo y manteniendo los parámetros de la corona inalterables o corrigiendo negativamente la corona se puede aumentar la resistencia en conjunto de la transmisión, pero a costa de una disminución de la eficiencia (Soto et al.; 2007). 2.2.2.6. Ejemplo de cálculo Con los siguientes datos, calcular la potencia necesaria para un trasportar arroz en cáscara con un transportador de tornillo sin fin: Capacidad: 50 Tn/h = 833.33 kg/min Longitud (L): 5 m Paso (P): 20 cm Diámetro del eje (d): 15 cm Diámetro de la hélice (D): 55 cm Densidad del arroz con cáscara: 565 kg/m3 37

Cálculo del número de revoluciones por minuto Para el cálculo del número de revoluciones por minuto del tornillo de despejará N de la ecuación 11, donde: 833.33 kg/min Cap  565 kg/m 3 Cap = 1.4749 m3/min = 88.5 m3/h Entonces: N

88.5m3/h 4.71 105  ((55cm) 2  (15cm) 2 )  20cm

N = 33.6 rpm Cálculo de la potencia del tornillo Empleando la ecuación 17, donde f es el factor dado por el tipo de material y según anexo 10 el arroz pertenece a un material de clase A, por tanto de la tabla 6 para esta clase su factor f es 1.2. Además: Cap = 1.4749 m3/min Entonces la potencia del tornillo será: 1.4749 m3 / min  565 kg/min  5 m 1.2 Pot  4500 Pot = 1.11 CV

Factor multiplicador de la tabla 7, según la potencia (de 1 a 2 CV) será igual a 1.50. Pot = 1.11 CV x 1.5 Pot = 1.7 CV De acuerdo al sistema de alimentación y para evitar efectos de fricción y de amontonamiento del material se le adiciona 1 CV, por tanto la potencia será: Pot = 1.7 CV + 1CV Pot = 2.7 CV 2.2.3. Transportadores de Elevadores de Cangilones Estos consisten básicamente de una correa (faja o cadena) transportadora y varios cangilones (recipiente o cangilón) adheridos a esta; por lo que general este tipo de transportadores trabaja entre dos poleas verticales. Una en la parte superior (motores) y otra en la parte inferior, que permite regular la tensión de la correa. Los transportadores de cangilones son unidades sencillas y seguras para desplazamiento vertical (10 grados de inclinación como máximo) o próximas a la vertical de materiales (Barcia, 1989). Ofrecen la ventaja de un montaje fácil que permite alcanzar una gran altura (hasta 70 m), consumen poca energía, ocupan poco espacio, y su precio es relativamente moderado (FAO, 1993). Existen en una amplia gama de capacidades y pueden funcionar totalmente al aire libre o encerrados (Barcia, 1989). 38

Los de faja se adaptan particularmente bien a la manipulaci6n de materiales abrasivos que producirían el desgaste excesivo de las cadenas. Los elevadores de cadenas y cangilones se usan con frecuencia con los segundos perforados cuando se manejan materiales mojados para que escurra el agua en exceso. Ambos tipos pueden tener cangilones continuos o discontinuos.

Figura 37. Izquierda. Elevador de cangilones centrifugo (industrial). Derecha. Elevador de cangilones doble pierna. Fuente: Prodigy (2008). Fuente: Miravete (1996).

Las velocidades pueden ser relativamente altas para materiales bastantes densos, pero se debe reducir para materiales esponjosos y polvorosos, con el fin de evitar que se origine el arrastre del material. Debe trabajar con velocidades de 60 a 90 m/min para asegurar el lanzamiento del material contenido. Este transportador se utiliza para capacidades pequeñas de hasta 55 ton/h por ser los menos costosos (Barcia, 1989). En ciertos casos se emplea una cadena en reemplazo de la faja para movimientos a gran altura con carga pesada o a altas temperaturas. Un transportador de cangilones que utiliza faja en reemplazo de una cadena, tiene la ventaja que opera a altas velocidades pero requiere mayor cuidado en su mantenimiento. La faja debe estar libre de sustancias que provoquen deslizamiento, lo no se presenta en una cadena, porque esta encaja en una polea motora dentada. Existen algunos tipos de elevadores particulares como el elevador de balancines, utilizado para productos frágiles (por ejemplo el maní) y el elevador de paletas o tarima de carga, aparato ligero y económico, que mueve cantidades pequeñas. El tamaño, la cantidad y la forma de los cangilones, así como la velocidad de la correa, son factores determinantes, los cuales pueden ser variados, eficientes y económicas según los requerimientos específicos (FAO, 1993). Dentro de los requerimientos técnicos, la construcción estructural tiene que ser enteramente de acero, el transportador tiene que estar libre de polvo debido a la construcción completamente cerrada de las cajas, las cañas son simples y dobles en dimensiones Standard, el accionamiento es individual o en grupo, la marcha es suave y hay un consumo mínimo de fuerzas. Los cangilones están dispuestos a lo largo de la correa transportadora en intervalos regulares (espaciamiento), que por lo general (para granos) se considera de 2 a 3 veces la proyección del ancho. Los elevadores de cangilones han encontrado un gran campo de aplicación en los depósitos de grano y en la producción alimenticia, en la producción de materiales de construcción, en la industria química, etc. (Miravete, 1996).

39

Figura 38. Esquema del sistema del transporte de elevación de cangilones. Fuente: Nerak (2009).

2.2.3.1. Componentes básicos de un transportador de elevador de cangilones Tracsa (2005) y Gusmeroli (2009), describen los siguientes componentes en la fig. 39:

Figura 39. Componentes de un transportador de elevador de cangilones. 1. Correa o faja. 2. Cangilones. 3. Tambor de accionamiento. 4. Tambor de reenvió. 5. Cabeza de elevador. 6. Pantalones o ramales. 7. Pie del elevador. 8. Puerta de inspección. 9. Unidad de accionamiento. 10. Dispositivo de estiramiento. 11. Freno automático. 12. Descarga del elevador. 13. Tolva de alimentación o carga del elevador. 14. Puerta de limpieza. Fuente: Tracsa (2005).

40

Correa Estructuralmente y en términos generales las correas utilizadas en elevación son iguales a las utilizadas en el transporte por faja. No obstante debe tenerse muy en cuenta al momento de su selección, la mayor robustez que deben poseer. No olvidemos que su resistencia longitudinal se va a ver afectada por el perforado al que es sometida para la fijación de los cangilones a través de los bulones y debe poseer mayor resistencia transversal para lograr una correcta sujeción. El trasporte de cangilones puede clasificarse como de faja o de correa o cadena transportadora según su construcción. En agricultura, por lo general, están montados sobre fajas. Este sistema tiene las ventajas sobre los anteriores de que es más eficiente, puede elevar verticalmente el producto y daña menos el material que la cadena transportadora, ya que una vez que el material se halla en los cangilones no tienen ningún rozamiento exterior. Puede alcanzar velocidades entre 3 y 4m/s en caso de estar los cangilones montados sobre una faja (Ortiz-Cañavate, 2003). Cangilones Los cangilones son los recipientes que cargan el material a granel a través de un agujero de carga o sacándolo en el pozo inferior del elevador, para este cometido deben tener una configuración adecuada (fig. 40). Van montados sobre la correa que es la que trasmite el movimiento del tambor de accionamiento y la que debe absorber los esfuerzos provocados por esta transmisión además del peso efectivo del material elevado y el peso propio de los cangilones (Gusmeroli, 2009).

Figura 40. Carga del elevador de cangilones. Izquierda. Por arriba. Derecha. Mixta (por arriba y sacando del fondo). Fuente: Miravete (1996).

a

b

c

Figura 41. Cangilones elevadores. Fuente: Miravete (1996).

41

La carga con extracción se aplica para los materiales que no ofrecen considerable resistencia a la extracción (polvorientos y de granulación fina. Los materiales a pedazos grandes y abrasivos se vierten directamente a los cangilones. Según el tipo de material a transportar y su tendencia a apelmazarse se emplean distintos tipos de cangilones. Los cangilones profundos (fig. 41, a) se emplean para materiales que no se apelmazan y son fácilmente movedizos (cereales, granos), y los cangilones de pequeña profundidad (fig. 41,c) se utilizan para materiales apelmazados (arcilla húmeda). Los cangilones con guías laterales (cangilones con escamas, fig. 41,b) se emplean solo en su disposición cerrada en el órgano de tracción (Miravete, 1996). Según su construcción, pueden ser metálicos de chapa soldada o estampados, de material plástico, de fibra, de acero inoxidable o de fundición. Existen infinidad de formatos y dimensiones, cada fabricante de elevadores normalmente cuenta con un diseño particular. Existen también grandes fábricas de cangilones de diferentes materiales y con diseño estandarizado. Las medidas básicas con las cuales se define un cangilón, son tres: Largo, profundidad y proyección (fig. 42).

Proyección

Figura 42. Medidas básicas de un cangilón. A: Largo. AR: Profundidad: AF: Altura frente. DA: Distancia entre agujeros. DR: Distancia radial. CT: Capacidad total. CL: Capacidad de carga. E: Espesor de pared. Fuente: Transmisiones Temperley (2009).

La separación normal entre cangilones oscila entre 0.3 y 0.5 m, pero para aumentar el rendimiento puede incrementarse el número de éstos hasta formar prácticamente una cadena continua. La descarga en la parte superior de la faja o cadena, para que el material caiga en la zona deseada y no se dañe en el impacto con la pantalla protectora (Ortiz-Cañavate, 2003). Tambor de accionamiento Es el encargado de transmitir el movimiento a la correa, normalmente fabricado en fundición o chapa de acero (fig.16). Pueden tener una pequeña biconicidad a los efectos de centrar la correa y siempre y cuando el cangilón lo permita. Es altamente recomendable el recubrimiento del mismo con caucho a los efectos de protegerlo del desgaste producido por la gran cantidad de polvo que genera el sistema. Este recubrimiento evita también el desgaste prematuro de la faja y mejora el uso de la potencia ahorrando energía. También aumenta el coeficiente de rozamiento haciendo más difícil un eventual deslizamiento. El diámetro del mismo se calcula en función de la descarga y la velocidad para lograr una operación eficiente. 42

Tambor de reenvío Se localiza en la parte inferior del elevador. Sobre el eje del mismo se encuentra montado normalmente el dispositivo de estiramiento. Su construcción se recomienda que sea aleteada o tipo "jaula de ardilla" (fig. 17) para evitar que el material derramado se introduzca entre el tambor y la faja provocando daños a la misma. Su diámetro es generalmente igual al tambor de accionamiento o menor que el mismo. Cabeza del elevador Se localizada en la parte superior del elevador y es una estructura metálica que contiene al tambor de accionamiento, formando parte de la misma la unidad de accionamiento, el freno y la boca de descarga.

Figura 43. Componentes de la cabeza del elevador. Fuente: Gusmeroli (2009).

El capot de la cabeza o sombrero debe tener el perfil adecuado para adaptarse lo más posible a la trayectoria del material elevado en el momento de producirse la descarga. Esta trayectoria depende de varios factores como son: el tipo de cangilón, la velocidad de la faja y el diámetro del tambor de accionamiento. Pantalones o ramales Estos ramales (también denominado "pantalones") contienen a la faja y cangilones cargados o descargados en su movimiento ascendente o descendente. El ramal de subida junto con el ramal de bajada une la cabeza con el pie del elevador. Sobre el ramal de subida normalmente se encuentra ubicada la puerta de inspección. Habitualmente son fabricados en chapa plegada y soldada de construcción modular. Cada cuerpo se une al siguiente con bulones. Su largo depende de la altura del elevador. Sus dimensiones deben ser tales que permitan el paso de la faja y los cangilones con holgura. Pie del elevador Se encuentra ubicado en la parte inferior del elevador y contiene al tambor de reenvío. Son partes integrantes del mismo la tolva de alimentación y el dispositivo de estiramiento. Esta parte de la estructura se encuentra regularmente provista de puertas de inspección y de limpieza. 43

Figura 44. Componentes del pie del elevador. Fuente: Gusmeroli (2009).

Puerta de inspección Permite inspeccionar periódicamente el buen desempeño de los elementos más importantes del transportador, como la unidad de accionamiento, el freno, la faja con sus cangilones y el tambor de reenvío. Unidad de accionamiento Se encuentra localizada en la parte superior del elevador, está constituida por un motor y un reductor que puede estar ligado directamente al eje del tambor de accionamiento o a través de un acople elástico. Toda la unidad se sustenta por una plataforma construida a tal fin. Dispositivo de estiramiento Como su nombre lo indica este dispositivo (fig. 18) permite el tensado de la faja para lograr un perfecto funcionamiento del sistema. Este dispositivo puede ser de dos tipos: a tornillo (el más usual) o automático (para elevadores de grandes capacidades). Freno automático Es un sistema ligado al eje del tambor de accionamiento. Permite el libre movimiento en el sentido de elevación. Cuando por cualquier motivo el elevador se detiene con los cangilones cargados, este sistema impide el retroceso de la faja, evitando así que el material contenido en los mismos sea descargado en el fondo del elevador. Descarga del elevador La descarga en un elevador se efectúa por la parte superior aproximadamente a la altura del eje de la polea motora, del lado opuesto de la carga. La descarga puede ser efectuada de dos maneras: por acción de la fuerza centrífuga o por gravedad. Tolva de alimentación o carga del elevador La alimentación en ese tipo de transportador se efectúa por la parte inferior, a la altura de la polea inferior, por el lado ascendente de los cangilones. Se puede utilizar como alimentadores un tornillo sin fin o alimentación directa por gravedad. En un elevador que tenga los cangilones dispuestos a un intervalo determinado, la alimentación se efectuará por encima del nivel de la polea inferior. 44

Puerta de limpieza Normalmente hay uno en todo el transportador y está ubicado en el pie del elevador. 2.2.3.2. Tipos de transportadores de elevadores de cangilones De acuerdo a como se monten los cangilones, diseño de los mismos y velocidad del sistema, los elevadores se pueden clasificar en: Elevadores de descarga centrifuga Como su nombre lo indica la descarga del cangilón se efectúa por fuerza centrífuga al momento de girar la correa sobre el tambor de mando (fig. 45, a). El material es cargado por el movimiento similar al de un cucharón y se descarga por fuerza centrifuga al pasar el cangilón sobre la rueda cabecera, en la parte más alta del elevador. Los cangilones van montados en una o varias filas según su diseño. La carga se efectúa normalmente por dragado del material depositado en el pie del elevador. La velocidad de la faja es alta (entre 1,2 a 4 m/s). El "paso" entre cangilones normalmente es de 2 a 3 veces su proyección. Existe una variante a este sistema, donde los cangilones son "sin fondo" y el espaciamiento es mínimo (entre el 10% y el 11% de su profundidad); cada un número determinado de cangilones sin fondo se intercala uno de igual perfil pero con fondo. Con este último sistema se logra una verdadera "columna" de material que permite diseñar elevadores de menores dimensiones para una misma capacidad de elevación (Tracsa, 2005 y Gusmeroli, 2009). Los cangilones están montados, distanciados entre sí a intervalos regulares, sobre ramales sencillos o dobles de cadena, o sobre faja de goma. El llenado de los cangilones se efectúa directamente, después de pasar éstos bajo las ruedas o tambor de la caja tensora inferior. La descarga se realiza por proyección del material, originada por la fuerza centrífuga, como consecuencia de la elevada velocidad de los cangilones. El diámetro de las ruedas o tambor de la cabeza motriz, la posición de la boquilla de evacuación y la velocidad, son factores importantes para conseguir una correcta descarga del material. Este tipo de elevadores se utiliza generalmente para manipular materiales de grano fino, que no requieren un especial cuidado y se desprenden fácilmente de los cangilones (Miravate et al. 1998). Elevadores de cangilones descarga positiva o derrama Son esencialmente iguales que las unidades de descarga centrífuga, con excepción de que los cangilones se montan en dos tramos de cadena y se inclinan hacia atrás bajo la rueda dentada principal para su inversión, con el fin de que la descarga sea positiva (fig. 45, b). A velocidades menores, cuando el lanzamiento de la carga no tiene lugar, la descarga de los cangilones se efectúa, derramando el material el recorrer éstos, el piñón de cadena superior. En este caso, es necesario desviar el ramal libre del elevador para que sea posible la colocación de una artesa receptora, debajo de la carga o hacer el elevador inclinado (Miravate, 1996). Este tipo de elevadores es más útil cuando se manejan semillas livianas, frágiles o que no pueden descargarse con facilidad desde un elevador de descarga centrifuga. Elevadores de cangilones continuos o de escama En este tipo de elevadores, los cangilones están instalados en forma continua, espaciados a distancias muy cortas y la descarga se efectúa por gravedad utilizando la parte inferior del cangilón precedente como vertedero de descarga para el que se vacía, al dar vuelta sobre la polea principal (fig. 45, c). La parte trasera de estos cangilones tienen lados que se proyectan y forma una manga hasta la canaleta de descarga 45

La carga se realiza directamente desde la tolva (no por dragado). La velocidad de la faja es baja (entre 0,5 a 1,0 m/s.) (Tracsa, 2005 y Gusmeroli, 2009). La descarga suave evita la degradación excesiva y hace que éste tipo de elevador sea eficiente para manejar materiales esponjosos ó de pulverización fina. Por eso, estos elevadores se utilizan en materiales frágiles, muy húmedos y de alta granulometría (por ejemplo café, arcilla, piensos). Los elevadores de cangilones continuos de capacidad superior se diseñan para elevaciones grandes y materiales de terrones grandes. Manejan grandes tonelajes y funciones por lo común sobre un plano inclinado, para mejorar las condiciones de carga y descarga. Normalmente se carga por un dispositivo directo de alimentación. Si es necesario efectuar la descarga derramando el material desde el elevador vertical sin inclinar los cangilones, pueden emplearse los cangilones de escama, cuya pared anterior sirve de canalón para la carga que se derrama desde el sucediente cangilón. Este tipo de descarga se aplica en los elevadores de marcha lenta, a una velocidad de movimiento no mayor a 0.8m/s. Elevadores de cangilones de descarga interna El elevador de descarga interna es un elevador de flujo continuo que provee un medio para manipular los materiales sin brusquedades (fig. 45, d). Este tipo de elevadores se carga internamente, es decir, hacia el interior y no por el lado exterior de los cangilones. En este tipo de elevador el llenado y la descarga de los cangilones se produce dentro de la línea de cangilones y no desde o hacia afuera como sucede con los otros tipos. Este tipo de elevador puede estar constituido de una o varias secciones cada una con su propio sistema de carga y descarga, de modo tal que puedan manejar diferentes flujos de semilla al mismo tiempo. Elevadores de cangilones en v y oscilantes Se utilizan para manejar materiales pesados, carbón y, en diseños para servicio ligero, materiales de poco peso y flujo libre. El transportador de cangilones oscilantes es similar al de cangilones en V, pero con cubos que oscilan libremente sobre los ejes de soporte montados entre dos tramos de cadena de rodillos, aunque es considerablemente más costoso que el transportador de cangilones en V.

a

b

c

d

Figura 45. Diagramas de los tipos de transportadores de elevador de cangilones. a. Elevador de cangilones de descarga centrifuga. b. Elevador de cangilones de descarga positiva o de derrama. c. Elevador de cangilones continuos o de escamas. d. Elevador de cangilones de descarga interna. Fuente: Miravete (1998).

46

Elevadores de cangilones especiales Elevadores de cangilones ETS  El elevador ETS se diferencia de los viejos tipos convencionales por la economía de espacio, por la productividad elevada y por la peculiar forma del pie y cabezal.  Los cangilones están construidos en chapa de perfil cónico para mejorar la carga y facilitar la parábola de descarga.  A igual velocidad, los cangilones de perfil especial utilizan el 87% del propio volumen, duplicando la capacidad respecto a aquellos de los cangilones tradicionales. estas capacidades van de 10 a 1400 t/h.  Se utiliza correas en goma - tela para transportar trigo; en cáñamo o polyester para productos harinosos, con velocidad de servicio de 1.5 a 3.5 m/s, de acuerdo con el tipo de producto.  Cabezal y pie en chapa, nervada y empernada, de grueso espesor y de rápido desmontaje para la manutención. El espesor de la chapa alcanza en los puntos de desgaste los 4 mm, con la posibilidad de aplicar revestimientos especiales. Pie con dispositivo tensa - faja a tornillo y/o a contrapeso.  Soportes sobre cojinetes de rodillos de tipo oscilante; mando directo con moto reductor y/o, para capacidades elevadas, mediante reductor a ejes paralelos u ortogonales, con freno de no retorno y acople oleodinámico.  Caños en segmentos de 3 m, a sección rectangular y con bridas, para dar una mayor robustez y seguridad de funcionamiento; compuertas empernadas para la manutención de la correa y de los cangilones.  Para alturas notables se prevé la aplicación de rodillos de guía - faja para evitar fricciones. Elevadores de cangilones EAP  Correa porta - cangilones en goma y tela, o bien PVC.  Cangilones de tipo y forma adecuados al producto a transportarse.  Funcionamiento silencioso. Por la hermeticidad de sus componentes, el transporte se efectúa exento de polvo. Descarga a perfil parabólico con plancha de desgaste sustituible soportes de fundición con cojinetes de tipo oscilante.  Poleas de mando y de retorno en fundición con perfil auto – centrante, y accionamiento con motor reductor con freno de no retorno.  Compuertas de inspección sobre el cabezal y de descarga rápida sobre el pie.  Dispositivo tensor de la faja con tornillo de regulación. Rodillo de apoyo faja previstos para máquinas con altura superior a los 20 m. Transportador de cadena horizontal (TCO) o transportador de cadena vertical (TCE)  Capacidad: hasta 1300 t/h.  Longitud: hasta 150 m.  Permite transportar horizontal y/o verticalmente cereales, harinas y alimentos balanceados con consumo de energía limitado, en espacio reducido y en cajas donde los residuos son mínimos. Recibe sólo la cantidad de producto que puede transportar, evitando obstrucciones y sobrecargas.  Puede funcionar como extractor, detenerse y volver a funcionar instantáneamente con plena carga, con alimentación y descargas en cualquier parte del recorrido. El producto lo transporta sin dañarlo porque las fricciones internas son mínimas y los roces modestos, su rumorosidad está dentro de los límites de las normas. La altura de las paletas transportadoras varía entre los 35 y 60 mm.  Se construyen transportadores largos hasta 150 m y con capacidad de hasta 1300 T/h de cereal, utilizando cadenas especiales con elevada carga de rotura (hasta 880 kN). 47

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Cajas herméticas, tratadas con ráfaga de arena, con zinc inorgánico y/o cloro al caucho antes de la pintura. Cada transportador se pre -monta en el taller para permitir la perfecta alineación de las cajas. Cajas intermedias largas de 5 m, de 2 espesores distintos: 2 mm la tapa, 5 m las paredes laterales y el fondo. Planchas intercambiables anti-desgaste de acero al manganeso, puestas sobre el fondo de la caja y sobre la guía de retorno de la cadena, aseguran un largo ejercicio. Cabezal de mando con rueda dentada de acero cementado, montado sobre partes de cojinetes orientables o rodillos y accionada por motor reductor co-axial o bien ortogonal con eje hueco; para potencias superiores a los 20 kW se emplea motor, acoplamiento hidráulico y reductor con ejes ortogonales o paralelos. Cabezal de reenvío con rueda de faja lisa en acero, cementado, montado sobre soportes con cojinetes a esferas alojadas dentro de guías apropiadas para regular la tensión de la cadena. Para transportar con longitud superior a los 100 m está previsto un dispositivo hidráulico de tensión manual o automático de la cadena. Para transportadores horizontales o indicados hasta 15º se usan cadenas a forma "T"; para aquellos inclinados hasta 60º cadenas a "U"; para aquellos inclinados a más de 60º cadenas a "H". De este modo cada tipo de transporte encuentra una ejecución práctica y conveniente. Creando un plano de escurrimiento bajo el tramo de cadena superior la transporta de derecha a izquierda, la inferior de Izquierda a derecha. Un dispositivo especial de recuperación y aplicable sobre el cabezal de mando, permite de reenviar al punto de carga las fracciones de producto que eventualmente sobrepasan las descargas intermedias.

2.2.3.3.

Factores de diseño de un sistema de transporte de elevadores de cangilones

Selección de la correa elevadora A la hora de la selección de una correa elevadora, no solo es importante realizar el cálculo de tensión de la correa sino que la misma deberá dimensionarse en función de su robustez, de su capacidad para soportar el arrancamiento de los cangilones, de su porcentaje de estiramiento como así también la forma de estirarse en función del tiempo de uso, sus resistencias químicas y físicas, su capacidad para disipar la energía estática siempre presente en estos sistemas de elevación y cualquier otro factor particular del sistema en estudio y que pueda influir de un modo determinante en la selección de la correa (Tracsa, 2005). Cada modelo de correa posee una resistencia nominal al arrancamiento de los cangilones que se expresa en una proyección máxima que los mismos deben tener. Este es un dato que aporta el fabricante como así también el de porcentaje máximo de estiramiento y la forma de producirse el mismo a través del tiempo de uso. En función de este último punto es siempre recomendable la utilización de correa con sentido longitudinal de poliéster, fibra que tiene un menor porcentaje de estiramiento (normalmente no mayor de un 1,5%) y el mismo se produce en los primeros meses de uso, luego del cual la correa ya no se estira. Respecto a las dimensiones de la correa se recomienda observar los siguientes requisitos en cuanto al ancho de la misma: debe ser de 10 mm. a 25 mm. Más ancha que el cangilón de cada lado (entre 20 mm a 50 mm más ancha en total que el largo del cangilón). La distancia del borde de la correa al lateral del pantalón debe ser como mínimo de 50 mm para elevadores de hasta 30 metros de altura y de 75 mm para los de mayor altura, a fin de evitar rozamiento lateral. Es también importante tener en cuenta el diámetro mínimo de tambor que la correa soporta como elevadora y que también es un dato aportado por el fabricante para cada modelo (Tracsa, 2009). 48

Alineación de la correa En un sistema de elevación, la falta de alineación de la correa provocará problemas tales como rotura y arrancamiento de cangilones, rotura de correa y daños estructurales en el elevador (Tracsa, 2005). Durante el proceso de perforado de la correa para el alojamiento de los bulones del cangilón, es importante tener en cuenta que los agujeros deben ser del mismo diámetro que los bulones a utilizar y que deben estar alineados y escuadrados (ángulo de 90º) respecto a la línea central de la correa, para evitar distorsiones en el funcionamiento (vaivén). Las causas de desalineación de correa más comunes en un sistema de elevación son:  Uniones de faja fuera de escuadra.  Fijación de cangilones fuera de escuadra.  Carga del elevador descentralizada.  La doble conicidad de los tambores de mando puede ser un auxiliar importante en la alineación de la correa, pero podrá ser utilizada solamente en aquellos casos donde el cangilón lo permita.

Uniones de correa Según su forma, Tracsa, (2005) define tres tipos de uniones básicas (fig. 46).

a

b

c

Figura 46. Tipos de unión. a. Uniones de faja en ángulos. b. Uniones de faja por superposición. c. Uniones de faja por yuxtaposición. Fuente: Constante y Pintado (2009).

Selección de cangilones en la correa elevadora Antes de fijar los cangilones en la faja elevadora, se debe seleccionar su estilo, de acuerdo al material a transportar. En el anexo 16, se presenta diferentes tipos de recipientes de cangilones y las características de cada una de ellas. El cangilón estilo “A” es usada para material de flujo libre (granos). El estilo “SC” se utiliza para materiales pastosos (tortas de soya, algodón) pulverulentos. El estilo “C” es utilizado para materiales abrasivos y de alta viscosidad. 49

Fijación de cangilones en la correa elevadora Los cangilones son fijados a la faja a través de bulones especiales (fig. 47, a) de cabeza plana y de gran diámetro (Tracsa, 2005). Es aconsejable el uso de arandela bombeada y tuerca autofrenante. El cangilón debe poseer un porción embutida anular a la perforación y que permita el alojamiento de la cabeza del bulón y de la faja para que dicha cabeza no sobresalga de la superficie interna de la faja (fig. 47, b), hecho que puede provocar aflojamiento de los mismos como así también pérdida de adherencia al tambor de mando cuando el mismo no se encuentra recubierto.

a

b

Figura 47. a. Bulón de cabeza plana. b. Detalle de la fijación de un bulón en el cangilón. Fuente: Tracsa (2005).

Determinación del flujo de un elevador de cangilones El peso de carga en un cangilón según Miravete (1996) es:

G  i

… (23)

Donde: i =: Volumen del cangilón (l) γ = Peso a granel de la carga (kg/l) φ = Coeficiente de relleno del cangilón (según sea el tipo de material) φ = 0.6 – 0.9 Habitualmente el paso de los cangilones t = 2h/3 (para los cangilones de escama t = h), donde h es la altura del cangilón. Para los elevadores de cadena el paso t debe ser múltiple al paso de cadena (Miravate et al., 1996). Factores de seguridad Las ecuaciones accionadoras de los elevadores suelen disponerse en su parte superior, donde la tensión del órgano de tracción es máxima y se asegura la fuerza mayor de la adhesión de la faja con el tambor accionador. Las estaciones tensoras se suelen disponer en la parte inferior de los elevadores, gracias a lo cual puede utilizarse el peso del órgano de tracción y del tambor inferior para verificar la tensión prefijada. Para proteger el elevador de cualquier tipo de movimiento espontáneo, bajo la acción del peso en su parte cargada, al desconectar el motor, el accionamiento se equipa de un dispositivo de detención que permite el movimiento sólo en una dirección. Con frecuencia, para este fin se utilizan dispositivos de parada de rodillos o trinquete. Los elevadores pesados se dotan de frenos de retén electromagnéticos. Para no deteriorar la parte móvil del elevador y la envoltura, al romperse el órgano de tracción, en los elevadores de cadena se emplean atrapadores especiales de la cadena, y en los elevadores 50

de correa los cangilones se unen por las paredes laterales con cables de acero que van sin tensión a los largo de la faja y que sostienen los cangilones para que no se caigan al romperse la faja. Simultáneamente con esto, en los tambores tensores (piñones de cabeza) se instala un relé de velocidad que desconecta el motor eléctrico al romperse el órgano de tracción (Miravate et al., 1996). Número y capacidad de cangilones Número de cangilones Ncang 

H  (1  %e) … (24) Pc

Donde: Pc = Profundidad de cangilón (m)(ver anexo 14). H = Altura del elevador (m) %e = Porcentaje de espaciamiento entre cangilón y cangilón en relación a la altura total del elevador. Número de cangilones por metro de faja

n

Ncang … (25) H

C

Cl  γ … (26) 1000

Capacidad de un cangilón (Kg).

Donde: Cl = Capacidad en línea (dm3). (ver anexo 14). γ = Peso especifico del material a transportar (kg/m3) Velocidad angular En descarga centrifuga La descarga del material es realizada por acción de la fuerza centrífuga cuando el cangilón se encuentra en la parte superior de la polea motora. La fuerza centrífuga que actúa sobre el material puede ser expresado de la siguiente manera:

Fc 

W  V 2 … (27) gR

Donde: Fc = Fuerza centrífuga (N)

W V G R

= = = =

Peso del material (V) Velocidad tangencial (m/seg) Aceleración de la gravedad (9.8 m/seg2) Radio efectivo de la polea (m)

En el momento de la descarga del material del elevador se tendrá: 51

Fc = W … (28) Reemplazando en la ecuación 27: W  ν2  W … (29) gR

 2  gR

… (30)

  g  R … (31) Para que se presente la condición de la ecuación 28, en el momento de la descarga debe existir una velocidad angular expresado en r.p.m.: N

De donde la velocidad lineal de la faja

 

60 2π R

… (32)

2π RN … (33) 60

Igualando las ecuaciones (31) y (33) se tendrá

gR 

πRN … (34) 30

De donde: N  30 

1

… (35)

R

Donde: N = Velocidad de la polea motora en rpm R = Radio efectivo de la polea en m (ver anexo 15) La ecuación 35, nos indica la velocidad angular necesaria para que se produzca la descarga del material, en función del radio efectivo. En descarga por gravedad La velocidad angular en este caso de descarga debe ser menor que el de descarga centrífuga. Este tipo de descarga es típica en elevadores continuos que operan a baja velocidad y es poco usado para granos. Capacidad y potencia necesaria

Pot 

Cap  H … (36) 4500

52

Cap  V  η  C

… (37)

Donde: Cap = Cantidad del material elevado por minuto (kg/min) H = Altura del transportador (m) V = Velocidad de la faja (m/min) = 2RN η = Numero de cangilones por metro de faja. C = Capacidad de un cangilón (kg.) Capacidad de cada cangilón en dm3 x densidad del material en kg/m3 La ecuación 37, también es aplicable para calcular la capacidad en t/h del elevador con descarga centrífuga. Nota 4: En la práctica se considera a la potencia calculada adicionar de 10 a 15%. 2.2.3.4. Ejemplo de cálculo Se desea calcular la potencia necesaria para elevar una altura de 5 m a razón de 45 t/h un material granular cuya densidad es de 650 kg/m3, utilizando un para ello un sistema de elevación por cangilones centrifugo Considerar un espaciamiento entre cangilones del 15%. Capacidad = 45 t/h = 750 kg/min Del anexo 15 según la capacidad de planta se utilizara un tamaño de cangilón de 6x5 pulg (15.24 x 12.70 cm), con un radio de la polea motora de 40 cm (aprox. 15 pulg); y del anexo 14 según el tamaño del cangilón considerado, se asumirá una capacidad de línea de 0.51 dm3 para el transporte del material granular estilo “A”. La altura del elevador será de 15 m. Características de cada cangilón para el material granular estilo “A”, según anexo 10: Longitud = 15.24 cm Proyección del ancho = 10.16 cm Profundidad = 10.79 cm Entonces, la capacidad de línea real será: Cl = 15.24 x 10.16 x 10.79 Cl = 1670.70 cm3 = 1.67 dm3 Calculado el número de cangilones de la ecuación 24, considerando un espaciamiento entre cangilones de 15%.

5 m x (1  0.15) 0.1079 m N° Cangilones = 39.39 = 39 cang Nº Cangilones 

Calculando el número de cangilones por metros de faja empleando la ecuación 25: n = 39/5 n = 7.8 cang./m.faja = 8 cang./m.faja Calculado la capacidad de un cangilón empleando la ecuación 26: C = 1.67 dm3 x 0.650 kg/dm3= 1.0855 kg 53

Cálculo de la velocidad angular de la polea motora Empleando la ecuación 35, el cálculo de la velocidad motora será:

N

30 0.4

N = 47.43 rpm N = 47 rpm Cálculo la velocidad de la faja De la ecuación 37, el cálculo de la velocidad de la faja será: 750 kg/min V 8 cang./m.fa ja x 1.0855 kg V = 86.37 m/min Cálculo de potencia Empleando la ecuación 36, el cálculo de la potencia será: 750 kg/min x 5 m Pot  4500 Pot = 0.83 CV Multiplicando por el factor de corrección de 1.15 (nota 4). Pot = 0.72 CV x 1.15 Pot = 0.96 CV 2.2.4. Transportadores de Sistema Neumático Una de las técnicas más importantes de manejo de materiales en la industria es el desplazamiento de materiales suspendidos en una corriente de aire, sobre distancias horizontales y verticales que van de unos pocos pies a varios centenares. El utilizar el aire permite reducir o eliminar la fricción sólido. Se pueden manejar materiales que van de polvos finos hasta gránulos de 1/4 de pulgada densidades de masa de 16 a más de 3200 Kg/m3 A los sistemas en donde se lleva a cabo este tipo de desplazamiento, se les llama transportadores neumáticos. Un transportador neumático está compuesto de caños y codos de conducción que absorben el material dentro del sistema, algunos medios para separar el grano de la corriente de aire, y un ventilador o fuelle. Este sistema utiliza una corriente de aire de alta velocidad para llevar el material dentro del ducto. Los materiales que pueden ser transportados en estas maquinas son: material granulado, canchado, granos alimento molido, forraje picado y harinas, etc. Los materiales muy finos son difíciles de transportar debido a que tienden hacerse abrasivo o apelotonarse. Los polvos son transportados manejando una masa relativamente densa de partículas a lo largo de una tubería que usa gradiente de presión (Adams et al., 1992). Estos transportadores se clasifican con respecto a la presión estática dentro de la cañería, en negativas y positivas. El sistema es negativo cuando la presión dentro del caño de conducción es menor que la presión atmosférica. Esto se produce cuando el dispositivo de impulsión del aire está instalado en el extremo final del sistema. Es positivo cuando el ventilador está instalado antes del punto en el que el grano ingresa a la cañería, puesto que la presión entonces sería mayor que la presión atmosférica. 54

Es una práctica común en la industria llevar los materiales en polvo mediante sistemas neumáticos a los silos 0064el almacenamiento. En este sistema, las colisiones de partículas con otras partículas pueden generar que se carguen electrostáticamente. Esto puede generar la producción de descargas eléctricas que pueden encender el polvo inflamable (Manna, 2005). Dentro de un silo, la carga electrostática es asociada con artículos de metal desenterrados, mientras que el riesgo de incendio por descarga electrostática es afectado por la proporción de generación de cargas y por la resistencia del polvo a la Energía Mínima de Ignición (MIE). Durante el transporte neumático, la carga de los materiales sueltos depende del material de la tubería, la humedad relativa del aire (HR), el tamaño de las partículas y las condiciones de transporte (velocidad de transporte de carga y sólidos). El número de factores que pueden causar la electrificación es tan grande que hasta ahora no se ha desarrollado la teoría que permita predecir el nivel de electrificación de materiales sueltos transportados neumáticamente. Sólo es posible en teoría, evaluar los niveles máximos de carga electrostática que puede ser generada en un transportador neumático (Gajewshi, 1989). En cierta medida, el transporte neumático de material particulado en las tuberías es más bien un mal uso de un principio que es adecuado principalmente para el transporte de líquidos o gases. Por lo tanto, no es sorprendente que el transporte neumático de sólidos se caracteriza por importantes ventajas, desventajas y dificultades (Molerus, 1996). 2.2.4.1. Componentes básicos de un sistema neumático En el transporte neumático se emplean distintos sistemas de desplazamiento. En la figura 48 se señalas los compontes básicos para cada sistema: aspirador, compresor y mixto.

a

b

c Figura 48. Esquema de instalaciones de transporte neumático. a) Aspiradora; b) Compresora; c) Mixta. 1. Toberas; 2. Tuberías; 3. Separador; 4. Obturadores de compuerta; 5. Filtro; 6. Soplador; 7.Compresor; 8.Colector de aire; 9. Separador de agua; 10. Alimentador. Fuente: Miravete y Larrodé, (1996)

55

Elementos de aporte energético para el movimiento del material La condición necesaria para el movimiento de un fluido por una conducción es que exista una diferencia de presión positiva entre los extremos de la misma (Hermida, 2000). Esta diferencia de presión siempre implica una aportación energética que puede ser en forma potencial (circulación por gravedad) o en forma de energía de transición (calor o trabajo), siendo esta ultima la más utilizada en los procesos industriales. Los elementos encargados de realizar la aportación de energía en forma de trabajo mecánico para el movimiento de material por conducciones son las bombas (fig. 49) y ventiladores (fig. 50). Normalmente la bombas se utilizan con fluidos líquidos, pastosos o no newtonianos, mientras que los ventiladores actúan sobre fluidos compresibles gases y vapores.

Figura 49. Cuerpo de una bomba peristáltica. Fuente: Hermedida (2000).

Figura 50. Izquierda: Ventilador axial. Derecha: Ventilador centrifugo. Fuente: Hermedida (2000).

Alimentador Para originarse en el ducto presiones relativamente bajas (inferiores a la atmosférica) es posible el empleo de inyectores como aparatos alimentadores, funcionando según el principio de bomba de chorro. Con estos dispositivos no es posible alcanzar importantes capacidades de transporte, puesto que solamente la energía cinética del chorro de aire sirve para vencer la presión dorsal existente en el conductor del transporte. Sin embargo, este tipo de equipo se usa para la extracción de material pulverizado que abarcan cantidades relativamente pequeñas y distancias de transporte relativamente cortas. Para mayores presiones se emplean otros tipos de alimentadores como los alimentadores de válvula rotativa (fig. 51), los cuales funcionan como cierre de aire. Para trabajar con materiales adherentes, con tendencia a pegarse, se usa una forma especial de alimentador rotativo, provista de unos chorros de aire que despegan el material por sucesivos impulsos (Labahn y Kohlhaas, 1985). 56

Figura 51. Principio de una válvula rotativa. Fuente: Labahn y Kohlhaas (1985).

Para altas presiones pueden usarse para la introducción del material en la corriente de aire alimentadores de rosca. Frente a la gran ventaja que presentan de una alimentación continua, está la gran potencia exigida y su fuerte desgaste. La rosca alimentadora gira, generalmente, a gran velocidad (750-1500 r.p.m.) y el cierre del aire se consigue por la rosca y el material en si mismo. Un ejemplo de rosca alimentadora s la bomba Fuller (fig. 52) con la cual se alcanzan capacidades de hasta 200 m2/h y distancias normales de transporte comprendidas entre 40 y 200 m (Labahn y Kohlhaas, 1985).

Figura 52. Bomba Fuller. Para alimentación de material en un sistema de alta presión. Fuente: Labahn y Kohlhaas (1985).

Cuando hayan de transportarse materiales finamente granulados o pulverizados en un sentido sensiblemente vertical, los dispositivos de alimentación pueden tomar la forma de un recipiente montado verticalmente (fig. 53), donde el material se introduce por un transportador neumático de canaleta. También debe mencionarse el recipiente a presión del sistema de transporte neumático. Un recipiente especial (tanque soplador) se llena parcialmente con el material a transportar, se cierra la entrada de alimentación y se introduce el aire comprimido, formando una mezcla de aire y material que se descarga por el fondo a través del tubo transportador. Por este mecanismo se pueden cubrir largas distancias y grandes elevaciones de hasta 200 m (Labahn y Kohlhaas, 1985). 57

Figura 53. Alimentador de un transportador neumático vertical. Fuente: Labahn y Kohlhaas (1985).

Red de tuberías Para el equipo de transporte neumático por succión, se utiliza tubos metálicos forrados (galvanizados) y flexibles. El extremo del conducto es rígido envuelto de una capa metálica con espacio entre ellos y ajustable para permitir una mayor o menor mezcla del material granular con el aire (Miravete y Larrodé, 1996). Ciclones El ciclón es esencialmente una cámara de sedimentación en que la aceleración gravitacional se sustituye con la aceleración centrifuga. En las condiciones de operación utilizadas comúnmente, la fuerza o aceleración centrifuga de separación varia de 5 veces la gravedad, en los ciclones de baja resistencia y diámetro muy grande hasta 2500 veces la gravedad en las unidades muy pequeñas de alta resistencia. La entrada inmediata a un ciclón es casi siempre rectangular. (Agostini, 2009). Los separadores de ciclones ofrecen las incomparables ventajas de poder trabajar con materiales a altas temperaturas a costos razonables. Son frecuentemente utilizados como dispositivos para la recepción de producto o separadores de polvo en sistema de transporte neumático como pre-filtros para filtros de mangas de alta eficiencia o como filtro final en aplicaciones con polvo grueso.

Figura 54. Ciclón de descarga para transportar el material del medio portante. Fuente: Labahn y Kohlhaas (1985).

58

2.2.4.2. Tipos de transporte de neumático Dado que cada sistema reacciona de forma diferente en condiciones similares es esencialmente importante cotejar las características de sistema con el producto a transportar, con el fin de conseguir los comportamientos más deseables de transporte y lograr el mayor rendimiento posible. Dinamic Air (2008), desarrolla sistemas de transporte neumático capaces de transportar a casi cualquier velocidad para un producto dado, desde velocidades de 0.25 m/seg con el sistema de transporte neumático en fase densa, o superiores a 35 m/seg con el sistema de transporte neumático en diluida (fig. 55). Además el rango de capacidades va desde poco mas de 100 kg hasta más de 400 Tn de producto por hora que sobrepasan los 1500 m.

Figura 55. Izquierda. Material en fase diluida. Derecha. Material en fase densa. Fuente: Codols (2008).

Transporte neumático en fase diluida En una situación particular, cuanto más se sobrepase una caída de presión media más partículas se verán atrapadas en la corriente de aire. A un determinado valor de Δp, todas las partículas se encontrarán en suspensión y seguirán así mientras la caída de la presión se mantenga. Si el sistema cambia, por una modificación de la dirección de la corriente de aire, un descenso de la presión (debido a una fuga) o un aumento del cociente sólido/aire, se inestabilizará, las partículas sedimentarán y el sistema se bloqueará rápidamente

Figura 56. Sistema de transporte neumático a presión en fase diluida. Fuente: Dynamic Air (2008).

En la práctica, se hace fluir aire axialmente, por una tubería, en cantidad y a presión suficientes para suspender los sólidos particulados y desplazarlos luego a lo largo de la tubería.

59

Es utilizado generalmente para transportar productos de baja a media densidad, y no abrasivos, a los que no perjudique su degradación. Como harina, azúcar, sal, cereales, malta, etc. Ventajas  Bajo costo inicial.  Simplicidad mecánica.  Flexibilidad que permite entregar el material a diferentes puntos o recogerlo de diferentes puntos.  Puede modificarse su recorrido o acoplarse a instalaciones ya existentes. Desventajas  Gran consumo de potencia.  Posible deterioro del material transportado.  El desgaste y la abrasión de los equipos.  Con los cambios en los parámetros de funcionamiento, se observan efectos significativos, a veces brusco, e incluso con el riesgo de fracaso del proceso. La desventaja de un consumo de energía más alta restringe el uso de sistemas de transporte neumático para el transporte en distancias más cortas (generalmente menos de 1000 m). Las ventajas de la versatilidad y flexibilidad hace de transporte neumático de la primera elección para el transporte de una gran variedad de materiales de partículas (Molerus, 1996). Transporte neumático en fase densa El transporte neumático por fase densa utiliza aire comprimido a presiones que varían desde 2 a 5 bar. Es apta para todo tipo de materiales e ideal para productos abrasivos y de difícil manipulación tales como: harina, azúcar, leche en polvo, y estos productos químicos como: cal, óxidos, etc., donde la baja velocidad de transporte evita desgastes en tuberías, codos y demás elementos. Se destaca por utilizar bajas velocidades durante el transporte siendo las más comunes en 0,25 m/s en el inicio y 3,0 m/seg en el final y presiones entre 0,5 a 5,0 kgf/cm2 en el inicio y 0 kgf/cm2 en el final.

Figura 57. Sistema de transporte neumático a presión en fase densa. Fuente: Dynamic Air (2008).

60

La fase densa permite transportes a distancias de hasta 2000 metros y producciones de hasta 500 t/h, con una tubería de menor diámetro en relación a la fase diluida, sin pérdidas de aire o de producto durante el transporte, con un bajo consumo de aire y con bajos costos operativos. La densificación del producto dentro de la tubería y la baja velocidad de transporte (entre 2 a 12 m/seg) permiten un tratamiento suave del producto, evitando la rotura de las partículas, factor crítico en determinadas industrias. El consumo energético está en relación directa a la cantidad de producto transportado. Es por ello que para Envisolid (2000) la fase densa es el sistema más eficiente dentro de la familia de transportes neumáticos. Ventajas El transporte en fase densa ofrece la gran ventaja de "empujar" eficientemente una concentración mayor de material sólido en velocidades relativamente bajas, a través de la línea de transporte. De esta forma, este concepto permite:  Bajo consumo de aire comprimido.  Manipulación más delicada de los sólidos altamente abrasivos o frágiles que no toleran degradación o segregación.  Minimizar el desgaste de piezas y de consecuentes paros del sistema.  Aumentar la eficiencia en términos de consumo de energía y mano de obra.  Ofrecer mayor confiabilidad debido a pocas partes móviles del sistema.  Por ser totalmente hermético, atienda ampliamente a las exigencias de los organismos ambientales.  Transportar productos a largas distancias y con altas capacidades.  Transporte de materiales en sistemas de configuración complejas, con varios destinos.  Operación con productos que exigen aire de alta calidad o gas inerte.  Completamente automatizado.  Supresión de todas las pérdidas de aprovechamiento. La transferencia del producto, en un circuito cerrado, evita todo riesgo de pérdida de aprovechamiento.  Ganancia de productividad. Gracias a una transferencia inmediata, el producto guarda su temperatura inicial lo que permite aumentar la productividad de una línea de dosificación.  Higiene. La transferencia instantánea del producto reduce los riesgos de polución y de contaminación. La facilidad y la rapidez de limpieza permite hacer una desinfección óptima.  Dimensiones. Este conjunto le permitirá unir eficacia y fiabilidad, esto con unas dimensiones mínimas en el suelo. Desventajas  Escasa eficiencia.  Probabilidad de daños en el material 2.2.4.3. Sistemas de transporte de neumático En general, los sistemas de transportadores neumáticos se clasifican según 5 tipos básicos (Gruber, 2008): de presión, de vacío, de combinación presión y vacío, de fluidización y de tanque ventilador. 61

Sistemas de presión También llamados sistemas de compresores, en estos sistemas se deja caer el material en una corriente de aire por encima de la presión atmosférica mediante un alimentador giratorio de exclusas (fig. 58). La velocidad de la corriente mantiene al material a granel en suspensión hasta que llega al recipiente receptor, donde se separa del aire mediante un filtro o un separador de ciclón. Salida de aire

Ciclón Entrada Entrada de de aire material

Compresor

Salida de material

Ventilador

Figura 58. Sistema a presión de transportador neumático. Fuente: Gruber (2008).

Se usan sistemas de presión para materiales de flujo libre de casi todos los tamaños de partículas (hasta gránulos de 1/4 de pulg), cuando se necesitan índices de flujo de más de 151 kg/h y cuando las pérdidas de presión en el sistema sean de aproximadamente 12 pulgadas de Hg. Estos sistemas son convenientes cuando se deba aplicar una fuente a varios receptores. El aire de transporte se proporciona por lo común mediante ventiladores de desplazamiento positivo. Los Sistemas de Presión pueden ser:  Sistema de baja presión: Cuando la presión de operación es de 10 pulg de agua.  Sistema de presión media: Cuando la presión de operación de 40 pulg de agua.  Sistema de alta presión: Cuando la presión de operación sobrepasa los 40 pulg de agua. En este caso se utilizan compresores centrífugos para impulsar el aire, muy usado el transporte de materiales de alto peso específico. Sistemas a Vacío También llamadas sistemas aspiradores, en estos sistemas se operan a presiones por debajo de la presión atmosférica. El material no pasa por el ventilador, pero es separado en el ciclón (fig. 59). Este tipo de transportador es recomendable para recoger el material de varios puntos y concentrarlo en uno solo. Salida de aire Bomba de vacio Ciclón Entrada de material Entrada de aire

Salida de material

Figura 59. Sistema de succión de un transportador neumático. Fuente: Gruber (2008).

62

Estos sistemas se caracterizan por el desplazamiento de materiales en una corriente de aire de presión menor que la ambiental. Las ventajas de este tipo de sistema son las de que toda la energía de bombeo se usa para mover el producto y se puede absorber material en la línea del transportador sin necesidad de un alimentador giratorio o un sello similar entre el recipiente de almacenamiento y el transportador. El material permanece suspendido en la corriente de aire hasta que llega a un receptor. Allí un filtro o un separador de ciclón separan al material del aire, haciendo pasar este último por el separador y al lado de la succión del ventilador de desplazamiento positivo o alguna otra fuente de potencia. Los sistemas al vacío se suelen usar cuando los flujos no sobrepasan los 6800 kg/h, la longitud equivalente del transportador es de menos 305 m y cuando se desea alimentar por varios puntos distintos desde una sola fuente. Se usan mucho para materiales divididos finamente. Tienen un interés especial los sistemas al vacío diseñados para flujos menores de 454.5 kg/h, que se utilizan para transferir materiales a distancias cortas a partir de depósitos o tolvas de almacenamiento a granel hasta unidades de proceso. Este tipo de transportador tiene aplicaciones amplias en los materiales plásticos y otras operaciones de elaboración, donde la variedad de condiciones requiere de flexibilidad al escoger dispositivos de recolección, fuentes de potencia y receptores. Sistemas de presión-vacío También llamados sistemas mixtos, combinan lo mejor de los métodos de presión y vacío. Se usa el vacío para inducir al material a entrar al transportador y desplazarse a una corta distancia hasta un separador. El aire pasa por un filtro al lado de succión de un ventilador de desplazamiento positivo. A continuación se alimenta el material a la corriente de aire de presión positiva del transportador mediante un alimentador giratorio, que procede del lado de descarga del ventilador. La aplicación puede ser muy flexible y va de una estación central de control, con todas las actividades de interconexión controladas y secuenciadas eléctricamente, a otra en la que las actividades se manejan mediante el cambio manual de las conexiones del transportador. La aplicación más típica es la del vehículo combinado a granel con descarga y transferencia al almacén de productos. Es el sistema más común, pues parte del transporte del material se efectúa por succión y es completado por transporte a presión (fig. 60). Salida de aire

Aire

Entrada de material Bomba de vacio

Compresor

Salida de material

Figura 60. Sistema de mixto succión / presión de un transporte neumático. Fuente: Gruber (2008).

Sistemas de fluidización Transportan con frecuencia materiales que no fluyen con libertad, prefluidizados y divididos finamente. Las distancias de transporte son cortas, como por ejemplo, desde las tolvas de 63

almacenamiento o vehículos de transporte a la entrada de un sistema principal de transporte. Una de las ventajas más importantes en las aplicaciones de tolvas de almacenamiento es que el fondo de las tolvas puede ser casi horizontal. La fluidización se logra por medio de una cámara en la que se hace pasar aire por una membrana porosa que se forma en el fondo del transportador, sobre el que reposa el material que va a ser desplazado. Conforme pasa aire por la membrana, cada partícula se ve rodeada por una película de aire. En el punto de fluidización incipiente, el material toma las características del flujo libre. A continuación puede pasar a una corriente de aire del transportador mediante un alimentador giratorio. La pre-fluidización tiene la ventaja de reducir el volumen de aire de transporte que se necesita; en consecuencia, se requiere menos potencia. Las características del resto de este sistema son similares a las de los transportadores comunes del tipo de presión o del vació. Tiene un interés especial la tendencia del material que va adherirse y acumularse en la superficie de los componentes del sistema. Salida de aire

Lecho fluidizado Entrada de material

Efluente tratado

Ventilador Calentador

Reactor

Bomba de recirculación

Figura 61. Sistema de de lecho fluidizado. Fuente: Gruber (2008).

Sistema de tanque ventilador Una de las primeras aplicaciones del transporte neumático fue el tanque ventilador. En la actualidad se usa poco y funciona mediante la introducción de aire a presión a la parte superior de un recipiente a presión que contiene carga de material. Si el material es de flujo libre, fluirá a través de una válvula al fondo de la cámara y se desplazará por una línea corta de transporte, que se limita por lo común a un máximo de 16 m dependiendo del producto, aunque se encuentra en servicio sistemas de hasta 457 m. Al utilizar este sistema, las elevación es de la presión del aire resultan problemáticas ya sean provocadas por el vaciado del tanque o por el aire que se abre paso a través del producto. El principio de tanque ventilador se puede utilizar para alimentar transportadores neumáticos regulares. El uso de un “airslide” u otro dispositivo de fluidización al fondo del tanque ventilador permiten el manejo de materiales que no tienen flujo libre. Este principio se usa ampliamente en las válvulas de las maquinarias de llenado de bolsas del tipo de fluidización y presión. 64

2.2.4.4.

Ventajas y desventajas

Ventajas El transporte neumático de cargas tiene las siguientes ventajas que condicionan la amplia introducción de este tipo de transporte en distintas ramas de la industria:  La posibilidad de manejar materiales por un esquema complejo tridimensional y la comodidad de disponer las tuberías en cualquier dirección.  La posibilidad de simultanear el transporte de la carga con operaciones tecnológicas (secado, succión de pequeñas fracciones, etc.).  La posibilidad de transportar la carga desde varios lugares diversos puntos.  El alto grado de hermeticidad de las tuberías y la ausencia de pérdidas de carga.  La automatización casi completa del proceso de transporte.  Puede adaptarse con facilidad tanto a las instalaciones de producción y existentes a las nuevas proyectadas Desventajas  El alto consumo de energía que alcanza 1 a 4 kW. h/t y que sobrepasa 10-15 veces el consumo de energía en el transporte mecánico.  El elevado desgaste de los elementos de los dispositivos neumáticos, particularmente al transportar cargas abrasivas.  La necesidad de purificar minuciosamente el aire usado del polvo antes de expelerla a la atmósfera.  La imposibilidad de transportar cargas húmedas, apelmazantes y pegajosas. 2.2.4.5.

Factores de diseño de un sistema de transporte neumático

Velocidad del aire La velocidad es considerada uno de los parámetros más importantes en el transporte neumático de sólidos. La mayoría de los alimentos se pueden transportar satisfactoriamente a velocidades de aire del orden de 15-25 m/seg. A velocidades superiores, pueden crear problemas la abrasión de los codos de la tubería y causar lesiones mecánicas en el producto. A velocidades demasiado pequeñas, los sólidos tienden a depositarse y bloquear los ramales horizontales de la tubería El funcionamiento exitoso de sistemas neumáticos depende en la predicción o determinación de la velocidad mínima a que los sólidos pueden llevarse a través de una tubería. Innecesariamente una velocidad alta requeriría mayor energía, aumentaría la corrosión, y aumentaría la degradación de los sólidos. Por otro lado, una velocidad muy baja puede producir la deposición de sólidos en el fondo de la tubería o puede bloquearla (Cabrejos y Klinzing, 1992). Se ha desarrollado una ecuación generalizada para predecir la velocidad de partículas en función de las propiedades del sistema. La forma, tamaño y densidad de las partículas, el coeficiente de fricción, el coeficiente de restitución y acabado de la superficie también afecta su velocidad (Chand y Ghosh, 1968). Presión del aire Se necesita para proporcionar energía, con objeto de:  Acelerar el aire de transporte  Mantener las partículas en suspensión.  Superar las resistencias debida a las colisiones entre partículas y entre las partículas y las paredes. 65

El gradiente de presión (Δp) entre la entrada y la salida del sistema es función de numerosas propiedades del mismo, como el diámetro, la longitud, la inclinación y la geometría de la tubería, la densidad y la viscosidad del fluido (y por tanto su temperatura), la densidad de la cápsula, la forma de la misma y la fisura de su superficie. En general, suelen bastar gradientes de presión relativamente bajos para alcanzar velocidades de flujo de las cápsulas que sean aceptables. Para el diseño del sistema de transporte neumático, es esencial conocer no sólo la velocidad mínima del aire que garantiza una buena circulación de la material, sino también la caída de presión que tienen lugar a lo largo de la tubería. La velocidad de las partículas es un parámetro muy importante en la determinación de la caída de presión que se producen durante el transporte neumático desde la transferencia de energía, que tiene lugar desde el flujo de aire para las partículas y que depende únicamente de la velocidad relativa de las partículas (Ghosh y Kalyanaraman, 1970). Para encontrar la caída de presión, un conocimiento de la velocidad de las partículas es, por tanto, absolutamente necesario. El cálculo exacto de la caída de presión es muy complejo. La experiencia confirma que hay una cierta velocidad mínima del aire, que garantiza la fluidez del material sin ningún tipo de sedimentación y la obstrucción, por debajo del cual se puede producir calce. La presencia de sólidos en la corriente de aire provoca una sensible caída de presión adicional que es una función lineal de los sólidos y los flujos de aire. El tamaño de la partícula Determina la velocidad a que viajan a lo largo de la tubería. No es necesario que se ajusten apretadamente a ésta. Las partículas de diámetro “d” viajan en una tubería de diámetro “D” a la velocidad de líquido si el cociente (d/D) se aproxima a 0,95; en tanto que, si el cociente (d/D) es de aproximadamente 0,8 se desplazan a una velocidad de aproximadamente de sólo el 65% de la velocidad del líquido. A cocientes de diámetro no Superiores a 0,5 las partículas pueden sedimentar y bloquear la tubería. La longitud de las partículas sólo tiene importancia para asegurar que pueden atravesar fácilmente los codos.Cuando las propiedades del material ya sea a granel o en unidades individuales, es importante tener una estimación precisa de la forma, tamaño, volumen, densidad, superficie y otras características que pueden considerarse como parámetros de ingeniería para dicho producto. Forma, tamaño, volumen, densidad, porosidad son importantes en muchos problemas asociados con el diseño de una máquina específica o el análisis del comportamiento del producto en el manejo del material. La porosidad es a menudo necesaria en el flujo de aire y los estudios de calor, así como otras aplicaciones. A granel, la densidad real de los productos agroindustriales juegan un papel importante en el secado y almacenamiento, el diseño de silos y depósitos de almacenamiento, la separación de materiales no deseados, y la clasificación (Mohsenin, 1980). La velocidad terminal y el coeficiente de arrastre son las propiedades más importantes para la separación, el transporte neumático, y la limpieza de los granos de la semilla. Con el fin de diseñar equipos para la limpieza, la manipulación, la aireación, almacenamiento y procesamiento de granos de la semilla, es necesario estudiar las características de transporte neumático de granos de la semilla. Para el diseño de un sistema de transporte neumático se debe tener en cuenta lo siguiente:  Capacidad del sistema.  Distancia de transporte (horizontal y vertical).  Característica del material (tamaño, formas, gravedad especifica)  Sistema de tuberías (diámetro, material codos)  Potencia del ventilador. 66

La capacidad de un sistema neumático de transporte depende de:  La densidad de masa del producto (así también, hasta cierto punto de la forma y el tamaño de las partículas).  El contenido de energía del aire de transporte a lo largo de todo el sistema.  El diámetro de la línea de transporte.  La longitud equivalente de la línea de transporte. Se logra una capacidad mínima cuando la energía del aire de transporte es apenas suficiente para hacer que el producto se desplace a lo largo de la línea sin detenerse. Para evitar las detenciones, es conveniente proporcionar un incremento adicional de energía al aire, con el fin de que exista un factor de seguridad que permita cambios mínimos en las características de los productos. El principal requisito de un transportador neumático es la potencia necesaria para la propulsión del dispositivo que desplaza el aire. Esta cantidad está relacionada con el volumen de aire y con la presión estática que este dispositivo debe superar. La presión estática total ante la que debe de operar puede ser la suma de nueve presiones individuales. Estas presiones se deben a los siguientes factores:  Aire que entra al sistema.  Tipo de absorción del aire.  Entrada y aceleración del material.  Codos y doble aceleración del material.  Transporte del material en dirección horizontal.  Movimientos del aire en dirección horizontal.  Transporte del material en dirección vertical.  Movimiento del aire en dirección vertical.  Colector. Potencia del Ventilador La potencia del ventilador está en función al caudal másico del material y la pérdida de presión en todo el sistema. La potencia en HP del ventilador puede ser calculada mediante la ecuación siguiente: Pot 

Q x PT 6356 x n

… (38)

Donde: Q = Caudal de aire utilizado PT = Pérdida de presión en todo el sistema en pulg de agua. n = Eficiencia (en la práctica de 80 a 85%). Pérdida de presión debido al flujo de aire en la tubería

Pf  fx

L V2 x D 2g

Ec. de Darcy … (39)

Siendo f el coeficiente de fricción de Fanning que depende del número Reynolds (Re) y la rugosidad del material. f = f(Re, ε/D) Re 

D x Va x  … (40)



67

Donde: L = Longitud de la tubería D = Diámetro de la tubería Va = Velocidad de transporte ρ = Densidad del aire µ = Viscosidad dinámica del aire f se calculará interceptando en la grafica del anexo 21 Re con ε/D. Pérdida de presión debido al flujo del material Pérdida de presión por elevación

Donde: R = Carga del material H = Altura de elevación (pies)

Pe 

R

R x H

… (41)

69.4

Wm … (42) Wa

Donde: Wm = Cantidad de material por unidad de tiempo (lb/min) Wa = Cantidad de aire (lb/min)

Wa  Q a x ρa  Vaire x A x ρa … (43) Donde: Q = Caudal de aire (pie3/min) ρa = Densidad del aire (lb/pie3) Vaire = Velocidad del aire (pie/min) A = Área de la sección transversal del ducto (pie2) Pérdida de presión por aceleración del material

Pa 

Vpm 

R x Vpm

2

69.4 x 2g

… (44)

Vmv  Vmh … (45) 2

Donde: Vpm = Velocidad promedio del material Vmv = Velocidad del material en la tubería vertical. Vmh = Velocidad del material en la tubería horizontal. Velocidad en la tubería vertical Para el movimiento vertical se debe tener en cuenta la presión estática que será afectada por:  Pérdida de energía debido a la fricción del aire con las paredes del ducto. 68

 Pérdida de presión debido al peso del material en los ductos en cualquier instante.  Pérdida de presión debido a la fricción entre materiales.  Para el movimiento vertical se debe considerar el flujo de aire necesario para mantener en suspensión el material más el aire necesario para promover la velocidad del material (ver anexo 20). Vmv = Va – Vf … (46) Donde: Va = Velocidad de transporte (ver anexo 19) Vf = Velocidad de flotación (pie/min) Vf  60 x

2g ρ p Vp Fd ρ a A p

Donde: g = Aceleración de la gravedad (pie/s2) Fd = Coeficiente de arrastre (adimensional) ρa = Densidad del aire (lb/pie3) 3 ρ = Densidad del material (lb/pie )

… (47)

1 para partículas irregulares 0.5 para partículas esféricas

p

Vp = Volumen de la partícula (pie3) Ap = Área frontal de la partícula (pie2) Para partículas esféricas:

Vf  60 x

1x g x ρp x dp 3 x Fd x ρ a

… (48)

Donde: dp = diámetro de la partícula (pies) Velocidad en la tubería horizontal La velocidad del aire varía de acuerdo al peso del material por unidad de volumen (peso específico). En el anexo 19 se presentan velocidades mínimas recomendadas de aire de acuerdo a la densidad del material. Vmh = Va – Vrh … (49) Donde: Vrh = Velocidad relativa del material en el ducto horizontal Vrh = Vf (0,18 + 0,65 x 10-4 x Va) … (50) Donde: Vf = Velocidad de flotación (pie/min) Va = Velocidad del aire (pie/min) Velocidad relativa en el ducto vertical Vrv = Vf … (51) Donde: Vrh = Velocidad relativa del material en el ducto horizontal 69

Pérdida por fricción del material en los codos (accesorios)

Pfc 

F  R  V 2 pm … (52) 69,4 x 2g

Donde: F = factor de fricción del material con la tubería (ver tabla 8). Pérdida por fricción del material en el ducto (horizontal) Pfd  F

R xL … (53) 69,4

Nota 5: Se utilizó el siguiente factor de corrección: 1 pulg de agua = 69.4 pie de aire Otras pérdidas Pérdida de entrada (Pent): generalmente varía de 1,5 a 2 pulg de agua. Pérdidas en la salida (Psal): se considera 1 pulg de agua. Pérdida en el separador (Psep): se considera en promedio 3 pulg de agua. Perdida de presión total Pt = Pf + Pe + Pa + Pfc + Pfd + Pent + Psal + Psep … (54)

Tabla 8. Factor de fricción para diferentes materiales FACTOR DE FRICCIÓN

PESO ESPECÍFICO (Kg/m3)

0.6

240.28

1

64.07

Trigo, Arroz

0.5

544.63

Semillas de Cacao

0.5

592.682

Harina de Cacao

0.8

512.59

Maíz Desgranado

0.4

720.830

Semilla de Algodón

0.7

640.74

Harina de Maíz

0.7

640.74

Harina de Semilla de Algodón

0.7

528.61

Malta Seca

0.4

512.590

1

640.74

0.5

480.55

1

560.64

MATERIAL Alfalfa, Avena Bagazo (húmedo)

Leche en Polvo Almidón (pellets) Almidón seco

70

2.2.4.6. Ejemplo de cálculo Se desea transportar 300 toneladas de maíz desgranado durante 12 horas a través de una tubería de hierro galvanizado de 6 pulgadas de diámetro; de acuerdo a la siguiente figura determine la potencia del ventilador. El sistema trabajara con una eficiencia del 80 %.

Las características de los materiales son las siguientes: Área frontal de la partícula (Ap): 0.034 pulg2 = 2.36x10-4 pie2 Volumen promedio de la partícula (Vp): 0.004 pulg3 = 2.31x10-6 pie3 Densidad del maíz (ρp): 650 kg/m3 = 40.57 lb/pie3 µa = 1.24 x 10-5 lb/pie.s (a 20ºC) ρa = 0.074 lb/pie3 Para el cálculo de la potencia del ventilador se empleara la ecuación 38, realizando procedimientos previos para el cálculo de la perdida de presión del sistema (PT) y el caudal (Q) de aire utilizado. PT = Pf + Pe +Pa + Pfc + Pfd + Pen + Psal + Pse (ecuación 54) Cálculo de la pérdida debido al flujo de aire en la tubería (Pf) Para este cálculo se empleara la ecuación 39, realizando procedimiento previos para el cálculo de la velocidad de transporte (Va) y del factor de Fanning (f). Para el cálculo de Va, interpolamos los valores del anexo 19 en función a la densidad del material: 35 lb/pie3 40.57 lb/pie3 50 lb/pie3

5000 pie/min Va 6000pie/min

Va = 5400 pies/min = 90 pies/seg 71

Para el cálculo de f se interceptara en la grafica del anexo 21 Re con ε/D: Cálculo del número de Reynolds (Re): Re 

0.5pie  90pie/seg  0.074 lb/pie3 1.24  105 lb/pie.seg

Re = 2.69 x 105 Cálculo de ε/D:

ε = 1.5x10-4 m (dato para hierro galvanizado)  D



1.5  10 4 m  0.001 0.5 pie

Interceptando en la gráfica del anexo 21: f = 0.0077 Finalmente en la ecuación 39: Pf  0.0077 

80 pie (90pie/seg) 2  0.5 pie 2  32.15 pie/seg 2

Pf = 155.20/69.4 Pf = 2.24 pulg de agua Cálculo de la pérdida de la presión debido al flujo del material Cálculo de la pérdida de la presión por elevación (Pe) Para este cálculo se empleara la ecuación 41, realizando procedimientos previos para el cálculo de la carga del material (R). La carga del material se calculará empleando la ecuación 42, de donde la carga del material por unidad de tiempo (Wm) es: Wm = 300 t/12h = 918.60 lb/min Y la cantidad de aire (Wa) empleando la ecuación 43, será: Wa =5400 pies/min x π(0.5 pie/2)2 x 0.074 lb/pie3 Wa = 78.46 lb/min Entonces, de la ecuación 42:

918.60 lb/min 78.46 lb/min R = 11.71 R

Reemplazando en la ecuación 41: 72

Pe 

11.71  50 pies 69.4

Pe = 8.43 pulg de agua Cálculo de la pérdida de presión por aceleración del material (Pa) Para este cálculo se empleara la ecuación 44, realizando procedimientos previos para el cálculo de la velocidad promedio del material (Vpm). Para el cálculo la V pm se empleara la ecuación 45, realizando procedimiento previo para el cálculo de la velocidad del material en la tubería vertical (Vmv) y horizontal (Vmh). Así mismo, para el cálculo de la V mv se empleara la ecuación 46, realizando procedimientos previos para el cálculo de la velocidad de flotación (Vf) (ecuación 47). El valor del la velocidad de transporte (Va) se calculó a interpolando valores del anexo 19. De la ecuación 47: Vf  60 x

2  32.15 pie/seg 2  40.57 lb/pie3  2.31  106 pie3 1  0.074 lb/pie3  2.36  10 4 pie2

Vf = 1114.53pie/min Entonces, en la ecuación 46: Vmv = 5400 -1114.53 Vmv = 4285.47pie/min Para el cálculo de V mh se empleara la ecuación 49, realizando procedimientos previos para el cálculo de la velocidad relativa del material en el ducto horizontal (V rh) (ecuación 50). El valor del la velocidad de transporte (Va) se cálculo a interpolando valores del anexo 19. De la ecuación 50: Vrh = 1114.53 pie/min (0.18 + 0.65 x10-4 x 5400) Vrh = 411.26 pie/min Entonces, en la ecuación 49: Vmh = 5400 – 411.26 Vmh = 4808 pie/min Reemplazando en la ecuación 45: 4271.03  4808 Vpm  2 Vpm = 4988.74 pie/min = 83.15 pie/seg Finalmente en la ecuación 44: Pa 

11.71  (83.15 pie/seg) 2 69.4  2  32.15 pie/seg 2

Pa  18.14 pulg de agua 73

Cálculo de la pérdida de presión por fricción del material en los codos (Pfc) En la ecuación 52, donde F se determino de la tabla 8: 0.4  11.71  (83.15 pie/seg) 2 Pfc  69.4  2  32.15 pie/seg 2 Pfc = 7.56 pulg de agua

Cálculo de la pérdida de presión por fricción del material con el ducto (Pfd) En la ecuación 53: 0.4  11.71  80 pie Pfd  69.4 Pfd = 5.40 pulg de agua Cálculo de la pérdida de presión total del sistema Considerando máximas las perdidas a la entrada (Pent), salída (Psal) y separador (Pse): Pent = 2 pulg de H2O Psal = 1 pulg de H2O Pse = 3 pulg de H2O Entonces, en la ecuación54: PT = 2.24 + 8.43 + 18.14 + 7.56 + 5.40 + 2 + 1 + 3 PT = 42.37 pulg de agua Cálculo del caudal (Q) De la ecuación 43: Qa = 5400 pie/min x π(0.5 pie/2)2 Qa = 1060.29pie3/min Finalmente en la ecuación 38: 1060.29 pie3 /min  42.37 pulg de agua 6356  0.8 Pot = 8.34 HP

Pot 

2.2.5. OTROS TRANSPORTADORES UTILIZADOS EN LA AGROINDUSTRIA 2.2.5.1. Transportadores de Rodillos El sistema de rodillos funciona por medio de un motor de rotación; el cual por a través de cadenas, fajas u otro elemento transfiere esta energía a los diferentes rodillos, lo cual hace que el sistema opere de una manera eficiente haciendo rodar todos los rodillos a una misma revolución, lo cual hará giran a una misma velocidad todos los rodillos. Las grandes instalaciones continuas necesitan un adecuado sistema de movimentación y almacenaje del material tratado. Los sistemas de movimentación por vía de rodillos son utilizados para el transporte de fardos, paletas, cajas. Los diámetros más usados de los polines (poleas) son 4", 5", 6", 7"; estas medidas están relacionadas con la carga que transporta la faja transportadora y la velocidad de la misma. 74

Figura 62. Transportadores de rodillos fijos de acero inoxidable. Fuente: Direct Industry (2009).

2.2.5.2. Transportadores Vibratorios u Oscilantes También, en numerosos sectores industriales resultan muy familiares los transportadores vibratorios para transportar cargas a alta temperatura, tóxicas, agresivas químicamente, asegurando su hermeticidad completa de desplazamiento, así como para transportar viruta metálica, mojada con emulsiones y aceite, tierra caliente extraída de los moldes para fundición, piezas de fundición de reducido tamaño, etc (Miravete, 1996). La mayoría de los transportadores vibratorios son esencialmente unidades de impulso direccional que consiste en una placa horizontal sobre resortes, que vibra gracias a un brazo excéntrico de conexión directa, pesos excéntricos giratorios, un electroimán o un cilindro neumático ó hidráulico. El movimiento impartido a las partículas de material puede variar; pero su finalidad es la de impulsar el material hacia arriba y hacia adelante, de modo que se desplace a lo largo de la trayectoria del transportador en una serie de saltos cortos.

Figura 63. Transportador vibratorio. Fuente: Direct Industry (2009).

Con tamices o placa de cubierta perforada, los transportadores vibratorios pueden efectuar operaciones de deshidratación, tamizado, separación o desecación. También se pueden manejar operaciones de calentamiento y enfriamiento, mediante la utilización de flujos de aire soplado sobre el material o a través de él, tableros infrarrojos, tableros de calentamiento por resistencia o contacto con recubrimientos de artesa calentados o enfriados con aire o agua. 75

La capacidad de los transportadores vibratorios es extremadamente amplia y va de varios miles de toneladas a unas cuantas onzas. Puesto que hay tantas variables que afectan su capacidad de transporte, no hay ninguna fórmula simple para calcular la capacidad y la potencia. Los datos disponibles son en general el resultado de experimentos y ecuaciones empíricas, además de que la mayoría de los fabricantes proporcionan gráficas de selección para tipos específicos de transportadores y materiales. Las grandes ventajas de los transportadores vibratorios residen en el poco desgaste del elemento portador (tubo o canalón), incluso al transportar cargas abrasivas, la construcción relativamente sencilla de la máquina; la posibilidad de carga y descargas intermedias; el pequeño consumo de energía a un trabajo de régimen. A las desventajas de estos transportadores pueden referirse la reducción considerable del flujo de material al desplazar cargas por pendiente hacia arriba (a excepción de transportadores verticales especiales): aproximadamente en cada grado de ángulo de elevación, el rendimiento del transportador baja un 3-5 % (al desplazar carga por una inclinación hacia abajo, el flujo de material aumenta aproximadamente en la misma correlación); un corto plazo de servicio de los elementos elásticos y de los cojinetes de empuje de accionamiento (el plazo de funcionamiento no suele sobrepasar un año). 2.2.5.3. Transportadores de Cadenas El transportador de cadena o de arrastre, tiene una cadena de eslabones abiertos, los cuales sirven, en vez de paleta para empujar el material. Con un canal de concreto de superficie dura o de hierro fundido, sirve muy bien en el manejo de cenizas. El recorrido de retorno, debe estar por encima del transportador de carga, de modo que el material desprendido caiga al transportador de carga. Se debe proveer un alimentador, salvo que la alimentación este controlada en otra forma. Dado que el alimentador tiene interconexión mecánica o eléctrica, se detiene la alimentación cuando se para el transportador.

Figura 64. Transportador de cadena para transporte de bultos voluminosos y pesados (2 – 4 t) Fuente: OMT Biella S.R.L., (2009).

2.2.5.4. Transportadores de Charnelas Los transportadores de charnelas son aptos para el transporte de toda clase de residuos industriales y pueden ser utilizados para el procesamiento y eliminación de estos. Los transportadores de de charnelas pueden ser combinados con depósitos para líquido refrigerante, bombas y sistemas de filtración (si es necesario) con el fi n de conseguir módulos compactos. 76

Figura 65. Izquierda: Cadena de charnela simple para transportadores rectos. Fuente: Rodasuin S.L. (2009). Derecha: Transportador de charnelas acumulables. Fuente: Tecnology Group MK (2009).

2.2.5.5. Transportadores de paleta Los transportadores de paleta se utilizan para mover materiales granulares, en terrones o pulverizados, a lo largo de una trayectoria horizontal o sobre un plano inclinado, rara vez mayor de unos 40 grados. El transportador de paletas de construcción usual no se debe especificar para material muy abrasivo, como ceniza y harina húmeda. Los transportadores de paletas de capacidad pequeña funcionan por lo general entre 100 y 150 pies/minuto. Los transportadores de gran capacidad funcionan a 100 pies/minutos o con más lentitud; sus cadenas de paso largo golpean con fuerza contra los dientes de la rueda dentada impulsora o de las poleas para la cadena cuando las velocidades son más altas. Un transportador con un fuerte declive debe tener las paletas con separaciones pequeñas a fin de que el material no se amontone y forme avalanchas que se desprendan. La capacidad de un transportador dado disminuye conforme aumenta su ángulo de inclinación. Para trabajo muy pesado son esencial rodillos de superficie endurecida en las articulaciones.

Figura 66. Transportador de paletas “Traxo”. Fuente: Borghi Sofram (2007).

77

“Traxo" (fig. 66) es el transportador a paletas ideal para el encaminamiento de cada tipo de material suelto y también de capacidades considerables. El transportador se desarrolla en forma linear, continua y sin sacudidas, rindiéndolo particularmente adapto para materiales delicados como materiales cúbicos, arroz trabajado, monos de cereales y cualquier otro materiales, donde la rotura sea de evitar. "Traxo" es particularmente adapten aquellos ambientes donde la contaminación entre los productos de transportar sea da evitar (Borghi Sofram ,2007). 2.3.

HERRAMIENTA COMPUTACIONAL

En el diseño y selección de sistemas para el transporte de materiales agroindustriales, la mayoría de ingenieros toma decisiones basados en: 1) confiar en los libros, manuales, y su propia experiencia, (2) confiar en el consejo de los vendedores del equipo, (3) el uso de modelos analíticos, o (4) consultar a un experto del manejo del material (Apple, 1991; citado por Fonseca et al., 2004). En los últimos tiempos han tomado un gran auge a nivel internacional las herramientas computacionales y técnicas de la inteligencia artificial (Soto et al., 1999), siendo muy comunes hoy en día los términos de “Sistemas basados en el conocimiento”, “Redes Neuronales”, etc. Dentro de los sistemas basados en el conocimiento los más comunes son los Sistemas basados en reglas (SBR), Sistemas basados en casos (SBC) y Sistemas Híbridos, este último es la combinación de los dos primeros. Estas técnicas han sido aplicadas con éxito en diferentes ramas del saber. Los SBR parten de determinadas expresiones matemáticas y restricciones que caracterizan el objeto que se está proyectando. Los SBC parten de problemas resueltos en un dominio de aplicación y mediante un proceso de adaptación, encuentran la solución a un nuevo problema. Ambos sistemas dentro de la Ingeniería, pueden ser la solución a la tarea de diseñar de la forma más automatizada posible, sistemas de transporte de materiales que hasta ahora se diseñan por métodos manuales y tradicionales. Se pretende que un SBC para el diseño sea un sistema adaptable, capaz de almacenar y reproducir la experiencia acumulada y de ir asimilando nuevos casos, además de permitir la rapidez y calidad de los diseños, y de contribuir a modernizar, racionalizar y hacer más competitivos los departamentos o grupos especializados que se dedican a esta tarea. A la combinación de los sistemas basados en regla y los sistemas basados en casos se les denomina sistemas híbridos. Los SBR pueden aplicarse con grandes ventajas al diseño de sistemas de transporte de materiales agroindustriales, sin embargo ellas constituyen un campo donde apenas se ha aplicado la inteligencia artificial. Las posibilidades de empleo de los sistemas basados en regla radican en las complejidades y posibles variantes que pueden presentarse tanto en su cálculo geométrico como en su cálculo a resistencia. Varias técnicas cuantitativas y algoritmos computacionales se han desarrollado como ayuda útil para el diseño de los esquemas. La tendencia moderna, en todos los aspectos de la ingeniería hace uso extenso de programas computacionales (herramientas de diseño) para disminuir el ancho espectro que provoca el plan de tareas y facilita el proceso global del diseño (Tsalidis y Dentsoras, 1997).

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Sistemas basados en reglas Los lenguajes de programación que son basados en reglas usan o definen una serie de acciones a ser ejecutadas para una situación particular. Una regla consiste de una parte if y una parte then (también llamadas condición y acción). La parte if contiene una serie de condiciones en alguna combinación lógica.. Los sistemas expertos cuyo conocimiento es representado en forma de regla se denominan sistemas basados en reglas. El modelo de solución del problema o paradigma, organiza y controla los pasos dados o etapas para resolver el problema. Un paradigma común, pero poderoso Incluye cadenas de reglas del tipo IF-THEN para formar una línea nde razonamiento. Algoritmo computacional Un algoritmo es un conjunto finito de pasos realizables y no ambiguos para solucionar un problema. Los algoritmos forman uno de los pilares de la computación actual, aunque su uso no se limita solamente a esta rama, sino a también a ciencias como las matemáticas, así como a la vida cotidiana (Ojeda, 2000). No solo del uso masivo de los algoritmos es de donde se deriva su importancia, sino de los aportes que le ha dado a la computación y a otras ciencias. La teoría de algoritmos es una rama de la computación, en donde se analizan las bases teóricas que envuelven a los algoritmos, así como las bases para diseños de algoritmos eficientes. En los procesos de desarrollo de software la importancia de la teoría de algoritmos recae esencialmente en la eficiencia del software, e indirectamente en el análisis del proceso de desarrollo que se siga para desarrollar la aplicación. La aplicación de la teoría de algoritmos para lograr la eficiencia del software se puede ver desde los juegos, hasta software matemático, pasando por todo la gama de software existente.

III. DISEÑO DE UNA PLANTA PROCESADORA DE ARROZ 3.1 Antecedentes El arroz (Oryza sativa) es una monocotiledónea perteneciente a la familia Poaceae. Es el cereal más extendido en el mundo. Se cultiva ampliamente en los cinco continentes, en regiones pantanosas de clima templado o cálido y húmedo. Es cultivado generalmente en climas cálidos y en terrenos muy húmedos. Su fruto es una cariópside que contiene un material blanco y oval muy harinoso. Existen dos grupos de variedades de este cereal: uno apropiado a suelos más secos y altos y otro adecuado a suelos muy húmedos. En el Museo de Calcuta se exhiben 1.107 variedades originarias de la India y 1.300 más de otros países. Por desgracia, es entregado al consumo después de haber sido descascarillado, pulido y blanqueado. Así queda privado de sus vitaminas y de las diastasas contenidas en las capas corticales. Productos derivados del arroz son: El Kokoh, verdadera leche de cereales, especialmente recomendado en la dieta de los niños, incluso lactantes. La sémola de arroz, los copos de arroz, pastas para sopas, galletas, miel de arroz o maltosa de arroz.

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El arroz contiene un alto valor nutritivo. Es de fácil digestión. Es rico en vitaminas (B y E) y también en proteínas, suministra 3.500 calorías por kilogramo (cantidad superior a la que proporcionan el pan y la carne. Tipos de arroz Se diferencian entre sí por su tamaño, su resistencia a plagas, sus características culinarias, etc. y su denominación se refiere al país de origen o al nombre del centro de investigación donde fueron creadas. Todas ellas se agrupan por tipo de arroz, en tres grandes categorías: material largo, material medio y material corto. Luego, de acuerdo al proceso industrial al que son sometidas, surgen al mercado según su grado de elaboración: cargo o integral, blanco, parboiled, rápido o precocido, etc. 3.2 Proceso productivo del arroz La primera operación que se lleva a cabo en la industria consiste en la limpieza y posteriormente el descascarillado. Con este proceso se elimina la cascarilla dura que protege al material cuando está en la espiga. Así se obtiene el arroz moreno o integral, rico en vitaminas del grupo B, minerales y fibra. Después se somete a un proceso denominado "mondado" con el cual se logra eliminar total o parcialmente la cutícula o salvado que recubre al material y el germen, pero lamentablemente se eliminan gran parte de vitaminas, minerales y fibra. El germen desaparece totalmente con el último proceso, el pulido, con lo que se logra evitar que el arroz se enrancie mientras esté almacenado, pero se reduce notablemente su calidad nutritiva. Existe un proceso más moderno, el vitaminado, que consiste en la impregnación de los materials de arroz de vitaminas mediante la inmersión de estos en una solución de ellas y secándolos a continuación. Esta es una de las razones por las que se debe evitar lavar los arroces antes de realizar cualquier receta, ya que se perderían las vitaminas hidrosolubles. Otra razón sería la perdida de almidón, necesario para dar el aspecto deseado a muchos platos. Al final de todos los procesos el arroz blanco ha perdido un 15% de su peso. En algunos países asiáticos, como India y Pakistán, el arroz se ha sometido durante siglos a un proceso de vaporizado y posterior secado antes de proceder con el descascarillado. La finalidad era facilitar este último proceso. Esta técnica logra un efecto secundario de vital importancia, parte de las vitaminas y de los minerales del salvado pasan al material de arroz, con lo que este se enriquece en dichos nutrientes, y es esta la razón por la que la incidencia del Beriberi (enfermedad producida por la falta de vitamina B1) no ha sido significativa en esos países. Desde el descubrimiento de este efecto, hace pocas décadas, cada vez es más utilizado este proceso, principalmente en arroces de material largo. El proceso no afecta al tiempo de cocción del arroz, sin embargo mejora mucho su resistencia al empaste. El nombre que se le da a este arroz es arroz vaporizado o arroz parboleid. Recepción, pesado y muestreo Etapa en la cual la materia prima, arroz, es recepcionada en la planta, para luego controlar su peso por medio de una balanza. Se toman muestras en el laboratorio con la finalidad de determinar su humedad, peso especifico y posteriormente se realizan unas pruebas de ensayo, para ver el porcentaje de impurezas, en una máquina simuladora de procesado de arroz. Limpieza Una vez dentro de la planta de proceso se pasa a la etapa de limpiado del arroz con cáscara, realizadas en una maquinas limpiadoras (zarandas separadoras), que consiste en una máquina 80

aspiradora que elimina el polvillo, tierra y suciedad que trae el arroz del campo. Separa igualmente los arroces vanos o inmaduros para su posible utilización. Secado del material Es la etapa en que se realiza el condicionamiento del cereal. Cabe mencionar que el secado es necesario para prevenir el deterioro del arroz y para mejorar el desarrollo del almacenaje. El arroz en cáscara recién cosechado viene del campo con una humedad entre 22 y 26 % que es inadecuado para ser almacenado, necesitando por lo tanto ser secado. Un alto porcentaje de humedad, puede afectar las cualidades del material no sólo en el periodo del almacenamiento, sino también en las operaciones de pila y su posterior conservación. El arroz con cáscara con alto contenido en humedad produce una acción de tipo respiratorio alto durante el almacenaje produciendo un efecto de temperatura, haciendo que la grasa y el almidón contenido en el arroz cáscara se descompongan produciendo una oxidación e incremento de bacteria. Por lo tanto el secado es imperativo para el almacenamiento y el pilado, por eso se recomienda que esta valor sea encomendada a personal con conocimiento y buen criterio. Esta actividad en la comercializadora San Juan es realizada exponiendo los materials de arroz al ambiente y además con aire forzado en los silos de almacenamiento, producido por la turbina. Almacenamiento El arroz cáscara que ingresa a los almacenes está formado por el conjuntos de materials que proceden del campo después de la trilla; este material viene generalmente húmedo entre 15 a 20 % además de tener materiales extraños o impurezas y hasta puede tener insectos y microorganismos como hongos y bacterias; lo que hace que sea un material revestido de afectantes que puedan originar su deterioro al desarrollarse como consecuencia de un mal almacenamiento, ocasionando pérdidas económicas cuantiosas. Situación que exige que estos materials sean manejados adecuadamente en los almacenes, con instalación de secado, de tal forma que en el momento de su consumo conserven el mismo grado incluso mejor calidad de la que tenían al iniciarse el periodo de almacenamiento. En la comercializadora visitada, el almacenamiento se hace en silos, dicho arroz proveniente de una tolva. Descascarado Es el proceso por el cual se separan las cáscaras del producto, este proceso se realiza mediante descascaradoras, cuya misión es descascarar el arroz , además se ocupa de separar las cáscaras del arroz que ha sido descascarado. Separación Consiste en la separación de los materials según tamaño y densidad. Si el producto recibido de la sección de descascarado contiene demasiados materials troceados y quebrados, el producto deberá pasarse antes por un canal de aspiración para eliminarlos. En este proceso se utilizan las famosas mesas paddy, esta máquina por diferencia de peso específico, separa el arroz paddy y el arroz moreno. El arroz descascarado proveniente del separador de cáscara puede contener aún un 10 a 20% de arroz paddy (arroz con cáscara) y la separación de este tipo de arroz se hace utilizando estas mesas. Blanqueo y Pulido El pulido es uno de los procesos más importantes en la obtención de un arroz de calidad, luego de que el arroz es clasificado pasa por un elevador de cangilón a una pulidora. En este proceso consiste en quitarle el germen y las capas exteriores que constituyen el polvillo.

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Este procedimiento se efectúa en dos, tres o cuatro pasos, dependiendo de la variedad de las características y el tratamiento anterior del arroz quedando un producto limpio y liso. Todo esta función los realiza una maquina pulidora generalmente de forma hexagonal. Mezclado Es el proceso mediante el cual, se mezcla porcentajes de los diferentes tamaños de materials, según como convenga la comercializadora; es decir mezclan el material entero con el de 3/4 o ½ partido en proporción del 10 ó 20% según el tipo de arroz, extra o superior. Envasado y empaquetado En esta parte se realiza el llenado y empacado del producto (arroz), según como requiera el mercado. Fuente: FAO (1993), Proyecto comunitario Conservación de Alimentos (2006).

3.3 Variables de diseño y descripción del sistema de transporte El arroz que se comercializa será arroz extra clasificado por tamaño. La planta (fig. 74) cuenta con silos de almacenamiento con una capacidad total de 40.000 toneladas. Aproximadamente el 70% (rendimiento) del arroz producido es envasado en bolsa de ¼ de kg, empaquetado en sacos de 50 kg, utilizando una máquinas ensacadoras automáticas de tipo rotatorio. La capacidad de planta será de 30 t/h. Mediante un sistema de elevación de cangilones se extrae desde un silo subterráneo el arroz en cáscara hasta el equipo de limpieza con aire y zaranda. Este equipo contara con un alimentador, un sistema de aspiración de polvo e impurezas (3%), que se encuentra a la entrada o salida del producto, un conjunto de zarandas intercambiables y un dispositivo para producir la vibración u oscilación del conjunto de zarandas. Luego, el arroz es transportado por un segundo elevador de cangilones hasta el silo de secaaireación a altas temperaturas con el fin de bajar la humedad hasta en un 5 a 10% arriba del nivel ideal para el almacenamiento, sin enfriar el material, el producto caliente se transfiere a un silo de almacenamiento para completar después su secado con un sistema de bajas temperaturas, en donde el arroz es transportado con un tercer sistema de elevación de cangilones. Mediante un dispositivo de aspiración el arroz en cáscara ingresara a un tubo transportador de tornillos sin fin para ser descascarado, y por un sistema neumático de presión se eliminará la cascarilla (18 - 20%) para luego ingresar al equipo de separación por tamaño que consta básicamente de una clasificadora de zaranda de alta velocidad. El arroz clasificado es trasportado por un cuarto sistema de elevación de cangilones e ingresa al equipo de blanqueo en el cual el arroz se hace pasar por un filtro despojador y rodillos de fricción, y por un quinto sistema de elevación al equipo de pulido; para finalmente por medio de un sistemas de fajas el producto es mezclado para la obtención de un arroz extra, envasado en bolsas de ¼ de kilo y empaquetado en sacos de 50 kilogramos.

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Tabla 9. Equipos y maquinarias utilizadas en el proceso. Proceso

Materiales

Energía

Desechos

Silo de recepción subterráneo Recepción Rejilla Limpiadora Limpieza

Zaranda

Eléctrica para la limpiadora.

Impurezas: piedras, paja, insectos, hebras, arroz vano.

Aire Elevadores Secado

Eléctrica para los ventiladores.

Cascarilla semiquemada.

Silos de secado Ventilador

Capacidad calorífica de los materiales.

Carbón utilizado.

Eléctrica para elevadores.

Material particulado, polvillo.

Eléctrica para la descascaradora y el sistema aspiración neumática.

Cascarilla, arroz verde, arroz rojo y arroz vano.

Eléctrica para zarandas.

Arroz con cáscara (paddy)

Eléctrica para blanqueadora.

Arroz partido, harina de arroz.

Eléctrica para pulidora y faja.

Arroz cristal y harina de arroz.

Eléctrica para la faja y zarandas.

Arroz partido y arroz yesado.

Elevadores Almacenamiento Silos de almnacenamiento Descascaradora de tornillo Descascarado

Sistema de aspiración neumática Zarandas

Separación Rejillas finas Blanqueadora de abrasión Blanqueo Rodillos Pulidora Pulido Rodillos Faja con zarandas Mezclado Rejillas finas Envasado y empaquetado

Empaquetadora Faja transportadora.

Eléctrica para empacadora y faja.

Fuente: Corporación Arrocera Nacional de Costa Rica (2010).

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3.4 Esquema del diseño H = 15 m Cap = 28.5 t/h

H = 15 m Cap = 30 t/h

H = 15 m Cap = 27.075 t/h AGUA 5%

IMPUREZAS 3%

AIRE CALIENTE

LIMPÍEZA H = 10 m Cap = 22.20 t/h

RECEPCION

ALMACENAMIENTO

SECADO

CASCARILLA 18 %

L = 12 m H=3m Cap = 27.075 t/h

H = 10 m Cap = 20.43 Tn/h

SALVADO DE ARROZ 8%

POLVILLO DE ARROZ 2%

L=5m Cap = 20.02 t/h

L=5m Cap = 27.075 t/h

DESCASCARADO

LEYENDA: E: TRANSPORTADOR DE ELEVADOR DE CANGILONES T: TRANSPORTADOR DE TORNILLO SIN FIN N: TRANSPORTADOR NEUMATICO F: TRANSPORTADOR DE FAJA

ARROZ PARTIDO Y ARROZ PADDY 2%

SEPARADO

BLANQUEO

PULIDO

Figura 74. Esquema del diseño de una planta procesadora de arroz.

MEZCLADO

L=3m H = 1.5 m Cap = 19.62 t/h

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ENVASADO Y EMPAQUETADO

3.5 Cálculos de los factores para la selección y diseño (capacidad, velocidad y potencia de los transportadores) necesarias para el transporte del la materia prima (arroz con cáscara) desde la recepción hasta el envasado y empaquetado del producto terminado (arroz sin cáscara en bolsa ¼ kg). Cálculos para E1 Cálculo del número y capacidad de cangilones Capacidad = 30 t/h = 500 kg/min Densidad del arroz con cáscara = 595 kg/m3 Del anexo 15 según la capacidad de planta se utilizara un tamaño de cangilón de 6x5 pulg (15.24 x 12.70 cm), con un radio de la polea motora de 40 cm (aprox. 15 pulg); y del anexo 14 según el tamaño del cangilón considerado, se asumirá una capacidad de línea de 0.51 dm3 para el transporte del material granular estilo “A”. La altura del elevador será de 10 m. Características de cada cangilón para el material granular estilo “A”, según anexo 14: Longitud = 12.70 cm Proyección del ancho = 8.89 cm Profundidad = 9.52 cm Entonces, la capacidad de línea real será: Cl = 12.70 x 8.89 x 9.52 Cl = 1074.84 cm3 = 1.07484 dm3 Calculado el número de cangilones de la ecuación 24, considerando un espaciamiento entre cangilones de 15%. 15 m x (1  0.15) 0.0952 m N° Cangilones = 133.93 = 134 cang Nº Cangilones 

Calculando el número de cangilones por metros de faja empleando la ecuación 25: n = 134/15 n = 8.93 cang./m.faja = 9 cang./m.faja Calculado la capacidad de un cangilón empleando la ecuación 26: C = 1.07484 dm3 x 0.595 kg/dm3= 0.64 kg Cálculo de la velocidad angular de la polea motora Empleando la ecuación 35, el cálculo de la velocidad motora será: 30 N= 0.4 N = 47.434165 rpm N = 47 rpm Cálculo la velocidad de la faja De la ecuación 37, el cálculo de la velocidad de la faja será: 500 kg/min V 9cang./m.f aja x 0.64kg V = 86.80 m/min 85

Cálculo de potencia Empleando la ecuación 36, el cálculo de la potencia será: 500 kg/min x15 m Pot  4500 Pot = 1.66667 CV Multiplicando por el factor de corrección de 1.15: Pot = 1.66667 CV x 1.15 Pot = 1.91667 CV Cálculos para E2 Cálculo del número y capacidad de cangilones Capacidad = 28.5 t/h = 475 kg/min Densidad del arroz con cáscara = 595 kg/m3 Del anexo 15 según la capacidad de planta se utilizara un tamaño de cangilón de 6x5 pulg (15.24 x 12.70 cm), con un radio de la polea motora de 40 cm (aprox. 15 pulg); y del anexo 14 según el tamaño del cangilón considerado, se asumirá una capacidad de línea de 0.51 dm3 para el transporte del material granular estilo “A”. La altura del elevador será de 15 m. Características de cada cangilón para el material granular estilo “A”, según anexo 14: Longitud = 12.70 cm Proyección del ancho = 8.89 cm Profundidad = 9.52 cm Entonces, la capacidad de línea real será: Cl = 12.70 x 8.89 x 9.52 Cl = 1074.84 cm3 = 1.07484 dm3 Calculado el número de cangilones de la ecuación 24, considerando un espaciamiento entre cangilones de 15%. 15 m x (1  0.15) 0.0952 m N° Cangilones = 133.93 = 134 cang Nº Cangilones 

Calculando el número de cangilones por metros de faja empleando la ecuación 25: n = 134/15 n = 8.93 cang./m.faja = 9 cang./m.faja Calculado la capacidad de un cangilón empleando la ecuación 26: C = 1.07484 dm3 x 0.595 kg/dm3= 0.64 kg Cálculo de la velocidad angular de la polea motora Empleando la ecuación 35, el cálculo de la velocidad motora será: 30 N= 0.4 N = 47.434165 rpm N = 47 rpm Cálculo la velocidad de la faja 86

De la ecuación 37, el cálculo de la velocidad de la faja será: 475 kg/min 9cang./m.f ajax0.64kg V = 82.47 m/min Cálculo de potencia Empleando la ecuación 36, el cálculo de la potencia será: 475kg/min x 15m Pot  4500 Pot = 1.58333 CV V

Multiplicando por el factor de corrección de 1.15: Pot = 1.58333 CV x 1.15 Pot = 1.82045 CV Cálculo para E3 Cálculo del número y capacidad de cangilones Capacidad = 27.075 t/h = 451.25 kg/min Densidad del arroz con cáscara = 595 kg/m3 Del anexo 15 según la capacidad de planta se utilizara un tamaño de cangilón de 6x4 pulg (15.24 x 10.16 cm), con un radio de la polea motora de 40 cm (aprox. 15 pulg); y del anexo 14 según el tamaño del cangilón considerado, se asumirá una capacidad de línea de 0.25 dm3 para el transporte del material granular estilo “A”. La altura del elevador será de 15 m. Características de cada cangilón (estilo “A”), según anexo anexo 14: Longitud = 10.16 cm Proyección del ancho = 6.98 cm Profundidad = 7.62 cm Entonces, la capacidad de línea real será: Cl = 10.16 x 6.98 x 7.62 Cl = 540.39cm3 = 0.54039 dm3 Calculado el número de cangilones de la ecuación 24, considerando un espaciamiento entre cangilones de 15%. 15 m x (1  0.15) 0.0762 m N° Cangilones = 167.32 = 167 cang Calculando el número de cangilones por metros de faja empleando la ecuación 25: n = 167/15 n = 11.15 cang./m.faja = 11 cang./m.faja Nº Cangilones 

Calculado la capacidad de un cangilón empleando la ecuación 26: C = 0.54039 dm3 x 0.595 kg/dm3= 0.32 kg Cálculo de la velocidad angular de la polea motora Empleando la ecuación 35, el cálculo de la velocidad motora será: 30 N= 0.4 87

N = 47.434165 rpm N = 47 rpm Cálculo la velocidad de la faja De la ecuación 37, el cálculo de la velocidad de la faja será: 451.25 kg/min V cang./m.fa V = 11 128.20 m/minja x 0.32 kg

Cálculo de potencia Empleando la ecuación 36, el cálculo de la potencia será: 451.25 kg/min x 15m Pot  4500 Pot = 1.50416 CV Multiplicando por el factor de corrección de 1.15: Pot = 1.50416 CV x 1.15 Pot = 1.72979 CV Cálculos para T1: Capacidad = 27.075 t/h = 451.25 kg/min Densidad del arroz con cáscara (ρ) = 595 kg/m3 Las características del transportador son: Longitud (L) = 5 m Paso (P) = 15 cm Diámetro del eje (d) = 10 cm Diámetro de la hélice (D) = 50 cm Cálculo del número de revoluciones por minuto Para el cálculo del número de revoluciones por minuto del tornillo de despejará N de la ecuación 11, donde: Cap 

451.25 kg/min 595 kg/m 3

Cap = 0.7584 m3/min = 45.5 m3/h Entonces: N

45.5 m3/h 4.71 105  ((50cm) 2  (10cm) 2 )  15cm

N = 26.83 rpm Cálculo de la potencia del tornillo Empleando la ecuación 17, donde f es el factor dado por el tipo de material y según anexo 10 el arroz pertenece a un material de clase A, por tanto de la tabla 6 para esta clase su factor f es 1.2. Además: Cap = 0.7584 m3/min Entonces la potencia del tornillo será: 88

Pot 

0.7584 m3 / min  595 kg/min  5 m  1.2 4500

Pot = 0.60166 CV

El factor multiplicador de la tabla 7, según la potencia (menor a 1 CV) será igual a 2 Pot = 0.60166 CV x 2 Pot = 1.20333 CV De acuerdo al sistema de alimentación y para evitar efectos de fricción y de amontonamiento del material se le adiciona 1 CV, por tanto la potencia será: Pot = 1.20333 CV + 1CV Pot = 2.2033 CV Cálculos para N1: Capacidad = 27.075 t/h = 451.25 kg/min Eficiencia = 70 % Las características de los materials de arroz son las siguientes: Densidad del arroz si cáscara (ρp) = 725 kg/m3 = 45.23 lb/pie3 Altura del material = 0.6 cm Radio del material = 0.11cm Las características del transportador son: Material de construcción: Hierro galvanizado Diámetro de la tubería = 0.20 m = 0.6561 pie Longitud de la tubería = 12 m = 39.37 pie Altura = 3 m = 9.8425 pie Las propiedades del aire son: Densidad del aire (ρa) = 1.187 kg/m3 = 0.074 lb/pie3 Viscosidad del aire (µa) = 0.039x10-3 kg/ m.seg Coeficiente de arrastre (Fd) = 1 Para el cálculo de la potencia del ventilador se empleara la ecuación 38, realizando procedimientos previos para el cálculo de la perdida de presión del sistema (P T) y el caudal (Q) de aire utilizado. PT = Pf + Pe +Pa + Pfd + Pen + Psal + Pse (ecuación 54)

Cálculo de la pérdida de presión debido al flujo de aire en la tubería (Pf) Para este cálculo se empleara la ecuación 39, realizando procedimiento previos para el cálculo de la velocidad de transporte (Va) y del factor Fanning (f). Para el cálculo de Va, interpolamos los valores del anexo 19: 35 lb/pie3 45.23 lb/pie3 50 lb/pie3

5000 pie/min Va 6000pie/min

Va = 5682 pie/min = 28.86 m/s 89

Para el cálculo de f se interceptara en la grafica del anexo 21 Re con ε/D: Cálculo del número de Reynolds: 0.20 m  28.86 m/s  1.187 kg/m 3 0.039  10 3 kg/m.seg Re = 175676 = 1.8 x 105 Re 

Cálculo de ε/D:

ε = 1.5x10-4 m (dato para hierro galvanizado)  D



1.5  104 m  7.5x10 - 4 0.20 m

Interceptando en la gráfica del anexo 21: f = 0.007 Finalmente en la ecuación 39: Pf  0.007 

1pie 12 m (28.86 m/seg) 2  x( ) 2 0.20 m 2  9.8 m/seg 0.3048 m

Pf = Pf = 58.55593 /69.4 Pf = 0.84374 pulg de agua

58.55593 pie

Cálculo de la pérdida de la presión debido al flujo del material Cálculo de la pérdida de la presión por elevación (Pe) Para este cálculo se empleara la ecuación 41, realizando procedimientos previos para el cálculo de la carga del material (R). La carga del material se calculará empleando la ecuación 42, de donde la carga del material por unidad de tiempo (Wm) es: Wm = 451.25 kg/min = 994.8359 lb/min Y la cantidad de aire (Wa) empleando la ecuación 43, será: Wa = 5682 pies/min x π(0.6561 pie/2)2 x 0.074 lb/pie3 Wa = 142.15521 lb/min Entonces, de la ecuación 42:

R

994.8359 lb/min 142.1552 lb/min R = 6.9982

Reemplazando en la ecuación 41: 6.9982  9.8425 pie Pe  69.4 Pe = 0.99251 pulg de agua Cálculo de la pérdida de presión por aceleración del material (Pa) Para este cálculo se empleara la ecuación 44, realizando procedimientos previos para el cálculo de la velocidad promedio del material (Vpm). 90

Para el cálculo la V pm se empleara la ecuación 45, realizando procedimiento previo para el cálculo de la velocidad del material en la tubería vertical (Vmv) y horizontal (Vmh). Así mismo, para el cálculo de la V mv se empleara la ecuación 46, realizando procedimientos previos para el cálculo de la velocidad de flotación (Vf) (ecuación 47). El valor del la velocidad de transporte (Va) se cálculo a interpolando valores del anexo 19. Calculando el volumen de material: Vp = πr2h Vp = π x(0.11 cm)2 x0.6 cm x(1 pie/30.48 cm)3 Vp = 8.054556 x10-7 pie3

Calculando el área frontal del material: Ap = 2πrh Ap = 2π x0.11cm x 0.6 cm x (1 pie/30.48 cm)2 Ap = 4.463688x10-4 pie2 De la ecuación 47: Vf  60 x

2  32.15 pie/seg 2  45.23 lb/pie 3  8.054556  10 7 pie3 1  0.074 lb/pie 3  4.463688  10  4 pie 2

Vf = 505.2753pie/min Entonces, en la ecuación 46: Vmv = 5682 – 505.2753 Vmv = 5176.7247 pie/min Para el cálculo de V mh se empleara la ecuación 49, realizando procedimientos previos para el cálculo de la velocidad relativa del material en el ducto horizontal (V rh) (ecuación 50). El valor del la velocidad de transporte (Va) se cálculo a interpolando valores del anexo 19. De la ecuación 50: Vrh = 505.2753 pie/min (0.18 + 0.65 x10-4 x 5682) Vrh = 277.5629 pie/min Entonces, en la ecuación 49: Vmh = 5682 – 277.5629 Vmh = 5404.4371 pie/min Reemplazando en la ecuación 45: 5176.7247  5404.4371 Vpm  2 Vpm = 5290.5809 pie/min = 88.1763 pie/seg Finalmente en la ecuación 44: 6.9982  (88.1763 pie/seg) 2 69.4  2  32.15 pie/seg 2 Pa = 12.19333 pulg de agua Pa 

91

Cálculo de la pérdida de presión por fricción del material en los codos (Pfc) En la ecuación 52, donde F se determino de la tabla 8: 0.5  6.9982  (88.1763 pie/seg) 2 Pfc  69.4  2  32.15 pie/seg 2 Pfc = 6.09667 pulg de agua

Cálculo de la pérdida de presión por fricción del material por el ducto (Pfd) En la ecuación 53: 0.5  6.9982  49.2125 pie Pfd  69.4 Pfd = 2.48128 pulg de agua Cálculo de la pérdida de presión total del sistema Considerando máximas las perdidas a la entrada (Pent), salída (Psal) y separador (Pse): Pent = 1.75 pulg H2O Psal = 1 pulg H2O Pse = 3.5 pulg H2O (perdida del separador para una velocidad de 5682 pie/min). Entonces, en la ecuación54: PT = 0.84374 + 0.99251 + 12.19333 + 6.09667 + 2.48128 + 1.75 + 1 + 3.5 PT = 28.85753 pulg de agua Cálculo del caudal (Q) De la ecuación 43: Qa = 5682 pie/min x π(0.6561 pie/2)2 Qa = 1921.415 pie3/min Finalmente en la ecuación 38: 1921.415 pie3 /min  28.85753 pulg de agua 6356  0.7 Pot = 12.46231 HP Pot = 12.63429 CV Pot 

Cálculos para E4 Cálculo del número y capacidad de cangilones Capacidad = 22.20 t/h = 370 kg/min Densidad del arroz con cáscara = 725 kg/m3 Del anexo 15 según la capacidad de planta se utilizara un tamaño de cangilón de 6x4 pulg (15.24 x 10.16 cm), con un radio de la polea motora de 40 cm (aprox. 15 pulg); y del anexo 14 según el tamaño del cangilón considerado, se asumirá una capacidad de línea de 0.25 dm3 para el transporte del material granular estilo “A”. La altura del elevador será de 10 m. Características de cada cangilón (estilo “A”), según anexo anexo 14: Longitud = 10.16 cm Proyección del ancho = 6.98 cm 92

Profundidad = 7.62 cm Entonces, la capacidad de línea real será: Cl = 10.16 x 6.98 x 7.62 Cl = 540.39cm3 = 0.54039dm3 Calculado el número de cangilones de la ecuación 24, considerando un espaciamiento entre cangilones de 15%. 10 m x (1  0.15) 0.0762 m N° Cangilones = 111.55 = 112 cang Calculando el número de cangilones por metros de faja empleando la ecuación 25: n = 112/10 n = 11.2 cang./m.faja = 11 cang./m.faja Nº Cangilones 

Calculado la capacidad de un cangilón empleando la ecuación 26: C = 0.54039 dm3 x 0.725 kg/dm3= 0.39 kg Cálculo de la velocidad angular de la polea motora Empleando la ecuación 35, el cálculo de la velocidad motora será: 30 N= 0.4 N = 47.434165 rpm N = 47 rpm Cálculo la velocidad de la faja De la ecuación 37, el cálculo de la velocidad de la faja será: V

370 kg/min 11 cang./m.fa ja x 0.39 kg

V = 86.25 m/min Cálculo de potencia Empleando la ecuación 36, el cálculo de la potencia será: 370 kg/min x 10 m Pot  4500 Pot = 0.82222 CV Multiplicando por el factor de corrección de 1.15: Pot = 0.82222 CV x 1.15 Pot = 0.94556 CV Cálculos para E5 Cálculo del número y capacidad de cangilones Capacidad = 20.43 t/h = 340.5 kg/min Densidad del arroz con cáscara = 725 kg/m3

93

Del anexo 15 según la capacidad de planta se utilizara un tamaño de cangilón de 6x4 pulg (15.24 x 10.16 cm), con un radio de la polea motora de 40 cm (aprox. 15 pulg); y del anexo 14 según el tamaño del cangilón considerado, se asumirá una capacidad de línea de 0.25 dm3 para el transporte del material granular estilo “A”. La altura del elevador será de 10 m. Características de cada cangilón (estilo “A”), según anexo anexo 14: Longitud = 10.16 cm Proyección del ancho = 6.98 cm Profundidad = 7.62 cm Entonces, la capacidad de línea real será: Cl = 10.16 x 6.98 x 7.62 Cl = 540.39cm3 = 0.54039dm3 Calculado el número de cangilones de la ecuación 24, considerando un espaciamiento entre cangilones de 15%. 10 m x (1  0.15) 0.0762 m N° Cangilones = 111.55 = 112 cang Calculando el número de cangilones por metros de faja empleando la ecuación 25: n = 112/10 n = 11.2 cang./m.faja = 11 cang./m.faja Nº Cangilones 

Calculado la capacidad de un cangilón empleando la ecuación 26: C = 0.54039 dm3 x 0.725 kg/dm3= 0.39 kg Cálculo de la velocidad angular de la polea motora Empleando la ecuación 35, el cálculo de la velocidad motora será: 30 N= 0.4 N = 47.434165 rpm N = 47 rpm Cálculo la velocidad de la faja De la ecuación 37, el cálculo de la velocidad de la faja será: V

340.5 kg/min 11 cang./m.fa ja x 0.39 kg

V = 79.37 m/min Cálculo de potencia Empleando la ecuación 36, el cálculo de la potencia será: 340.5 kg/min x 10m Pot  4500 Pot = 0.75667 CV Multiplicando por el factor de corrección de 1.15: Pot = 0.75667 CV x 1.15 Pot = 0.87017 CV

94

Cálculos para F1 Capacidad = 20.02 t/h Densidad del arroz sin cáscara (ρp) = 725 kg/m3 Las características del transportador son: Largo (L) = 5 m Ancho (W) = 30 cm A partir de la tabla 3, utilizando una faja de 30 cm de ancho, se calculará la capacidad del la faja para el material dado: Cap 

725 kg/m3  2.25 kg/seg  10.30 t/h 570 kg/m3

La velocidad necesaria para transportar 20.02 t/h será, teniendo en cuenta que se asumió velocidad de faja con carga uniforme de 30.5 m/min (nota 1), será: V

20.02 t/h (30.5 m/min) 10.30 t/h

V = 59.28 m/min Entonces, para una faja de 30 cm de ancho, para transportar 20.02 Tn/h del material, se debe utilizar una velocidad de 59.28 m/min. Cálculo de la potencia para mover la faja vacía Empleando la ecuación 1: Pot1 

59.28 m/min  30 cm  1.292  0.015  0.000328  5 m  100

Pot1 = 0.38234 CV

Como el ancho de faja es menor que 91.5 cm. se deberá corregir la potencia (factor: 1.2). Pot1 = 0.38234 CV x 1.2 Pot1 = 0.45880 CV Cálculo de la potencia para mover el material horizontalmente Empleando la ecuación 3: 20.02 t/h  0.48  0.0099  5 m  Pot 2  100 Pot2 = 0.10601 CV Cálculo de la potencia total PotT = 0.45880 + 0.10601 PotT = 0.56481 CV

95

Cálculos para F2 Capacidad = 19.62 t/h Densidad del arroz sin cáscara (ρp) = 725 kg/m3 Las características del transportador son: Largo (L) = 3 m Ancho (W) = 30 cm Altura (H) = 1.5 m La velocidad necesaria para transportar 19.62 t/h será, teniendo en cuenta que se asumió velocidad de faja con carga uniforme de 30.5 m/min (nota 1), será: 19.62 t/h (30.5 m/min) 10.30 t/h V = 57.24 m/min V

Cálculo de la potencia para mover la faja vacía Empleando la ecuación 1: 57.24 m/min  30 cm  1.292  0.015  0.000328  3 m  100 Pot1 = 0.35462 CV Como el ancho de faja es menor que 91.5 cm. se deberá corregir la potencia (factor: 1.2). Pot1 = 0.35462 CV x 1.2 Pot1 = 0.42555 CV Pot 1 

Cálculo de la potencia para mover el material horizontalmente Empleando la ecuación 3: 19.62 t/h  0.48  0.0099  3 m  Pot 2  100 Pot2 = 0.1 CV Cálculo de la potencia para elevar el material Empleando la ecuación 5: Pot3 

3.33 1.5 m 19.62 t/h 1000

Pot3 = 0.098 CV

Cálculo de la potencia total PotT = 0.42555 + 0.1 + 0.098 PotT = 0.62355 CV Cálculos para F3 Capacidad = 19.62 t/h Densidad del arroz sin cáscara (ρp) = 725 kg/m3 96

Las características del transportador son: Largo (L) = 5 m Ancho (W) = 30 cm La velocidad necesaria para transportar 19.62 t/h será, teniendo en cuenta que se asumió velocidad de faja con carga uniforme de 30.5 m/min (nota 1), será: V

19.62 t/h (30.5 m/min) 10.30 t/h

V = 57.24 m/min Cálculo de la potencia para mover la faja vacía Empleando la ecuación 1: 57.24 m/min  30 cm  1.292  0.015  0.000328  5 m  100 Pot1 = 0.36918 CV Pot1 

Como el ancho de faja es menor que 91.5 cm. se deberá corregir la potencia (factor: 1.2). Pot1 = 0.36918 CV x 1.2 Pot1 = 0.44301 CV Cálculo de la potencia para mover el material horizontalmente Empleando la ecuación 3: 19.62 t/h  0.48  0.0099  5 m  Pot 2  100 Pot2 = 0.10389 CV Cálculo de la potencia total PotT = 0.44301 + 0.10389 PotT = 0.55690 CV A continuación se presentan tablas resúmenes con las principales características de los sistemas de transportadores requeridos en el diseño de la planta procesadora de arroz envasado: Tabla 10. Tabla de resumen de las características de los cangilones estilo A. Tamaño del cangilón (cm) Longitud

Proyección del ancho

Profundidad

Capacidad de línea (dm3)

E1

12.70

8.89

9.52

1.07484

15

0.4

500

1.91667

E2

12.70

8.89

9.52

1.07484

15

0.4

475

1.82045

E3

10.16

3.98

7.62

0.54039

15

0.4

451.25

1.72979

E4

10.16

3.98

7.62

0.54039

10

0.4

370

0.94556

E5

10.16

3.98

7.62

0.54039

10

0.4

340.5

0.87017

Elevador

Altura (m)

Radio efectivo

Capacidad de planta (kg/min)

Potencia de operación (CV)

97

Tabla 11. Tabla resumen de las características del tornillo sinfín. Tornillo

Diámetro de tornillo (cm)

T1

50

Diámetro del eje (cm)

Paso del tornillo (cm)

Longitud del tornillo (m)

Revoluciones por minuto (rpm)

15

5

26.83

10

Potencia de operación (CV) 2.20333

Tabla 12. Tabla de resumen de las características del sistema neumático

Ventilador

Diámetro de la Longitud de la tubería (m) tubería (m)

N1

0.20

Altura (m)

12

Perdida por presión del sistema (pie de agua)

Radio de la Altura de la partícula (cm) partícula (cm)

3

0.11

0.6

29.06847

Potencia de operación (CV) 12.63429

Tabla 13. Tabla de resumen de las características de la faja.

Velocidad de la faja (m/min)

Potencia para mover la faja vacía (CV)

Potencia para mover el material horizontalmente (CV)

Potencia para mover el material una altura determinada (CV)

Potencia de operación (CV)

Faja

Ancho (cm)

Longitud (cm)

F1

0.30

5

59.28

0.45880

0.10601

-

0.56481

F2

0.30

3

57.24

0.42555

0.1

0.098

0.62355

F3

0.30

5

57.24

0.44301

0.10389

-

0.55690

Tabla 14. Potencia total del sistema calculada analíticamente. Potencia de operación Transportador CV

kW

E1

1.91667

1.40980

E2

1.82045

1.33903

E3

1.72979

1.27235

T1

2.20333

1.62066

N1

12.63429

9.36108

E4

0.94556

0.69550

E5

0.87017

0.64005

F1

0.56481

0.41545

F2

0.62355

0.45866

F3

0.55690

0.40227

Total

23.94786

17.61485

Nota 6: Se utilizo el siguiente factor de conversión: 1CV = 0.73555 kW

98

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IV. ANEXOS

Anexo 1. Ensayos DIN 22-103 y CERCHAR M-81-651 en fajas antillamas (Ministerio de Industria de España, 2009) Norma DIN 22.103: El ensayo de esta norma consiste en aplicar sucesivamente a doce probetas de muestra, la llama de un mechero Bunsen con un ángulo de incidencia de 45º, a una distanciad e 50 mm y a una temperatura de 1000ºC +/- 100ºC en la punta del dardo. La duración del ataque es de 15 segundos para probetas de goma y de 30 segundos para probetas de goma y tejido. Si al separar el mechero la duración de la llama es inferior a 60 segundos, se denomina de calidad 1. Si este tiempo está comprendido entre 60 120 segundos es de calidad 2. Si la llama perdura mas allá de los 120 segundos no es aplicable la denominación anti-llama. Estos tiempos se determinan por la media obtenida sobre las 12 probetas. Norma CERCHAR M-81451: El ensayo de esta norma se efectúa con 12 probetas al igual que la anterior, aplicando la llama de un mechero de gas durante 30 segundos. Es necesario, una vez retirada ésta, que en un tiempo inferior a 5 segundos se extinga la llama en la probeta y que en menos de 5 minutos desaparezcan los puntos de ignición

105

Anexo 2. Capacidad de transportadores de faja en t/h para diferentes velocidades de faja y ancho de faja y densidad del material.

Capacidad (t/h) Ancho de Faja (cm)

35.5 (14")

45.5 (18")

61.0 (24")

Producto Kg/m³ 31

46

61

76

92

107

122

480

8

12

17

21

25

-

-

800

14

21

29

36

42

-

-

1200

21

31

42

54

64

-

-

1600

29

42

57

71

86

-

-

480

11

17

23

29

35

40

-

800

23

35

47

59

70

82

-

1200

34

51

68

86

103

120

-

1600

47

70

94

117

141

165

-

480

25

38

50

63

76

88

101

800

41

62

83

104

125

146

166

1200

62

93

125

156

187

219

250

1600

83

125

166

208

250

292

333

480

39

58

78

98

117

136

156

800

65

98

130

163

195

228

261

1200

98

147

195

235

293

342

391

1600

130

195

261

326

391

457

522

480

59

88

117

146

176

206

235

800

94

141

188

235

383

330

377

1200

140

211

281

351

421

492

562

1600

188

283

377

471

566

660

754

480

102

153

205

255

307

359

410

800

172

258

344

430

517

603

689

1200

254

380

507

634

761

888

1015

1600

342

512

685

857

1019

1197

1371

76.0 (30")

91.5 (36")

122.0 (48")

Velocidad de Faja (m/min)

Fuente: Application Guide for Unit Handling Conveyors. CEMA Manual (2009).

106

Anexo 3. Capacidad de transportadores de faja para una velocidad de 1 m/s.

Faja en forma de artesa

Ancho de faja (mm)

Capacidad (m3/h)

300

12

132

20

23

-

-

-

350

I7

148

31

35

-

-

-

400

23

165

42

50

-

-

-

450

30

182

55

67

-

-

-

500

38

200

70

84

235

132

91

550

48

216

87

97

256

137

104

600

58

232

106

110

277

142

118

650

69

249

126

131

293

160

146

700

81

266

148

162

310

178

174

150

94

290

177

201

340

184

215

800

108

315

197

240

370

200

256

850

123

332

220

276

390

215

290

900

139

350

254

312

410

230

330

950

156

365

286

351

427

240

371

1000

173

380

318

3900

445

250

413

1050

192

400

354

433

467

265

4599

1100

212

420

390

4766

490

280

505

1150

233

442

438

528

515

297

566

1200

255

465

467

574

540

315

607

1250

278

482

508

627

560

327

691

1300

301

500

550

680

580

340

775

1350

302

510

587

722

592

360

802

1400

304

520

625

765

605

380

830

L1 = L2 (mm)

3

a = 20º (m /h) a = 30º (m3/h) L1 (mm) L2 (mm) a = 30º (m3/h)

Fuente: Application Guide for Unit Handling Conveyors. CEMA Manual (2009).

107

Anexo 4. Peso específico aparente y ángulo máximo de inclinación de la faja de algunos materiales.

Inclinación máxima Material

3

Peso Especifico (t/m ) Ángulo

Veloc. Máx. m/s

Basalto (0 - 100 mm)

1,6

20º

2

Montones de basura

120

20º

2

Hormigón

1,75 - 1,24

15º - 25º

2

Carbón seco o mojado

0,65 - 0,78

20º

1,5

0,9

15º

1,5

Tierra seca

1,10 - 1,3

18º

2,5

Tierra húmeda

1,6 - 1,70

22º

2,5

Mineral fino

1,7

18º

2,5

Arena de moldeo

1,3

24º

2

0,43 - 0,60

25º

2,5

1,85

18º

2,5

Cok

0,35 - 0,55

18º - 20º

2

Cemento

1,2 - 1,30

22º

2

Mortero

2,4

20º

2

Fosfato

1,2

15º

1,5

Piritas

2,00 - 2,50

18º - 22º

2,5

Centeno

0,68 - 0,79

25º

2,5

Remolacha

0,65 - 0,75

20º

2,5

Arena seca

1,6

18º

2,5

2

22º

2,5

0,6

20º

1,2

0,72 - 0,,87

20º

2,5

1

18º

2,5

Arcilla seca

1,8

23º

1,5

Trigo

0,76

15º - 20º

3,5

Caliza

1,20 - 1,60

20º - 23º

2,5

Carbón Briquetas

Avena Grava seca

Arena húmeda Escoria seca Carbón en mina Sal

Fuente: Application Guide for Unit Handling Conveyors. CEMA Manual (2009).

108

Anexo 5. Diversos tipos de accesorios de uso industrial en fajas.

Fuente: Sumico (2004).

109

Anexo 6. Características del transportador de faja para trabajo pesado modelo TL (Hytrol Conveyor Catalog, 2007) El Modelo TL, de construcción robusta y resistente, es ideal, para ser usado en líneas largas de ensamble, inspección, clasificación y empaque. El transportador puede ser anclado al piso o sostenido del techo. Características:  Cama de 6 -5/8" de profundidad, calibre 12.  Anchos de banda: 24", 30", 36", 42" y 48".  Unidad motriz en el extremo (estándar).  Motor-1 HP estándar.  Soportes disponibles, ajustables al piso.  Carga máxima por pie lineal de transportador: 100 lbs. No exceder las capacidades estimadas.  Reversible (con unidad motriz en el centro).

Figura 6-A. Transportador de faja para trabajo pesado modelo TL.

110

LONGITUD TOTAL “A”

DISPOSITIVO DE RETORNO

2 1/2“ DIA. RODILLO DE ALINEACION

8“ DIA. UNIDAD MOTRIZ

8”

LONGITUD DE CAMA “L”

6“ DIA. POLEA DE COLA

1.9“ DIA. RODILLO DE RETORNO

19 1/8” MAX

11 15/16” MAX

DISPOSITIVO DE RETORNO

2 1/8“ DIA. RODILLO DE ALINEACION

11 1/4” 24 1/4”

13 1/4” MAX 37 1/2” MAX

12”

APOYO MS-D OPCIONAL

APOYO -MS OPCIONAL

Figura 6-B. Vista lateral del transportador de faja modelo TL.

4”

ANCHO DE CAMA ANCHO DE CORREA

2 1/8“ DIA. RODILLO DE ALINEACION

6 5/8”

PROTECTOR DE CADENA CERADO

MARCO ESPACIADOR

Figura 6-C. Sección X-X del transportador de faja modelo TL.

111

Dimensiones y capacidades del transportador de faja modelo TL. Longitud total Longitud total de la polea de Longitud de de la unidad cola en el cama "L" (pie) motriz en el centro (pie) centro (pie)

Ancho de correa (pulg)

24

30

36

42

48

52

Ancho de cama (pulg)

30

36

42

48

54

58

N/A

N/A

N/A

7

5

6

375

N/A

N/A

12

10

11

475

555

615

888

974

1060

17 22 27

15 20 25

16 21 26

625 725 875

686 796 967

752 867 1065

1084 1280 1476

1191 1408 1625

1298 1536 1774

32

30

31

975

1077

1180

1672

1842

2012

37

35

36

1125

1248

1377

1868

2059

2250

42

40

41

1225

1358

1492

2064

2276

2488

47

45

46

1375

1529

1690

2260

2493

2726

52

50

51

1475

1639

1805

2456

2710

2964

Peso (lbs)

57

55

56

1625

1810

2002

2652

2927

3202

62

60

61

1725

1920

2117

248

3144

3440

67

65

66

1875

2091

2315

3044

3361

3678

72

70

71

1975

2201

2430

3240

3578

3916

77

75

76

2125

2372

2627

3236

3795

4154

82

80

81

2225

2482

2742

3632

4012

4392

87

85

86

2375

2653

2940

3828

4229

4630

92

90

91

2479

2763

3055

4024

4446

4868

97

95

96

2625

2934

3252

4220

4663

5106

102

100

101

2725

3044

3367

4416

4880

5334

112

Anexo 7. Potencia por metro de transportador de tornillo inclinado con 30.5 cm. de longitud de alimentación.

113

Anexo 8. Potencia por metro de transportador de tornillo inclinado que trabaja a 600 RPM.

114

Anexo 9. Capacidad para transportador de tornillo inclinado

115

Anexo 10. Clasificación de los materiales en función de su densidad.

CLASE A (450 a 640 Kg/m3)

CLASE B (800Kg/m3)

CLASE C (640 a 1600Kg/m3)

CLASE D (600 a 1600Kg/m3)

Cebada

Alumbre fino

Alumbre en terrones

Bauxita

Carbón pulverizado

Granos de soya

Bórax

Harina de huesos

Harina de maíz

Carbón de hulla, finos y menudos

Carbón vegetal

Negro de humo Arcilla

Harina de pastad de algodón

Granos de cacao

Carbón de hulla clasificado

Semillas de lino

Granos de café

Carbón de lignito

Harina de trigo

Maíz desgranado

Cacao

Cal pulverizada

Sémola de maíz

Corcho molido

Malta

Gelatina granular

Corcho de lignito

Arroz

Laminillas de grafito

Cenizas, volantes limpias

Arena seca

Trigo

Cal hidratada Cal sin desmenuzar

Pizarra triturada

Leche en polvo

Azúcar bruto

Pulpa de papel

Cal en guijarros

Material para papel

Oxido de zinc

Yeso triturado Óxidos de plomo Azufre Caliza en polvo Fosfato ácido de calcio

Sal gruesa o fina

116

Anexo 11. Coeficientes de fricción y pesos específicos para diferentes materiales agroindustriales.

Material

Alfalfa Bagazo Trigo Semillas de Cacao Harina de Cacao Maíz en mazorcas Maíz desgranado Harina de Maíz Semilla de algodón Harina de Semilla de Algodón Malta seca Leche en polvo Almidón en pellets Almidón seco Avena

Coeficiente

Peso específico (lb/pie3)

0,6

15

1,0

4

0,5

34

0,5

37

0,8

32

0,4 0,4

45

0,7

40

0,7

40

0,7

33

0,4

32

1,0

40

0,5

30

1,0 0,6

15

117

Anexo 12. Configuraciones de transporte posible para un tornillo sin fin (Salazar y Camacho, 2005).

Para el diseño del transportador es necesario definir la trayectoria del recorrido del material a transportarse, así como el número de puntos de carga y de descarga del mismo. Salazar y Camacho (2005), consideran 4 configuraciones básicas de transportadores de Tornillo Sinfín mostradas en la siguiente figura con las que podremos resolver la mayoría de los problemas de transporte de material al granel que se presentan a nivel agroindustrial. Estas configuraciones son: a. Configuración 1: Sinfín horizontal, 1 entrada y 3 salidas. b. Configuración 2: Sinfín horizontal, 3 entradas y 1 salida. c. Configuración 3: Sinfín horizontal, 1 entrada y 1 salida. d. Configuración 4: Sinfín inclinado, 1 entrada y 1 salida.

118

Anexo 13. Características de un tamiz de tornillo helicoidal serie TDT-020 (Estruagua, 2009) El tamiz tornillo helicoidal TDT-020 es un equipo combinado para la separación de los sólidos presentes en las aguas residuales y la posterior compactación y deshidratación de los mismos. El material sólido en suspensión en el líquido de transporte se deposita en la criba obstruyéndola, lo que provoca un aumento de nivel en la parte anterior de la misma y una disminución en la parte posterior. En ese momento empieza a funcionar la hélice, que limpia la criba, sube el material, lo deshidrata y lo compacta.

Figura 13-A. Vista superior del tamiz de tornillo helicoidal serie TDT-020.

Figura 13-B. Vista lateral del tamiz de tornillo helicoidal serie TDT-020.

119

Características principales A

Ancho de canal

B

Alto de canal

C

Cota de agua

D

Alto de descarga desde piso de apoyo

E

Longitud total de tamiz

F

Luz de paso

G

Ø Mayor de rosca

H

Ø Menor de rosca

Dimensiones (mm)

TDT-020.150

TDT-020.205

TDT-020.255

TDT-020.305

TDT-020.390

TDT-020.480

TDT-020.590

TDT-020.690

A

250

300

390

400

500

600

800

1000

B

850

850

850

850

850

850

850

850

C

400

420

420

450

460

500

600

980

D

2150

2200

2200

2200

2300

2500

2550

2600

E

5070

5100

5100

5000

5000

5200

5650

6000

ØG

155

205

255

305

390

480

584

684

ØH

155

205

205

205

255

250

300

300

L

150

200

250

295

400

550

670

800

M

3850

3900

3900

3900

3900

4000

4300

4600

N

350

350

350

350

350

350

350

350

P

2800

2800

2800

2800

2800

2900

3100

3400

Q

4250

4300

4350

4385

4385

4500

4700

5300

Peso (kg)

380

400

430

440

470

550

630

680

Potencia (kW)

0.55

0.75

0.75

1.1

1.5

1.5

1.5

2.2

Modelo

TDT-020.150

TDT-020.205

TDT-020.255

TDT-020.305

TDT-020.390

TDT-020.480

TDT-020.590

TDT-020.690

Luz de paso (mm)

Caudal hidráulico m3/h con tamice de perfil Johnson

0.25

25

30

45

53

80

140

175

325

0.5

50

60

75

95

140

243

300

550

1

75

90

115

135

210

350

440

780

2

85

100

130

170

255

410

515

860

Orificios (mm)

Caudal hidráulico m3/h con tamice perforados

Ø3

60

80

105

120

200

315

450

755

Ø4 Ø5

75

95

130

150

240

380

520

890

95

110

155

170

260

420

585

995

Ø6

100

125

180

200

300

480

695

1100

120

Anexo 14. Dimensiones de cangilones estándar de los estilos “A”, “SC” Y “C” ESTILO “A” Dimensiones del cangilón en cm Longitud

Proyección de ancho

Profundidad

10.16 12.70 15.24 17.70 20.32 22.86 25.40 27.94 30.48 30.48 35.56 35.55 35.56 40.64 40.64 45.72 50.00 55.80

6.98 8.89 10.16 11.43 12.70 15.24 15.24 15.24 15.24 17.78 15.24 17.70 20.32 17.78 20.32 20.32 20.32 20.32

7.62 9.52 10.79 12.70 13.97 15.87 15.87 15.87 15.87 18.41 15.87 18.41 21.59 18.41 21.59 21.59 21.59 21.59

Capacidad en Espesor línea (dm3) aproximado (cm)

0.25 0.51 0.50 1.41 1.92 3.03 3.37 3.45 3.71 5.49 5.94 6.40 8.07 7.25 9.60 10.78 16.00 14.44

0.19 0.19 0.23 0.23 0.23 0.31 0.27 0.27 0.27 0.35 0.27 0.35 0.43 0.35 0.43 0.43 0.51 0.43

Radio aproximado (cm)

2.22 2.85 3.17 3.49 3.81 5.08 5.08 5.08 5.08 6.03 5.08 6.03 6.98 6.03 6.98 6.98 8.25 6.98

ESTILO “SC” 20.32 25.40 30.48 35.56 40.64 45.72 50.80

15.24 20.32 20.32 20.32 20.32 20.32 20.32

12.70 17.78 17.78 17.78 17.78 17.78 17.78

2.07 4.81 5.94 6.94 7.93 8.97 10.02

0.03 0.47 0.47 0.31 0.47 0.47 0.47

ESTILO “C” 15.24 20.32 25.40 30.48 30.48 35.56 40.64

11.43 11.43 12.70 12.70 15.24 17.78 17.78

10.16 10.16 10.16 10.16 15.24 13.97 13.97

0.79 1.10 1.36 1.64 3.08 3.71 4.64

0.23 0.23 0.23 0.23 0.27 0.35 0.35

121

Anexo 15. Características de modelos estandarizados de elevadores de cangilones.

Radio de polea (pulg)

Tamaño del cangilón (pulg)

Capacidad (t/h)

Calibre de cabeza y bota

Calibre de piernas

4.- 5

6x4

09-18

Calibre 12

Calibre 16

11 - 15

6x4

20 - 25

Calibre 12

Calibre 16

11 – 15

6x5

30 - 38

Calibre 12

Calibre 16

18 – 25

9x5

36 - 41

Calibre 12

Calibre 16

18 – 25

9x5

51 - 56

Calibre 12

Calibre 16

18 - 25 9x5 76 - 81 Calibre 12 Fuente: Diseño de maquinaria para envasado y transporte S.A. (2008).

Calibre 16

Serie

Ligero

Mediano

Grande

122

Anexo16. Cangilones de aplicación agroindustrial para elevadores (Tapco Inc.; 2006). Cangilones para servicio pesado de polietileno de alta densidad para elevadores, para uso en aplicaciones de productos de fácil escurrimiento: granos, alimentos balanceados, fertilizantes, semillas, sal, arena, productos químicos y productos alimenticios. Características: Larga durabilidad, fuerte y flexible, paredes gruesas, liviano, descarga directa, menor daño al producto, reduce el retorno en el ramal ascendente, no produce chispas, no corrosivo

Cangilones para servicio pesado de nylon super resistente, para uso en aplicaciones de alta capacidad con materiales rugosos y abrasivos: porotos de soja, fertilizantes, sal, arena, sustancias químicas y otros productos rugosos o abrasivos. Características: Excepcional resistencia al impacto y a la abrasión, extraordinariamente fuerte y más rígido que el polietileno o uretano, mejor resistencia a la alta temperatura, no produce chispas, no corrosivo.

Cangilones para servicio pesado de uretano para uso severo, para ser utilizado en aplicaciones de alta capacidad con materiales muy abrasivos: alimentos balanceados peletizados o extruidos, porotos de soja, fertilizantes, conchas de ostras, sal, arena, productos químicos y otros productos abrasivos.

Características: Resistencia extrema a la abrasión, fuerte y flexible, de paredes gruesas, liviano, descarga directa, menor daño al producto, reduce el retorno del producto por el ramal ascendente, no produce chispas, no corrosivo

123

Cangilones “de perfil bajo” para elevadores, fabricado en: polietileno de alta densidad uretano para servicio severo nylon super resistente. Los cangilones Tapco “de perfil bajo” están diseñados para incrementar la capacidad del elevador permitiendo un espaciado menor entre cangilones en la correa. Constituyen una versió n modificada (cortada), variando sólo en profundidad y peso. La aplicación, el rendimiento, la descarga y todas las otras características son exactamente las mismas que los cangilones del mismo material.

Cangilones de acero soldado tipo agrícola, para uso con los siguientes materiales: granos, alimentos balanceados, fertilizantes, semillas, sal, arena, sustancias químicas y productos alimenticios. Características: Los laterales derechos minimizan el retorno del producto en el ramal descendente, los ángulos en la parte inferior permiten al cangilón descargar en una amplia variedad de velocidades del elevador. Utilizado principalmente para sustituir cangilones no metálicos en los casos en que la temperatura es demasiado alta o cuando se transportan productos extremadamente filosos en el elevador a cangilones.

Cangilones excavadores para elevadores tipo agrícola, para uso con los siguientes materiales: granos, alimentos balanceados, fertilizantes, azúcar, sal, arena, semillas, cemento y mezclas minerales. Características: Construcción con lámina de calibre grueso, con esquinas reforzadas y borde delantero de doble espesor diseñado para desmoronar la acumulación de material apelmazado en el pie del elevador a cangilones

124

Cangilones de acero para elevadores agrícola, para uso con los siguientes materiales: granos, alimentos balanceados, fertilizantes, semillas, hielo, azúcar, sustancias químicas y productos alimenticios. Características: Los laterales derechos minimizan el retorno del producto por el ramal descendente, capacidad máxima utilizable con respecto a cualquier otro cangilón de acero estándar, su forma elimina la descarga prematura, los laterales soldados hacen que el cangilón sea virtualmente indestructible.

Cangilones de acero para elevadores agrícola, para uso con los siguientes materiales: granos, alimentos balanceados, fertilizantes, semillas, azúcar, sustancias químicas y productos alimenticios. Características: Los extremos con ventilación proporcionan una descarga rápida y directa, los extremos plegados alrededor de la parte inferior proporcionan un refuerzo y una superficie plana para la correa, los extremos laterales muy inclinados reducen al mínimo el derrame de producto y permiten apilar los cangilones

Cangilones de polietileno de alta densidad, para ser utilizado en aplicaciones con productos de fácil escurrimiento tipo agrícola para uso con los siguientes materiales: granos, alimentos balanceados, fertilizantes, semillas, sal, sustancias químicas y productos alimenticios. Características: Larga durabilidad, fuerte y flexible, de paredes gruesas, liviano, descarga directa, menor daño al producto, no produce chispas, no corrosivo.

Cangilones de polietileno tipo industrial, para uso con los siguientes materiales: aplicaciones con productos aptos para usos alimentarios, azúcar, sal, granos de café, sustancias químicas, minerales y virutas de madera. 125

Anexo 17. Características de elevadores de cangilones tipo EB (STH Maquinarias S.A.; 2008).

Los elevadores de correa EB están especialmente diseñados para gran variedad de caudales y desniveles, para productos con temperaturas de hasta 135 ºC. La correa está fabricada con alma de cables de acero, malla metálica transversal y recubrimiento de goma, consiguiendo una gran capacidad de tracción, un excelente soporte para los cangilones y una alta flexibilidad, lo que da una excelente relación calidad-precio. Capacidad del elevador de cangilones tipo EB Capacidad con volumen al 100% (m3/h)

Dimensiones del cangilón (cm) Ancho

Fondo

Paso

A

B

P 200

1,25 47

1,38 52

200

155

240

39

43

280

34

37

280

103

114

320

90

99

360

80

88

280

130

144

320

114

126

360

101

112

250 240 315

400 290 500

630 330 800

1000

370

Velocidad de transporte (m/s) 1,54

320

236

263

360

210

234

400

189

211

320

295

329

360

262

293

400

236

263

1,71

360

470

522

400

423

469

440

384

427

360

597

663

400

538

597

440

489

543

400

852

946

440

775

860

480

710

789

1,91

126

Dimensiones del elevador de cangilones tipo EB A

B

C

200

155

250

D

E

F

G

H

630

1000

2250

1350

500

I

J

150 250

300

K

L

M

1000

N

O

P

Q

R

S

T

U

500

1300

2000

1250

300

950

650

500

800

1500

V 580

240 315

360

400

200

450 290

500 630

250 800

1150

2500

1600

600

550

350

680

400 1400

3000

1850

1050

1450 420

2750

1600

1650

1600

3400

2100

800

1750

1300

1250 950 1410

2800

1900

1300

1600

1710 600

1750 350

2700

500

1300

2500 1320

800

1210

2200 2250

1100 1250

1100

1060 650

700 1400

400

1700

1950

900

1500

1100

1170 1300

2400

950 2100

1750

700

1500

890

300

370 1250

790 600

800

1600

700

630

700 1800

1400

500 1000

550

1300

1110 850

1000

250

950

330 800

1050

2500

1880 1900

1950

3150

2050

1450

1100 2080

127

Anexos 18. Velocidades recomendadas en el transporte neumático según el tipo de material transportado. Material

Velocidad (pie/min)

Algodón

4500

Avena

4500

Corcho molido

3000

Lana

5000

Harina de pescado

5000

Maíz

5000

Sal

5500

Trigo 5800 Fuente: Chromalox Technical Documents (20010). Arena 7000 Cemento

7000

Anexo 19. Velocidad mínima del aire recomendada en el transporte neumático según la densidad del material transportado.

Densidad del material (lb/pie3)

Velocidad (pie/min)

20

4000

35

5000

50

6000

Fuente: Chromalox Technical Documents (20010).

128

Anexo 20. Cantidad de aire recomendado en el transporte neumático según la densidad del material transportado.

Densidad del material (lb/pie3)

Cantidad mínima de aire (pie3/min/lb de material)

20 35 50

30 25 20

Fuente: Chromalox Technical Documents (20010).

Anexo 21. Factor de fricción de Fanning según el número de Reynolds para ser utilizado en los cálculos del transporte neumático.

Fuente: Prado (2002).

129

Anexo 22. Propiedades del aire.

Temperatura (°C)

Densidad (kg/m3)

Peso especifico (N/m3)

Velocidad dinámica (Pa.s)

Velocidad cinemática (m2/s)

-40

1.514

14.85

1.51 × 10-5

9.98 × 10-5

-30

1.452

14.24

1.56 × 10-5

1.08 × 10-5

-20

1.394

13.67

1.62 × 10-5

1.16 × 10-5

-10

1.341

13.15

1.67 × 10-5

1.24 × 10-5

0

1.292

12.67

1.72 × 10-5

1.33 × 10-5

10

1.247

12.23

1.77 × 10-5

1.42 × 10-5

20

1.204

11.81

1.81 × 10-5

1.51 × 10-5

30

1.164

11.42

1.86 × 10-5

1.60 × 10-5

40

1.127

11.05

1.91 × 10-5

1.69 × 10-5

50

1.092

10.71

1.95 × 10-5

1.79 × 10-5

60

1.060

10.39

1.99 × 10-5

1.89 × 10-5

70

1.029

10.09

2.04 × 10-5

1.99 × 10-5

80

0.9995

9.802

2.09 × 10-5

2.09 × 10-5

90

0.9720

9.532

2.13 × 10-5

2.19 × 10-5

100

0.9459

9.277

2.17 × 10-5

2.30 × 10-5

110

0.9213

9.034

2.22 × 10-5

2.40 × 10-5

120

0.8978

8.805

2.26 × 10-5

2.51 × 10-5

Fuente: Prado (2002).

130

Anexo 23. Rango de velocidades de diseño.

Naturaleza del material

Ejemplo

Velocidad de diseño (pie/min) Cualquier velocidad deseada (generalmente la velocidad optima económica está entre 1000-1200 pie/min).

Vapores y gases.

Todos los gases.

Smoke

Zinc y vapores de oxido de aluminio.

1400 - 2000

Polvos muy finos

Fibra de algodón, harina de madera, polvo de litografía.

2000 - 2500

Polvos secos

Partículas pequeñas caucho, piezas de fundición, pelusas de yute, polvo de algodón, virutas.

3500 - 3500

Polvo industrial

Aserrín (pesado y húmedo), pelusas de pulido, polvo de lana de yute (residuos agitadoras), granos de café, polvo del calzado, polvo de granito, sílice harina, la manipulación de materiales en general, el corte de ladrillo, polvo de arcilla, fundición, polvo de piedra caliza y el polvo de asbesto en los textiles industriales.

3500 - 4000

Polvos pesados

Virutas de metal, fundición de barriles, el polvo de chorro de arena, bloques de madera, virutas de metal, polvo de hierro fundido, polvo de plomo.

4000 - 4500

Polvos muy pesados

Polvo de plomo con pequeñas virutas, polvo de cemento húmedo, trozos de tubería de asbesto de transito en máquinas de corte, pelusa de pulido (pegajoso), polvo de cal viva.

4500 and up

Fuente: Prado (2002).

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Anexo 24. Normas de diseño de conductos de distribución de aire. (Rojas, 2002).

Reducir 20 mm por cada 100 mm de longitud

D 30°

BIEN

SUFICIENTE

MAL

D 20 BIEN

20

SUFICIENTE

MAL

Figura 24-A. Entrada de conductos biturcados.

Aumentar 20 mm por cada 100 mm de longitud

Reducir 20 mm por cada 100 mm de longitud

BIEN

MAL

Figura 24-B. Conductos de aumento y reducción.

Entrada cóncava con adaptador Entrada directa

BIEN

A A = 2 x Diámetro de turbina B = 2 x Diámetro de turbina C = Ancho de turbina

B

C SUFICIENTE

Figura 24-C. Conexión a ventilador.

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