transporte neumatico

UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS Y ADMINISTRACIÓN DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

“SISTEMA DE TRANSPORTE NEUMATICO PARA MANEJO DE DESECHOS EN MADERERA LOS LIRIOS”

ANTEPROYECTO DE TRABAJO DE TÍTULACIÓN PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENÍERO MECANICO

Profesor Guía: René Cifuentes Bobadilla

ALAN HAROLD TIGHE CHAVEZ 2014

Información general

ANTEPROYECTO DE TRABAJO DE TÍTULACIÓN

TÍTULO:

Ingeniero Mecánico

NOMBRE:

Alan Harold Tighe Chávez

N° DE MATRÍCULA:

16981187310

CARRERA:

Ingeniería Mecánica

NIVEL CURSADO:

Décimo Nivel

ALAN HAROLD TIGHE CHAVEZ Alumno RENE MIGUEL CIFUENTES BOBADILLA Profesor Guía MAURICIO ANTONIO GONZALEZ DE LA BARRA Director de Carrera

MARIO ANDRES GUZMAN VILLASEÑOR Director de Departamento

Índice de contenidos

Información general................................................................................................................2 Introducción............................................................................................................................4 Fundamentos teóricos.............................................................................................................5 Sistema de fase diluida y baja presión................................................................................6 Diseño general de sistemas de transporte neumático..........................................................6 Velocidad de transporte.......................................................................................................7 Tipos de transportadores.....................................................................................................9 Etapas de diseño para un extractor de residuos madereros...............................................11 Metodología..........................................................................................................................12 Programa de trabajo..............................................................................................................13 Carta Gantt........................................................................................................................14 Financiamiento......................................................................................................................15 Nomenclatura........................................................................................................................16 Referencias Bibliográficas....................................................................................................17

Introducción Por muchos años los gases han sido utilizados satisfactoriamente en la industria para transportar un amplio rango de sólidos particulados, que van desde harina de trigo, distintos tipos de granos, desechos forestales, hasta carbón en algunos casos. Actualmente en Chile la exportación de productos derivados de la madera equivalen al 1,9% de la producción mundial y de tal producción se estima que cada año se obtienen 6 millones de metros cúbicos de residuos madereros pesando más de 3 millones de toneladas. El manejo de estos desechos y el diseño del sistema más adecuado para la extracción son de responsabilidad del ingeniero mecánico a cargo ya que comprende un área de su especialidad. Como estudiante de ingeniería, y siendo el área de las turbo-máquinas de particular interés, se presenta en este documento el anteproyecto del Proyecto de titulación, que pretende resolver un problema de esta índole, en una barraca ubicada en la comunidad de Labranza Novena Región de Chile. La empresa se encarga de comercializar en el sector

maderas para construcción y

ampliación de viviendas en general, además de servicios de corte y cepillado. Dichos productos se elaboran y dimensionan en el lugar, desde maderas previamente procesadas en aserraderos cercanos, los cuales proveen a la empresa de la materia prima. Como consecuencia del trabajo realizado en la empresa, se producen desechos, los cuales implican un trabajo de extracción que se realiza de forma manual periódicamente. Se busca con el presente proyecto dar solución al manejo de estos desechos, instalando un sistema de transporte que extraiga los aserrines producidos y los acumule en un depósito, disminuyendo de esta manera los tiempos muertos en el trabajo de producción, maximizando el uso de los espacios y evitando el exceso de partículas en suspensión que son un riesgo para la salud de los trabajadores.

Fundamentos teóricos. Sistemas de transporte neumático se utilizan ampliamente en la industria para transportar materiales secos, finos y a granel porque son extremadamente versátiles, adecuados y económicos para muchos procesos. El transporte neumático de sólidos se ha practicado por más de un siglo en el mundo y hoy se puede encontrar sistemas de este tipo en las más variadas industrias: la minería, industria del cemento y construcción, química y farmacéutica, plásticos, de alimentos, papel, vidrio, energía, etc. Por ejemplo, el transporte y descarga: neumática de cemento, cal, azúcar, pellets plásticos en camiones a granel presurizados; sistemas de transporte e inyección neumática de concentrado de cobre seco a convertidores y sistemas similares para carbón pulverizado que alimentan calderas y hornos; sistemas de transporte neumático: fertilizantes, yeso, coke, cenizas, sal, alimentos, granos, aserrín, etc; en plantas de procesos: sistemas de captación y transporte neumático de polvo; etc. El objetivo principal de un sistema de transporte neumático es transportar materiales sólidos a granel desde un punto a otro por medio de un flujo de gas a presión, ya sea positiva o negativa, a través de una cañería. Materiales particulados finos en el rango de los micrones hasta partículas de 20 mm se pueden transportar en forma horizontal y/o vertical, desde algunos metros hasta máximo dos kilómetros de distancia, y con capacidades de hasta 1000 t/h a través de cañerías de hasta 500 mm de diámetro. La principal ventaja del transporte neumático de sólidos a granel es que los sistemas son cerrados, y por lo tanto, no contaminantes. El material transportado se “encierra” totalmente dentro de la cañería, lo cual protege al producto del medio ambiente y viceversa (al medio ambiente del producto en caso de transportar materiales peligrosos, explosivos, tóxicos, biológicos, etc.). Además, son sistemas muy limpios, adecuados para muchos y variados procesos, flexibles para cambiar de dirección, requieren de un reducido espacio y son fáciles de automatizar.

Dentro de las desventajas es importante destacar que no todos los materiales particulados se pueden transportar neumáticamente a través de cañerías, sino sólo aquellos materiales secos, no cohesivos, de fácil escurrimiento libre por gravedad, y relativamente finos. Materiales frágiles pueden sufrir de excesiva atrición y materiales abrasivos pueden causar desgaste prematuro en las cañerías y codos. Otras limitaciones del transporte neumático son el tamaño máximo de partícula, la capacidad máxima de transporte, la distancia a transportar y el mayor consumo de energía. Sistema de fase diluida y baja presión Diversos tipos de sistemas existen para el transporte neumático de materiales sólidos a granel, incluyendo sistemas abiertos o cerrados, de presión positiva o negativa, de flujo diluido o denso, continuos o batch. Actualmente, los sistemas de transporte neumático de baja presión positiva, continuos, de alta velocidad y fase diluida, son los más usados en la industria debido a su mayor capacidad de transporte en cuanto a flujo, mayores distancias de transporte, flujo estable y fácil control, permitiendo además transportar materiales desde un punto de alimentación a varios puntos de descarga. El presente trabajo pretende abordar este tipo de sistemas de transporte neumático para dar solución al problema, no incluyendo los sistemas en fase densa. Diseño general de sistemas de transporte neumático Para diseñar y/o seleccionar un sistema nuevo de transporte neumático y/o para comprobar si un sistema existente opera adecuadamente, el primer paso es determinar las características físicas y de fluidez del material a manejar. Además, la naturaleza del material a transportar es de vital importancia y puede limitar significativamente la elección de un sistema de transporte neumático. Es imprescindible conocer las siguientes propiedades:   

Tamaño de partículas: máximo, mínimo y la distribución granulométrica. Densidad y forma de las partículas. Fluidez del material y su permeabilidad.



Otros: abrasividad, toxicidad, fragilidad, dureza, reactividad, compresibilidad, tendencia a segregarse, efectos electrostáticos, etc.

El segundo paso es realizar ensayos de laboratorio en un sistema de transporte neumático “similar” para determinar experimentalmente parámetros tales como; el tipo de flujo desarrollado en la cañería, la velocidad mínima de transporte del material, la relación de carga y la caída de presión en función de la velocidad de transporte (Ug). Con estos datos se podrá construir el diagrama de estado para determinar el punto óptimo de operación, seleccionar y dimensionar los componentes básicos que conforman el sistema, como se ilustra en la Figura1.

Figura 1: Determinación del punto de operación de un sistema de transporte neumático en fase diluida. Velocidad de transporte Uno de los parámetros más importantes para el diseño y la operación eficiente de sistemas de transporte neumático en fase diluida es la correcta determinación de la velocidad de transporte para un material y sistema en particular. Este parámetro afecta además el tipo de flujo desarrollado en la cañería y la caída de presión. Sistemas de transporte neumático diseñados para operar a altas velocidades (flujo homogéneo) están sujetos a un alto consumo de energía, posible degradación y/o segregación del material, y desgaste excesivo de cañerías y codos, lo cual se puede traducir en una operación costosa y poco rentable. Por otro lado, sistemas diseñados para operar a bajas velocidades o elevados flujos de sólidos pueden sufrir la deposición de partículas sobre el fondo de la cañería, flujo errático de material e incluso llegar a tapar o colapsar la cañería, lo cual detiene completamente el sistema. Por lo tanto, el cómo determinar la

velocidad óptima de transporte, es considerado uno de los pasos más importantes en el correcto dimensionamiento y operación de sistemas de transporte neumático. Dos tipos de flujo se pueden distinguir claramente en sistemas de transporte neumático horizontales: flujo sobre la velocidad mínima de transporte y flujo bajo la velocidad mínima de transporte del material, como se mencionó anteriormente. En el primer caso, las partículas fluyen a alta velocidad, en suspensión y homogéneamente dispersas en la misma dirección que el aire (flujo homogéneo). En el segundo caso, algunas partículas se depositan en el fondo de la cañería mientras otras deslizan sobre estas dunas en reposo, como se muestra esquemáticamente en la Figura 2

Figura 2: Flujos en cañerías horizontales: sobre (A) y bajo (B) la velocidad mínima de transporte.

Si bien flujos bifásicos (gas + sólidos) en cañerías obedecen a todas las leyes de la Mecánica de los Fluidos, aún no se dispone de soluciones teóricas a partir de estos principios básicos. Su naturaleza turbulenta, el gran número de variables involucradas, la interacción caótica entre ambas fases, y la gran variedad de materiales manejados hacen todavía muy complejo la modelación teórica de este tipo de flujos. Los estudios experimentales resultan muy necesarios y contribuyen con una base de datos para entender mejor el fenómeno y para poder diseñar y operar sistemas adecuadamente. En este proyecto se trabajará con los valores de velocidades de transporte descritos en el cuadro 1 los cuales fueron obtenidos en laboratorio según la referencia.

Material Polvo de madera Aserrín seco, liviano Aserrín húmedo, pesado Viruta seca, liviana Recortes madera verde Madera triturada Polvo de esmeril

Ámbitos de velocidad recomendados m/seg pies/min. 7,62 - 10,80 10,80 - 15,24 15,24 - 20,33 10,80 - 15,24 17,78 - 22,87 17,78 - 22,87 15,24 - 20,33

1500 - 2000 2000 - 3000 3000 - 4000 2000 - 3000 3500 - 4500 3500 - 4500 3000 - 4000

Cuadro 1: Velocidades de transporte, para residuos madereros. Referencia [1] Para el diseño de tuberías en las fábricas de elaboración de productos de madera, es usual la utilización de una velocidad de 19.3 m/s (3800 pies/min). No es conveniente permitir velocidades menores a 17.8 m/s (3500 pies /min). Tipos de transportadores El movimiento de las partículas se produce dentro de las tuberías debido a la diferencia de presiones entre el comienzo y el final de los ductos. De acuerdo a estas diferencias de presión, las instalaciones pueden sub-dividirse en: aspirantes, impelentes y combinaciones aspirante-impelente. En una instalación aspirante se produce succión del material por una tobera o colector en el extremo de la tubería. Figura 3.1 En una instalación impelente el material se introduce por un alimentador a la tubería el soplador o compresor, según sea el caso, entrega el aire comprimido a la tubería. Figura 3.2 En una instalación combinada aspirante-impelente, el material se transporta por aspiración en la parte delantera, y en la parte restante por impulsión. Figura 3.3 Aunque los elementos entregados posibilitan el diseño de cualquiera de estas instalaciones, se tomará como base para la exposición un sistema aspirante, por ser el más usual en la industria de elaboración de maderas.

Figura 3.1 esquema sistema Aspirante

Figura 3.2 esquema sistema Impelente

Figura 3.3 esquema sistema Aspirante-Impelente

Etapas de diseño para un extractor de residuos madereros

El diseño de un sistema de extracción neumático involucra el dimensionamiento y la determinación de la relación existente entre los siguientes elementos: 

Colectores de aserrín y viruta (boca-tomas).



Conexiones y ductos.



Ventilador y unidad motriz.



Ciclón.

Para llevar a cabo esta labor es necesario conocer: 

La presión estática (succión) en cada colector, que permita establecer un determinado.



El flujo o caudal en cada colector.



La velocidad en cada ducto.



El caudal total a mover por el ventilador.



Las presiones de entrada y salida del ventilador, lo que implica la determinación de las pérdidas en las diferentes partes del sistema.

flujo

Sin haber determinado estos valores con exactitud, no se puede asegurar que un sistema funcionará en forma debida, pudiendo producirse atascamiento en los ductos, recalentamiento del motor o un excesivo consumo de energía. Aunque en teoría, la dinámica de los fluidos es una ciencia exacta, para aplicaciones prácticas como la indicada, presenta serias dificultades de cálculo ya que en general las materias en suspensión, que son los desechos a eliminar, corresponden a partículas no homogéneas en peso y forma, como también en volumen de a1imentación. Por lo dicho no es posible exponer una marcha de cálculo rigurosa, sino más bien entregar una recopilación de antecedentes extraídos de las publicaciones citadas en las Referencias Bibliográficas. Se trató de recopilar aquellas fórmulas más conocidas que utilizan variables de fácil determinación. Los coeficientes empíricos que se dan, se obtuvieron en túneles de prueba de los diversos fabricantes de estos equipos y en mediciones hechas en sistemas en funcionamiento.

Metodología El trabajo se basará en la implementación de un sistema extractor neumático para “Maderera Los Lirios” empresa ubicada a 15 km hacia la costa desde Temuco Novena Región de la Araucanía – Chile. 

En primera instancia se investigarán los procesos involucrados, se obtendrán datos de localización, planos estratégicos, diseño de las máquinas involucradas, y tasas de



extracción actuales. En terreno se recaudarán muestras de las partículas a transportar para su posterior



análisis (densidades, geometría, humedad, etc.). Para cada máquina, se evaluará el proceso en el cual se produzca mayor flujo volumétrico de desechos, posterior a esto se medirá en el lugar los caudales

 

máximos por máquina que se necesita extraer. Se analizarán las partículas para determinar la velocidad de transporte necesaria. A partir de los datos de ubicación y diseño de máquinas se crearán los planos de los

 

puntos de extracción. Se evaluará el tipo de extracción a realizar y el punto donde se ubicará el deposito Se calcularán las vías de extracción y las pérdidas de presión existentes en el



sistema. A partir de los cálculos realizados se diseñará el ventilador

  

necesidades del sistema. Se generarán los planos y los isométricos del sistema en su totalidad. Se construirá la turbomáquina y se calculará su rendimiento. Se calculará y se generarán los planos del ciclón en el depósito

Programa de trabajo

que satisfaga las

N ° 1

Tareas

Fecha Inicio 28-09-2014

Duración (días) 6

Fecha Término 04-10-2014

Investigación de procesos y obtención de antecedentes. 21.

Recaudación y análisis de muestras de partículas.

04-10-2014

10

14-10-2014

31.

Evaluación críticos.

procesos

14-10-2014

20

03-11-2014

44 41. Determinación de la velocidad de transporte.

03-11-2014

15

18-11-2014

55

de planos (puntos de

18-11-2014

10

28-11-2014

61.

Cálculo de vías de extracción y posición del ventilador (pérdidas de carga).

28-11-2014

10

08-12-2014

7

Cálculo y diseño del ventilador. Cálculo y diseño del ciclón.

08-12-2014

10

18-12-2014

18-12-2014

10

28-12-2014

81.

Generación de planos e isométricos del sistema

28-12-2014

15

12-01-2015

91.

Elaboración del informe sintetizando el trabajo realizado en las tareas anteriores

12-01-2015

20

01-02-2015

51. Generación preliminares extracción).

1.

Carta Gantt

de

18/09/14 08/10/14 28/10/14 17/11/14 07/12/14 27/12/14 16/01/15 05/02/15 Tarea 1 Tarea 2 Tarea 3 Tarea 4 Tarea 5 Tarea 6 Tarea 7 Tarea 8 Tarea 9 Tarea 10

Nomenclatura Símbolo

Parámetro

l

Largo

s

Sección

D

Diámetro

R

Radio

Q V´

Caudal Flujo volumétrico

hp

Pérdidas primarias

hs

Pérdidas secundarias

g

Aceleración de gravedad

Ce

Coeficiente de entrada

Vt

Velocidad de transporte

e

Espesor

r δ

Rugosidad

V

Volumen

Densidad

Referencias Bibliográficas  

Alejandro Sotomayor Brulé, Universidad Austral De Chile. ALDEN, John L. Design oí industrial exhaust systems. 3rd. ed. o New York, The Industrial Press, 1959.



STREETER, Victor L. Mecánica de los fluídos. New York,



Mc Graw.Hill Book Company, 1963.



ACADEMIA HÜTTE DE BERLIN. Hütle Manual del Ingeniero. o 28a. ed., Barcelona, Gustavo Gili, 1968. 2 vol.



Informe técnico (1974) “Extracción neumática de residuos de elaboración de maderas”, Instituto forestal.



Congreso Conamet (2004) “Transporte neumático de sólidos en tuberías a granel” El Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Técnica Federico Santa



Claudio Mataix() “Máquinas Hidráulicas”



Universidad de Chile “Cuantificación de residuos forestales y su impacto en la generación de biocombustibles”



F. Cabrejos and G. Klinzing, “Minimum Conveying Velocity in Horizontal Pneumatic Transport and the Pickup and Saltation Mechanisms of Solids Particles”, Bulk Solids Handling, Vol. 14, No. 3 (1994), pp. 541-550.



F. Cabrejos and G. Klinzing, “Incipient Motion of Solid Particles in Horizontal Pneumatic Conveying”, Powder Technology, Vol. 72 (1992), pp. 51-61.



M. I. Jofré, “Diseño e Implementación de un Sistema Experimental para el Transporte Neumático de Materiales Sólidos a Granel”, memoria para optar al título de Ingeniero Mecánico Industrial, UTFSM, Oct. 2003.



J. Rojas, “Características del Transporte de Materiales Sólidos a Granel en un Sistema Neumático”, memoria para optar al título de Ingeniero Mecánico Industrial, UTFSM, Nov. 2003.



M. Weber, “Principles of Hydraulic and Pneumatic Conveying in Pipes”, Bulk Solids Handling, Vol. 1, No.1, Feb. 1981, pp. 57-63.