UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL Campus Santo Domingo
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
Tesis previa la obtención del título de INGENIEROS ELECTROMECÁNICOS
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA NEUMÁTICO PARA EL TRANSPORTE DE GRANOS CONTROLADO MEDIANTE SISTEMA SCADA A UTILIZARSE EN EL LABORATORIO DE FLUIDOS UTE 2009.
Estudiantes: JORGE MANUEL TOLEDO GARCÍA MARLON ROMEO ESTRELLA QUISHPE
Director de tesis ING. JAVIER DÍAZ.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA NEUMÁTICO PARA EL TRANSPORTE DE GRANOS CONTROLADO MEDIANTE SISTEMA SCADA A UTILIZARSE EN EL LABORATORIO DE FLUIDOS UTE 2009.
Ing. Javier Díaz
DIRECTOR DE TESIS ---
APROBADO
Ing. Marcelo Estrella
PRESIDENTE DE TRIBUNAL ---
Ing. Jorge Terán
MIEMBRO DE TRIBUNAL ---
Ing. Holger Zapata
MIEMBRO DE TRIBUNAL ---
Del contenido del presente documento se responsabiliza los autores.
……… JORGE TOLEDO
……… MARLON ESTRELLA
Autor: Jorge Manuel Toledo García
Marlon Romeo Estrella Quishpe
Institución: Universidad Tecnológica Equinoccial Campus Arturo Ruiz Mora Santo Domingo
Titulo de tesis: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA NEUMÁTICO PARA EL TRANSPORTE DE GRANOS CONTROLADO MEDIANTE SISTEMA SCADA A UTILIZARSE EN EL LABORATORIO DE FLUIDOS UTE 2009.
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL Santo Domingo
INFORME DEL DIRECTOR DE TESIS
Yo, Ing. Javier Díaz, en calidad de Director de Tesis del tema “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA NEUMÁTICO PARA EL TRANSPORTE DE GRANOS CONTROLADO MEDIANTE SISTEMA SCADA A UTILIZARSE EN EL LABORATORIO DE FLUIDOS UTE 2009”, realizada por los Sres. Jorge Manuel Toledo García; Marlon Romeo Estrella Quishpe para optar por el Título de INGENIERO ELECTROMECÁNICO, doy fe que el presente trabajo de investigación ha sido dirigido y revisado en todas sus partes, por lo cual autorizo su respectiva presentación.
Santo Domingo, 17 de noviembre del 2011.
Atentamente,
DEDICATORIA
Dedico esta tesis a toda mi familia, mis padres Manuel y Zoila, mis hermanas Fanny, Vanessa y Melanyn.
A todos ellos por la ayuda en todo momento, ellos que de una u otra forma estuvieron apoyándome a seguir adelante y lograr este objetivo.
Jorge Toledo
Esta tesis está dedicada a toda mi familia a mis padres, Fabián, Zoila, a mis hermanos Alex, Miguel, Victoria a mi hermana política, Ligia y a mis sobrinos Danna, Mateo y a dos personas muy especiales que no se encuentran ya físicamente con nosotros pero el recuerdo de su amor y cariño siempre estará presente en mi vida.
A toda mi familia en general por brindarme su amor y cariño en todo este tiempo, con el único fin de alcanzar mis metas establecidas en la vida……….. Gracias por todo.
AGRADECIMIENTO
Un agradecimiento muy especial a Dios y a toda mi familia por permitirme haber llegado hasta estas instancias de mi vida.
Además este trabajo no se habría podido realizar sin la ayuda de nuestro director de tesis el Ing. Javier Díaz, agradecimiento especial también para el Ing. Carlos Jarama que con sus conocimientos nos apoyo para culminar este trabajo.
Jorge Toledo
Le agradezco a Dios mi señor por darme salud, vida y permitirme llegar a este momento de mi vida en la cual veo cumplido mi objetivo de ser profesional.
También un agradecimiento especial a todas los personas que en una u otra forma nos ayudaron a la realización de este trabajo de titulación al Ing. Javier Díaz en calidad de director de tesis a mi tío Ing. Gonzalo Estrella e Ing. Carlos Jarama por ayudarnos con sus conocimiento y experiencia en la construcción del proyecto de tesis…………gracias a todos.
Portada ... i
Hoja de sustentación y aprobacion de los integrantes del tribunal ... ii
Hoja de responsabilidad del autor ... iii
Informe de aprobación del director del Plan de Titulación ... iv
Dedicatoria ... v
Agradecimiento ... vi
Indice ... vii
Resumen ejecutivo ... xiv
Summary executive ... xv
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN 1.1. Antecedentes ... 2
1.1.1. Antecedentes históricos ... 2
1.1.2. Antecedentes científicos ... 2
1.1.3. Antecedentes prácticos ... 3
1.1.4. Importancia del Estudio ... 4
1.1.5. Situación actual del tema de investigación ... 4
1.2. Limitaciones del estudio. ... 5
1.3. Alcance del trabajo ... 5
1.4. Objeto del estudio ... 6
1.5. Objetivos ... 6
1.5.1. General ... 6
1.5.2. Específicos ... 6
1.6. Justificación ... 7
1.7. Idea a defender del estudio ... 8
1.8. Aspectos metodológicos del estudio ... 8
1.8.1. Tipo de estudio. ... 8
1.9. Población. ... 10
CAPÍTULO II MARCO DE REFERENCIA 2.1 Sistemas de ventilación. ... 11
2.1.1 Definición de Ventilación. ... 11
2.1.2 Funciones de la Ventilación. ... 11
2.2. Ventiladores. ... 12
2.2.1. Introducción ... 12
2.2.2. Clasificación de los ventiladores. ... 12
2.2.3. Circulación del aire ... 19
2.3. Ductos. ... 20
2.4. Ciclones. ... 21
2.4.1. Descripción ... 21
2.4.2. Tipos de ciclones. ... 22
2.4.3. Principio de funcionamiento. ... 24
2.4.4. Familia de ciclones. ... 27
2.4.5. Cálculo de un ciclón. ... 31
2.4.6. Aplicaciones ... 34
2.5. Filtro de mangas. ... 36
2.5.1. Descripción. ... 36
2.5.2. Tipos de filtro de mangas. ... 37
2.5.3. Principio de funcionamiento ... 38
2.5.4. Cálculo de un filtro de mangas. ... 40
2.5.5. Aplicaciones ... 40
2.6. Dosificadores de granos. ... 41
2.6.1. Válvulas rotativas o esclusas. ... 41
2.7.3. Ventajas del transporte neumático ... 44
2.7.4. Clasificación de los sistemas de transporte neumático. ... 46
2.7.5. Sistemas de transporte neumático de presión, vacío y combinación presión - vacío ... 48
2.7.6. Componentes de los sistemas de fase diluida y densa. ... 51
2.7.7. Componentes y equipos de un sistema de fase diluida. ... 51
2.8. PLC’S ... 52
2.8.1. ¿Qué es un PLC? ... 52
2.8.2. Características sobresalientes de los PLC’S. ... 54
2.8.3. Ventajas de los PLC’S sobre la lógica a relés. ... 56
2.8.4. Estructura interna de un PLC. ... 57
2.8.5. Unidad de programación ... 62
2.8.6. Programación del PLC. ... 66
2.8.7. Creación de programas. ... 69
2.8.8. Instrucciones básicas. ... 72
2.9. Sistema SCADA ... 75
2.9.1. Introducción ... 75
2.9.2. Definición de SCADA ... 76
2.9.3. Unidades Maestras (Máster Terminal Units). ... 77
2.9.4. Adquisición de Datos... 81
2.10. Variadores de velocidad ... 83
2.10.1. Que es un variador de velocidad? ... 83
2.10.2. Motivos para emplear variadores de velocidad. ... 85
2.10.3. Tipos de variadores de velocidad ... 86
CAPÍTULO III CÁLCULO Y DISEÑO DE LA LÍNEA DE TRANSPORTE 3.1. Diseño de la Esclusa ... 93
3.1.1. Selección de la Esclusa ... 96
3.2. Selección del ventilador ... 110
3.2.1. Concepto del ventilador ... 110
3.2.2. Selección del Ventilador basado en su aplicación ... 111
3.3. Diseño de la línea de transporte. ... 116
3.3.1. Cálculo del diámetro de la línea de transporte. ... 117
3.3.2. Selección de la velocidad de transporte. ... 118
3.4. Cálculo de la caída de presión en la línea de transporte. ... 119
3.4.1. Pérdidas de presión en la Esclusa (ΔPe) ... 120
3.4.2. Pérdida de Presión en el Ciclón ... 120
3.4.2.1. Definición de Ciclón... 120
3.4.2.2. Diseño del ciclón ... 121
3.4.2.3. Pérdida de presión en el ciclón ... 124
3.4.3. Caída de presión en la conducción. ... 127
3.5. Equipos de descarga ... 144
3.5.1. Selección del filtro de polvo ... 146
3.6. Selección de la transmisión a cadena ... 146
3.6.1. Transmisión a cadena ... 147
3.6.2. Selección y cálculo de la transmisión a cadena ... 150
3.7. Sistema de control ... 158
CAPÍTULO IV CONSTRUCCIÓN Y ENSAMBLAJE DEL SISTEMA DE TRANSPORTE NEUMÁTICO DIDÁCTICO. 4.1. Construcción de la esclusa. ... 160
4.2. Construcción del ciclón. ... 161
4.3. Base para el ciclón. ... 162
4.7. Elementos utilizados en la línea de transporte. ... 164
4.7.1. Tuberías. ... 164
4.7.2. Codos. ... 165
4.7.3. Tés ... 166
4.7.4. Difusor de enlace redondo a rectangular. ... 166
4.8. Ventilador centrifugo. ... 167
4.9. Motorreductor. ... 168
4.10. Transmisión y acople esclusa – motorreductor. ... 169
4.11. Variador de velocidad. ... 169
4.12. PLC. ... 170
4.13. Contactor. ... 171
4.14. Sensores. ... 171
4.15. Breaker trifásico. ... 172
4.16. Portafusibles. ... 173
4.17. Acople de elementos en el tablero de control. ... 173
4.18. Programación del Variador de Velocidad. ... 177
4.19. Programación del PLC ... 177
4.20. Diseño del sistema Scada. ... 177
4.20.1. Inicio con MC-Worx. ... 178
4.20.2. Uso de herramientas MC-Worx. ... 181
4.20.3. Enlace con el OPC Server. ... 184
4.21. Ensamblaje completo del sistema de transporte didáctico. ... 187
CAPÍTULO V PRUEBAS Y RESULTADOS. 5.1. Determinación del diagrama de estado en vacio. ... 189
5.2. Determinación del diagrama de estado con la soya. ... 190
del aire para transporte. ... 193
5.6. Interpretación de los diagramas de estado. ... 193
CAPÍTULO VI COSTOS DEL EQUIPO DIDÁCTICO. 6.1. Costos de la línea de transporte. ... 196
6.2. Costos de parte mecánica. ... 197
6.3. Costos de la parte eléctrica. ... 196
6.4. Costo Total del Sistema de Transporte. ... 199
CAPÍTULO VII MANUAL DE FUNCIONAMIENTO Y MANTENIMIENTO. 7.1. Principio de funcionamiento. ... 200
7.2. Funcionamiento del sistema de transporte neumático. ... 201
7.2.1. Encendido del equipo. ... 202
7.2.2. Variación de velocidad del blower. ... 204
7.2.3. Visualización de la pantalla terminada ... 223
7.3. Mantenimiento de los elementos que conforman el sistema de transporte neumático. ... 207
7.3.1. Motorreductor. ... 207
7.3.2. Transmisión por cadena ... 207
7.3.3. Esclusa. ... 209
7.3.4. Ciclón. ... 209
7.3.5. Variador de velocidad... 209
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
8.1. Conclusiones. ... 211
8.2. Recomendaciones. ... 214
BIBLIOGRAFIA. ... 216
ANEXOS. ... 219
RESUMEN EJECUTIVO
El presente trabajo trata sobre el diseño y construcción de un sistema neumático para el transporte de granos, e implementarse en el laboratorio de Fluidos de la UTE, para que sea utilizado por los estudiantes como un sistema didáctico.
En el Capítulo I esta detallado la justificación y objetivos del estudio.
En el Capítulo II, se habla sobre lo relacionado con el problema y todo lo que permita sustentar el tema de estudio a tratarse en esta tesis.
En el Capítulo III, consta un resumen de la situación actual del laboratorio de Fluidos UTE, además el cálculo y diseño de la línea de transporte, primero se selecciona y calcula la esclusa, ciclón, motorreductor con sus piñones y diámetro de la tubería, luego se determinan las caídas de presión en todo el sistema, con esto se selecciona el ventilador adecuado.
El Capítulo IV habla sobre cómo se construyó y ensamblo el sistema de transporte neumático, igualmente cómo se diseño el sistema SCADA.
Las pruebas y resultados obtenidos en este estudio se detallan en el Capitulo V.
En el Capítulo VI están los costos de todo el equipo didáctico.
Se realizo el manual de funcionamiento y mantenimiento de los equipos más importantes como son el motorreductor, ventilador, esclusa, piñones, variador de velocidad y PLC, esto consta en el Capítulo VII.
SUMMARY EXECUTIVE
The present work tries on the design and construction of a pneumatic system for the transport of grains, and to be implemented in the laboratory of Fluids of the UTE, so that it is used by the students like a didactic system.
In the Chapter I this detailed one the justification and objectives of the study.
In the Chapter II, it is talked about the related with the problem and all that allows to sustain the study topic to be in this thesis.
In the Chapter III, it consists a summary of the current situation of the laboratory of Flowing UTE, also the calculation and design of the line of transport, first it is selected and it calculates the sluice, hurricane, motorreductor with their pinenuts and diameter of the pipe, then the falls of pressure are determined in the whole system, with this the appropriate fan is selected.
The Chapter IV speaks on how it was built and I assemble the system of transport tire, equally how you design the system SCADA.
The tests and results obtained in this study are detailed in the I Surrender V.
In the Chapter I SAW the costs of the whole didactic team are.
One carries out the operation manual and maintenance of the most important teams as they are the motorreductor, fan, sluice, pinenuts, variador of speed and PLC, this consists in the Chapter VII.
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
En la carrera de Ingeniería Electromecánica de la Universidad Tecnológica Equinoccial, se trabaja arduamente en incrementar la calidad de la formación del profesional, considerando como fundamental la formación de habilidades prácticas y profesionales en los educandos. Uno de los aspectos en los que con más énfasis se ha trabajado, lo constituye la realización de prácticas de laboratorios las cuales permitan demostrar los conocimientos adquiridos en las aulas con los prácticos y con esto se garantice un completo aprendizaje teórico-práctico de los estudiantes de Ingeniería Electromecánica en lo que se refiere al Área de Fluidos y Neumática.
Esto depende mucho de la cantidad y calidad de equipos e implementos que existan en el Laboratorio de Fluidos para los estudiantes de Ingeniería Electromecánica, caso contrario dichos estudiantes condicionarían sus conocimientos prácticos por la falta de equipos didácticos que aportan a que no se obtengan la suficiente experiencia en la solución de problemas de equipos o maquinarias, ya que hoy en día y a futuro todas las industrias lo que necesitan son profesionales que ayuden a generar ideas y solucionar problemas.
Electromecánica los cuales les permita su adaptación a la sociedad y su preparación para enfrentar nuevos desafíos.
1.1. Antecedentes
1.1.1. Antecedentes Históricos
Fue en Inglaterra y en Alemania donde primeramente se emprendieron los trabajos encaminados a obtener un sistema de transporte neumático para la molienda del trigo. Una de las primeras realizaciones de este tipo, fue aplicada hace alrededor de cuarenta años en un molino de Ingles, pero resulto de un consumo de energía muy elevado, por lo que durante muchos años no despertó el interés de los molineros.
Desde hace 20 años, la industria molinera introdujo el transporte neumático para los productos de la molienda, sustituyendo al transporte con elevadores de cangilones.
En la actualidad se observa que la tecnología del transporte neumático, esta poco definida en muchos de sus aspectos reduciéndose el tratamiento de los mismos al uso de expresiones empíricas.
1.1.2 Antecedentes científicos
granel presurizados; sistemas de transporte e inyección neumática de concentrado de cobre seco a convertidores Teniente, y sistemas similares para carbón pulverizado que alimentan calderas y hornos; sistemas de transporte neumático de fertilizantes, yeso, coke, cenizas, sal, alimentos, granos, aserrín, etc. En plantas de procesos; sistemas de captación y transporte neumático de polvo; etc.1
1.1.3 Antecedentes prácticos
Para demostrar que el estudio propuesto posee un sustento practico ya probado se dará un resumen breve de un artículo ya realizado.
Tema.- Transporte neumático de materiales sólidos a granel2.
A modo de ejemplo, la Figura 1.1 muestra esquemáticamente los componentes básicos de un sistema de transporte neumático en fase diluída, continuo y de baja presión positiva (inferior a 1 bar).
Figura 1.1: Esquema de un sistema de transporte en fase diluida y de baja presión positiva.
Fuente:Congreso Conamet/Sam 2004
En este tipo de sistemas de transporte neumático, el material es transportado en suspensión dentro de la cañería, las partículas se distribuyen uniformemente en toda la sección transversal de la cañería (flujo homogéneo),
1 Congreso Conamet/Sam 2004
2 Francisco Cabrejos, María Isabel Joffre y Jorge Rojas, Universidad Técnica Federico Santa
la concentración de sólidos es relativamente baja (inferior a 10 Kg de sólidos por kg de gas) y la velocidad de transporte es relativamente alta.
El soplador provee el flujo y la presión de aire necesario para transportar al material desde el punto de alimentación hasta el punto de descarga.
El alimentador introduce las partículas sólidas dentro de la cañería donde se mezclan con el gas de transporte y a un flujo controlado para evitar sobrecargar la línea.
Sistemas de presión positiva requieren de un mecanismo de sello para alimentar el material (generalmente a presión ambiente) dentro de la cañería que está presurizada. En el ejemplo se muestra además un tornillo de flujo másico como alimentador (para asegurar flujo másico de descarga en el silo), una válvula rotatoria tipo ‘airlock’, una tee en la unión con la cañería, los silos de almacenamiento, la cañería, codos y un filtro de mangas.
1.1.4 Importancia del estudio
Con el diseño y construcción de un sistema neumático para el transporte de granos a utilizarse en el laboratorio de fluidos Ute 2009, se lograra ayudar a los estudiantes de Ingeniería Electromecánica que generen respuesta a los cambios que exigen las Industrias tanto de nuestro medio como externo, y mejoren sus conocimientos, habilidades y actitudes practicas en la parte mecánica, permitiéndoles su rápida adaptación a la sociedad profesional y su preparación para enfrentar nuevos desafíos en el medio el cual se desarrollan.
1.1.5 Situación actual del tema de investigación
botellas plásticas y/o latas de cerveza, transporte neumático de cubos de hielo en minas subterráneas en Sudáfrica, transporte de pellets para alimentar salmones, etc.
En Chile, quizás una de las aplicaciones más relevantes sea el transporte e inyección neumática de concentrado de cobre seco a los convertidores teniente en que el material es introducido al reactor bajo el baño de material fundido, con alta presión y capacidades de 100 ton. Otra aplicación muy común es el uso de camiones tolva presurizados para el transporte a granel de diversos materiales tales como cal, cemento, carboncillo, azúcar, harina, yeso, etc. Y en que la descarga de la tolva a los silos de almacenamiento se realiza en forma neumática3.
1.2. Limitaciones del estudio
El sistema neumático para transporte de granos a construirse en este estudio está limitado a que solo es un sistema didáctico lo cual permitirá a los estudiantes conocer el funcionamiento y procesos de sistemas neumáticos y transporte, es decir únicamente para uso de laboratorio y no para uso industrial.
1.3. Alcance del trabajo
El diseño y construcción de un equipo didáctico de transporte neumático para implementar en el Laboratorio de Fluidos de la Universidad Tecnológica Equinoccial, permitirá que los estudiantes enriquezcan sus conocimientos en los que se refiere a sistemas de fluidos, y esto a su vez contribuya en el
correcto desenvolvimiento de actividades dentro de las industrias. Esto ayudara al estudiante a enfrentar de mejor manera la competencia y poder lograr prestigio tanto para la universidad como para el estudiante en sí.
1.4. Objeto de estudio
Diseño y construcción de un sistema neumático para el transporte de granos, para demostrar los conocimientos teóricos de los estudiantes de ingeniería electromecánica que estudian mecánica de fluidos en la UTE 2009.
1.5. Objetivos
1.5.1 General
Diseñar y construir un sistema neumático para el transporte de granos, para demostrar los conocimientos teóricos de los estudiantes de ingeniería electromecánica que estudian mecánica de fluidos en la UTE 2009.
1.5.2 Específicos
1.5.2.1 Determinar la situación actual del Laboratorio de Fluidos UTE.
1.5.2.2 Determinar los parámetros necesarios para el diseño y construcción del sistema neumático para el transporte de granos
1.5.2.3 Diseñar el sistema Scada (software) que se va a utilizar en este sistema.
1.5.2.4 Seleccionar cada uno de los componentes mecánicos y eléctricos a utilizarse en la construcción del sistema neumático para transporte de granos de acuerdo a los parámetros de diseño.
1.5.2.6 Realizar pruebas de funcionamiento del sistema.
1.5.2.7 Registrar los resultados de las prueba de funcionamiento del sistema en tablas.
1.5.2.8 Analizar el costo de todo el sistema.
1.5.2.9 Elaborar un manual mantenimiento básico y prácticas de todo el sistema.
1.6. Justificación
Para la realización de este estudio se debe enmarcar en todos los conocimientos de Neumática, calculo y diseño relacionados con sistema de transporte neumático, diseño mecánico, diseño asistido por computadora (Autocad), dibujo técnico,propiedades físicas de los materiales a transportarse, fundamentos del flujo de fluidos, diseño de tuberías, tipo de flujo desarrollado en la cañería, velocidad mínima de transporte del material, relación de carga y la caída de presión en función de la velocidad de transporte.
Como aporte metodológico se aplicara las técnicas de consulta a expertos, revisión de archivos documentos y literatura, trabajo de campo, Modelos matemáticos y como respaldo el Autocad y otros.
1.7. Idea a defender del estudio
¿Con la construcción de un sistema neumático para el transporte de granos se logrará demostrar los conocimientos teóricos de los estudiantes de ingeniería electromecánica que estudian mecánica de fluidos en la UTE 2009?
1.8. Aspectos metodológicos del estudio
1.8.1. Tipo de Estudio
• Descriptivo.- Se va a diagnosticar la situación actual en que se encuentran las variables, características y parámetros técnicos para el diseño y construcción de sistemas neumáticos.
• Correlacional.- Se construirá un modelo mecánico el cual permitirá comparar variables como presión, velocidad, volumen en las tuberías del sistema.
• Experimental.- Se construirá un modelo mecánico para poder comparar características con otros modelos similares si es posible.
• Validación.- Se deberá comprobar que dicho modelo funcione correctamente y cumpla todos los requerimientos necesarios para el cual se construyó.
1.8.2. Métodos de Investigación.
• Inductivo – Deductivo.- Se va a realizar un proceso de conocimiento que se inicia por la observación de fenómenos particulares con el propósito de llegar a conclusiones generales, que pueden ser aplicadas a situaciones similares a la observada.
• Método de Síntesis.- Para relacionar los elementos componentes del problema y crear explicaciones a partir del estudio.
1.8.3. Fuente de datos.
Primarias.
• Observación.
• Entrevista.
Secundarias.
• Textos.
• Revistas.
• Documentos (Manuales).
• Internet.
1.8.4. Técnicas utilizadas.
Entrevistas.- Ayudará a recopilar datos sobre elementos constitutivos que
ayuden al diseño del sistema.
Revisión de Archivos.- Necesarios para obtener información sobre
parámetros necesarios para la selección de sistemas neumáticos.
Revisión de Documentos.- Para consultar en manuales de sistemas
neumáticos, fluidos, diseño mecánico y todo lo necesario que ayude a la realización de este trabajo.
Consulta a Expertos.- Para obtener información teórica y práctica sobre
sistema de transporte neumático, y en complemento con los resultados obtenidos ayude a generar propuestas.
Software.- Microsoft Office, Scada, AutoCAD, Solid Works, otros.
Trabajo de Campo.- Para análisis correspondientes, investigación y
construcción del sistema neumático para el transporte de sólidos.
1.9. Población
CAPÍTULO II
MARCO DE REFERENCIA
2.1. Sistemas de ventilación.
2.1.1. Definición de Ventilación.
La ventilación puede definirse como la técnica de sustituir el aire ambiente interior de un recinto, el cual se considera indeseable por falta de temperatura adecuada, pureza o humedad, por otro que aporta una mejora.
Esto es logrado mediante un sistema de ingestión de aire y otro de extracción, provocando a su paso un barrido o flujo de aire constante, el cual se llevará a su paso todas las partículas contaminadas o no deseadas.
Fig. 2.1 Flujo de aire
Fuente:http://www.ventdepot.com/mexico/formas/index.html
2.1.2. Funciones de la Ventilación.
Entre las funciones básicas para los seres vivos, humanos o animales, la ventilación nos resuelve funciones vitales como la provisión de oxígeno para la respiración, así como el control del calor que producimos.
2.2. Ventiladores.
2.2.1. Introducción
Un ventilador es una turbo máquina que se caracteriza porque el fluido impulsado es un gas (fluido compresible) al que transfiere una potencia con un determinado rendimiento.
A pesar de que no existe convenio alguno universalmente adoptado; los ventiladores pueden subdividirse en cuatro grupos:
a. ventiladores de baja presión: hasta una presión del orden 200 milímetros columnas de agua (mm. C agua= 9.8 Pa) (ventiladores propiamente dichos).
b. ventiladores de media presión: entre 200 y 800 mm. C agua (soplantes) c. ventiladores de alta presión: entre 800 y 2500 mm. C agua (turbo
axiales)
d. ventiladores de muy alta presión, mayor a 2500 mm. C agua (turbocompresores)
2.2.2. Clasificación de los ventiladores.
En función de la trayectoria del fluido, todos estos ventiladores se pueden clasificar en:
a. de flujo radial (centrífugos).
b. de flujo semi-axial (helico-centrífugos). c. de flujo axial.
a.- Ventiladores radiales (centrífugos)
En los ventiladores centrífugos la trayectoria del fluido sigue la dirección del eje del rodete a la entrada y está perpendicular al mismo a la salida. Si el aire a la salida se recoge perimetralmente en una voluta, entonces se dice que el ventilador es de voluta.
Fig. 2.2 Configuración típica de sendos rodetes: radial
Fuente:www.mf-ct.upc.es
Estos ventiladores tienen tres tipos básicos de rodetes: a. álabes curvados hacia adelante,
b. álabes rectos,
c. álabes inclinados hacia atrás/curvados hacia atrás.
Los ventiladores de álabes curvados hacia adelante (también se llaman de jaula de ardilla) tienen una hélice o rodete con las álabes curvadas en el mismo sentido que la dirección de giro. Estos ventiladores necesitan poco espacio, baja velocidad periférica y son silenciosos. Se utilizan cuando la presión estática necesaria es de baja a media, tal como la que se encuentran en los sistemas de calefacción, aire acondicionado o renovación de aire, etc. No es recomendable utilizar este tipo de ventilador con aire polvoriento, ya que las partículas se adhieren a los pequeños álabes curvados y pueden provocan el desequilibrado del rodete.
en la instalación para no sobrecargarlo. En general son bastante inestables funcionando en paralelo vista su característica caudal-presión.
Fig. 2.3 Ventiladores centrífugos de álabes curvados hacia delante, radiales y atrás.
Fuente:www.mf-ct.upc.es
Los ventiladores centrífugos radiales tienen el rodete con los álabes dispuestas en forma radial. La carcasa está diseñada de forma que a la entrada y a la salida se alcanzar velocidades de transporte de materiales. Existen una gran variedad de diseños de rodetes que van desde los de “alta eficacia con poco material” hasta los de “alta resistencia a impacto”. La disposición radial de los álabes evita la acumulación de materiales sobre las mismas. Este tipo de ventilador es el comúnmente utilizado en las instalaciones de extracción localizada en las que el aire contaminado con partículas debe circular a través del ventilador. En este tipo de ventiladores la velocidad periférica es media y se utilizar en muchos sistemas de extracción localizada que vehicular aire sucio o limpio.
Fig.2.4 Triángulos de velocidades a la salida para los distintos rodetes centrífugos
Los ventiladores centrífugos de álabes curvados hacia atrás tienen un rodete con los álabes inclinados en sentido contrario al de rotación.
Este tipo de ventilador es el de mayor velocidad periférica y mayor rendimiento con un nivel sonoro relativamente bajo y una característica de consumo de energía del tipo “no sobrecargable”.
En un ventilador “no sobrecargable”, el consumo máximo de energía se produce en un punto próximo al de rendimiento óptimo de forma que cualquier cambio a partir de este punto debido a cambios de la resistencia del sistema resultará en un consumo de energía menor.
La forma de los álabes condiciona la acumulación de materiales sobre ellas, de forma que el uso de estos ventiladores debe limitarse como se indica a continuación:
• álabes de espesor uniforme: Los álabes macizos permiten el trabajo
con aire ligeramente sucio o húmedo. No debe emplearse con aire conteniendo materiales sólidos ya que tienen tendencia a acumularse en la parte posterior de los álabes.
• álabes de ala portante: Las álabes de ala portante permiten mayores
Fig. 2.5 Curvas características relativas para ventiladores centrífugos.
Fuente: www.mf-ct.upc.es
b.- Ventiladores helico-centrífugos.
Son los que están intermedios entre los axiales y centrífugos, el aire entra como en los axiales y sale igual que en los centrífugos.
Fig. 2.6 Ventiladores helico-centrífugos.
c.- Ventiladores axiales
Los ventiladores axiales están compuestos básicamente de un rotor de dos a 13 paletas, solidario a un eje propulsor movido por un motor que impulsa aire en una trayectoria recta, con salida de flujo helicoidal.
Existen tres tipos básicos de ventiladores axiales: Helicoidales, tubulares y tubulares con directrices (turbo-axiales).
Los ventiladores helicoidales se emplean para mover aire con poca pérdida
de carga, y su aplicación más común es la ventilación general. Se construyen con dos tipos de alabes: alabes de disco para ventiladores sin ningún conducto; y alabes estrechas para ventiladores que deban vencer resistencias bajas (menos de 25 mm. c agua).
Los ventiladores tubulares disponen de una hélice de álabes estrechos de
sección constante o con perfil aerodinámico (ala portante) montada en una carcasa cilíndrica, generalmente no disponen de ningún mecanismo para enderezar el flujo de aire. Los ventiladores tubulares pueden mover aire venciendo resistencias moderadas (menos de 50 mm. c agua).
Los ventiladores turbo-axiales con directrices tienen una hélice de álabes con
perfil aerodinámico (ala portante) montado en una carcasa cilíndrica que normalmente dispone de aletas enderezadoras del flujo de aire en el lado de impulsión de la hélice. Éstos tienen un rendimiento superior y pueden desarrollar presiones superiores (hasta 600 mm. c agua).
Han de ser calculadas adecuadamente pues, aunque mejoran las características del flujo del aire haciendo que el ventilador trabaje en mejores condiciones, producen una pérdida de presión adicional que puede condicionar el resto de la instalación.
Fig.2.7 Efecto de las directrices sobre las líneas de corriente a entrada y salida del rodete axial
Fuente: www.mf-ct.upc.es
d.- Ventiladores especiales
Entre ellos:
• Ventiladores centrífugos de flujo axial: Constan de un rodete con álabes inclinados hacia atrás montado en una carcasa especial que permite una instalación como si se tratara de un tramo recto de conducto. Las características son similares a las de un ventilador centrífugo normal con el mismo tipo de rodete.
Fig. 2.8 Ventilador centrífugo de flujo axial
• Extractores de techo: Son equipos compactos que pueden ser de tipo axial o centrífugo. Estos equipos se pueden suministrar con deflectores que conducen el aire de salida hacia arriba o hacia abajo.
Fig.2.9 Ventiladores axiales clasificados en función de su uso.
Fuente: www.mf-ct.upc.es
2.2.3. Circulación del aire
El aire circula por un conducto gracias a la diferencia de presión que existe entre sus extremos.
2.3. Ductos.
Los ductos tiene como función principal el transportar fluidos, tanto líquidos como gases. Sus principales materiales de construcción son de hierro fundido dúctil, acero, cobre, plomo, hormigón, polipropileno, PVC, entre otras.
• Tuberías.
estar libres de arrugas en su interior y requieren técnicas y equipos especiales para su doblado. Los acoplamientos de las tuberías pueden ser de tipo bridas convencionales o pueden tener acoplamientos tipos abrazadera.
Fig. 2.10 Codo de radio largo con acoplamiento rápido.
Fuente: http://tesis.pucp.edu.pe/tesis
2.4. Ciclones.
2.4.1 Descripción
Los ciclones son uno de los equipos más empleados dentro de las operaciones de separación de partículas sólidas de una corriente gaseosa, además de poder emplearse para separar sólidos de líquidos. Su éxito se debe en parte a que son equipos de una gran sencillez estructural debido a que no poseen partes móviles y a que apenas exigen mantenimiento.
El ciclón es esencialmente una cámara de sedimentación en que la aceleración gravitacional se sustituye con la aceleración centrifuga.
Fig. 2.11 Funcionamiento del ciclón
Fuente: www.mailxmail.com/curso-ciclones
Un separador ciclónico está compuesto básicamente por un cilindro vertical con fondo cónico, dotado de una entrada tangencial normalmente rectangular
La corriente gaseosa cargada con las partículas sólidas se introduce tangencialmente en el recipiente cilíndrico a velocidades de aproximadamente 30m/s, saliendo el gas limpio a través de una abertura central situada en la parte superior.
Por tanto, se observa que el modelo de flujo seguido por el gas dentro de los ciclones es el de un doble vórtice. Primero el gas realiza una espiral hacia abajo y por la zona exterior, para después ascender por la zona interior describiendo igualmente una hélice.
Fig. 2.12 Mecanismos de colección de partículas en un ciclón.
Las partículas de polvo, debido a su inercia, tienden a moverse hacia la periferia del equipo alejándose de la entrada del gas y recogiéndose en un colector situado en la base cónica.
Se trata de un equipo muy eficaz a menos que la corriente gaseosa contenga una gran proporción de partículas de diámetro inferior a unos 10 µm. Aunque se puedan emplear ciclones para separar partículas con diámetros mayores de 200 µm, esto no suele ser muy frecuente ya que los sedimentadores por gravedad o los separadores por inercia resultan normalmente más efectivos y menos sujetos a abrasión.
Las ventajas de ciclones son: a. Costo de capital bajo
b. Capacidad de funcionar en las altas temperaturas
c. Requisitos de mantenimiento bajos porque no hay piezas móviles.
Las desventajas de ciclones son:
a. Bajos rendimientos (especialmente para las partículas muy pequeñas) b. Altos gastos de explotación (debido a la energía requerida para superar
gota de presión).
2.4.2 Tipos de ciclones.
Fig. 2.13 Tipos de ciclones
Fuente: www.better.cl (a)- entrada tangencial y descarga axial (b)- entrada tangencial y descarga periférica (c)- entrada y descarga axiales
(d)- entrada axial y descarga periférica
Otra posible clasificación de los ciclones se puede realizar en función de su eficiencia.
La eficiencia de un ciclón está determinada en gran medida por su tamaño. Se ha comprobado que los ciclones de menor diámetro son los que proporcionan mejores eficacias en la separación de partículas. Asimismo se observa que la altura total del equipo también afecta a la eficacia, aumentando ésta con la altura.
Según este criterio se consideran los siguientes tipos: - muy eficientes (98 - 99%).
- moderadamente eficientes (70- 80%). - de baja eficiencia (50%).
2.4.3 Principio de funcionamiento.
En un ciclón, la trayectoria del gas comprende un doble vórtice, en donde el gas dibuja una espiral descendente en el lado externo y ascendente en el lado interno.
Las figuras 2.14 y 2.15 ilustran dichos vórtices.
Figura 2.14 Vórtices en el ciclón.
Fuente: www.mailxmail.com/curso-ciclones
Figura 2.15 Vórtices en el ciclón.
En un ciclón el gas entra en la cámara superior tangencialmente y desciende en espirales hasta el ápice de la sección cónica; luego asciende en un segundo espiral, con diámetro más pequeño, y sale por la parte superior a través de un ducto vertical centrado. Los sólidos se mueven radialmente hacia las paredes, se deslizan por las paredes, y son recogidos en la parte inferior.
Una vez que el gas penetra tangencialmente en el equipo se distinguen dos zonas de características distintas de movimiento:
• En la zona próxima a la entrada del gas y en aquella más exterior del cilindro predomina la velocidad tangencial, la velocidad radial es centrípeta y la axial de sentido descendente. La presión es relativamente alta.
• en la zona más interior del cilindro, correspondiente al núcleo del ciclón y con un diámetro aproximadamente igual a 0,4 veces el del conducto de salida del gas, el flujo es altamente turbulento y la presión baja. Se da el predominio de la velocidad axial con sentido ascendente.
Estas dos zonas se encuentran separadas por el llamado cilindro ideal de Stairmand.
Por tanto, cualquier partícula se encuentra sometida a dos fuerzas opuestas en la dirección radial, la fuerza centrífuga y la de rozamiento. Ambas fuerzas son función del radio de rotación y del tamaño de la partícula, por esta razón las partículas de tamaños distintos tienden a girar en órbitas de radios distintos.
Fig. 2.16 Parámetros de un ciclón
Fuente: www.diquima.upm.es/Investigacion/proyectos/chevic/catalogo/CICLONES Donde:
Fc: fuerza centrífuga Fd: fuerza de rozamiento Vt: velocidad tangencial Vr: velocidad radial r: radio de la órbita
Existe una órbita de diámetro 0,4De (siendo De el diámetro del cilindro concéntrico de salida de los gases), conocida como cilindro ideal de Stairmand, que separa la zona en la cual las partículas van a ser capturadas de aquella en la que los sólidos escapan junto con el gas.
Si la partícula sigue una trayectoria cuya órbita se encuentra dentro del cilindro de Stairmand y con una componente axial ascendente, la partícula abandonará el ciclón sin ser retenida. Si en caso contrario la órbita es exterior a este diámetro 0,4De, entonces la componente axial será descendente y la partícula acabará depositándose en el fondo del ciclón.
Fig. 2.17 Curva de eficacia de un ciclón
Fuente: www.diquima.upm.es/Investigacion/proyectos/chevic/catalogo/CICLONES
Son capaces de soportar condiciones de operación extremas, de esta forma las temperaturas pueden alcanzar los 1000ºC y presiones de hasta 500 atm.
Para un buen funcionamiento del ciclón se debe garantizar que la salida de las partículas se lleve a cabo con una cierta estanqueidad. Se debe impedir que el aire exterior penetre en el interior del ciclón provocando la dispersión de las partículas ya depositadas.
2.4.4 Familia de ciclones.
Los ciclones son un dispositivo de control de material, el diseño de un ciclón se basa en familias de ciclones que tienen proporciones definidas.
Las principales familias de ciclones de entrada tangencial son:
• Ciclones de alta eficiencia.
• Ciclones convencionales.
• Ciclones de alta capacidad.
Tabla 2.1. Intervalo de eficiencia de remoción para las diferentes familias de ciclones.
Eficiencia de remoción (%) Familia de
ciclones PST PM 10 PM 2,5
Convencionales 70 - 90 30 - 90 0 - 40 Alta eficiencia 80 - 99 60 - 95 20 - 70 Alta capacidad 80 - 99 10 - 40 0 - 10
Fuente: www.mailxmail.com/curso-ciclones PST = Total de partículas.
PM 10 = Material particulado menor a 10 micras. PM 2,5 = Material particulado menor a 2,5 micras.
Los ciclones de alta eficiencia están diseñados para alcanzar mayor remoción de las partículas pequeñas que los ciclones convencionales.
Los ciclones de alta eficiencia pueden remover partículas de 5 μm con eficiencias hasta del 90%, pudiendo alcanzar mayores eficiencias con partículas más grandes.
Los ciclones de alta eficiencia tienen mayores caídas de presión, lo cual requiere de mayores costos de energía para mover el gas sucio a través del ciclón.
Los ciclones de alta capacidad están garantizados solamente para remover partículas mayores de 20 μm, aunque en cierto grado ocurra la colección de partículas más pequeñas.
Se ha reportado que los multiciclones han alcanzado eficiencias de recolección de 80 a 95 % para partículas de 5 μm.
La figura 2.18 identifica las principales dimensiones del ciclón de entrada tangencial.
El diámetro del ciclón identifica la dimensión básica de diseño, todas las demás dimensiones simplemente son una proporción del diámetro del ciclón.
Tabla 2.2. Características de los ciclones de alta eficiencia.
Tipo de ciclón
Dimensión Nomenclatur
a Starmand Swift Echevem
Diámetro del ciclón Dc/Dc 1 1 1
Altura de entrada a/Dc 0,5 0,44 0,5 Ancho de entrada b/Dc 0,2 0,21 0,2 Altura de salida S/Dc 0,5 0,5 0,025 Diámetro de salida Ds/Dc 0,5 0,4 0,5 Altura parte cilíndrica h/Dc 1,5 1,4 1,5 Altura parte cónica z/Dc 2,5 2,5 2,5 Altura total del ciclón H/Dc 4 3,9 4
Diámetro salida partículas B/Dc 0,375 0,4 0,375 Factor de configuración G 551,22 698,7 585,71
# cabezas de velocidad NH 6,4 9,24 6,4
Numero de vórtices N 5,5 6 5,5
Figura 2.18 Dimensiones del ciclón
Fuente: www.mailxmail.com/curso-ciclones Tabla 2.3 Características de un ciclón
Tipo Del Ciclón
Eficacia Alta Convencional Alto Rendimiento de procesamiento
(1) (2) (3) (4) (5) (6)
Diámetro Del Cuerpo D/D 1 1 1 1 1 1
Altura de la entrada H/D 0,5 0,44 0,5 0,5 0,75 0,8
Anchura de la entrada W/D 0,2 0,21 0,25 0,25 0,375 0,35
Diámetro de la salida del gas De/D 0,5 0,4 0,5 0,5 0,75 0,75
Longitud del buscador del vórtice S/D 0,5 0,5 0,625 0,6 0,875 0,85
Longitud del cuerpo Lb/D 1,5 1,4 2 1,75 1,5 1,7
Longitud del cono Lc/D 2,5 2,5 2 2 2,5 2
Diámetro del enchufe del polvo Dd/D 0,375 0,4 0,25 0,4 0,375 0,4
Fig. 2.19 Dimensiones de un ciclón
Fuente: Lapple, 1951
2.4.5 Cálculo de un ciclón.
Los parámetros clave en el diseño de un ciclón son la eficiencia y la pérdida de carga.
Hasta ahora no se ha conseguido definir de manera teórica exacta el funcionamiento de un ciclón. La mayoría de las aproximaciones se hallan en la determinación del diámetro de partícula crítico, es decir, aquel diámetro a partir del cual todas las partículas mayores serían retenidas.
corriente gaseosa en el ciclón, sin considerar turbulencias ni efectos de mezclado.
La eficiencia se define a partir del diámetro de corte que equivale a aquel diámetro para el que la curva de eficiencia tiene un valor del 50%. Este valor constituye una medida del tamaño de las partículas capturadas.
2 1 2 9 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = part NVc Wi Dcorte ρ π μ (2.1) Donde:
Wi = Bc es una dimensión que representa el ancho de la entrada al ciclón, suele ser
función del diámetro del ciclón.
N es el número de vueltas que el gas realiza alrededor del ciclón antes de que salga
del área de captura, normalmente se toma N=5.
Vc es la velocidad del gas en la admisión del ciclón.
A partir de aquí se puede expresar el rendimiento con la siguiente ecuación, que representa de manera satisfactoria los datos experimentales.
(
)
(
)
22 1 Dcorte D Dcorte D + =
η (2.2)
Por otro lado, la pérdida de carga se puede representar por la siguiente ecuación: ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = Δ 2 2 gasVc K P ρ (2.3)
La velocidad típica en la admisión de un ciclón suele ser de 15-20 m/s. Esta velocidad se establece por motivos de pérdida de carga, para vencer la pérdida de carga existente se recurre a un ventilador o soplante.
Existen dos posibilidades de colocación del ventilador: bien en impulsión o bien en aspiración, colocándolo antes del ciclón en la primera opción o bien tras el ciclón en la segunda opción.
Lo normal es que las dimensiones de un ciclón guarden unas determinadas relaciones entre sí como muestra la figura siguiente:
Fig. 2.20 Proporciones de un separador ciclónico
Bc=Dc/4
De=Dc/2
Hc=Dc/2
Lc=2Dc
Sc=Dc/8
Zc=2Dc
Jc arbitrario, normalmente Dc/4
2.4.6 Aplicaciones
En general sus aplicaciones son muy parecidas a las de los filtros de mangas. Los ciclones se pueden emplear también como equipos de limpieza previos a los filtros de mangas y cuentan con la ventaja de que pueden ser diseñados para tratar con un rango de condiciones químicas y físicas más amplio que cualquier otro equipo de captación de partículas.
El siguiente esquema muestra una instalación para separar partículas de distintos tamaños y seleccionar aquel tamaño que interesa y que cumple las especificaciones requeridas:
Fig. 2.21 Aplicaciones de un ciclón
Los ciclones se pueden disponer bien en serie, buscando una mejor separación de los sólidos, o bien en paralelo si se ha de hacer frente a grandes caudales. Se suelen emplear para el control de la contaminación del aire de determinadas fuentes, tales como plantas generadoras de electricidad a partir de combustibles fósiles, en hornos de tostación, refinerías petrolíferas, molinos de pasta de papel e incineradores.
Entre las aplicaciones de los ciclones hay que destacar también las de los hidrociclones, muy utilizados por ejemplo para la depuración de aguas residuales y en otros sistemas de lavado.
Fig. 2.22 Empleo de un hidrociclón para la depuración de aguas residuales
Fuente: www.mailxmail.com/curso-ciclones
2.5. Filtro de mangas.
2.5.1 Descripción.
Los filtros de mangas son considerados como los equipos más representativos de la separación sólido-gas mediante un medio poroso. Su función consiste en recoger las partículas sólidas que arrastra una corriente gaseosa, esto se consigue haciendo pasar dicha corriente a través de un tejido.
los diámetros de éstas son extraordinariamente pequeños. Por tanto la filtración no comienza a efectuarse de manera efectiva hasta que no se han acumulado una cierta cantidad de partículas sobre la superficie de la bolsa en forma de torta filtrante.
Fig. 2.23 Funcionamiento del filtro de mangas
Fuente: www.better.cl
Así puede decirse que el sistema de filtración que se da en los filtros de mangas es análogo al de los filtros por torta, donde el medio filtrante actúa únicamente como soporte de la torta y es ésta la que realiza realmente la operación.
Fig. 2.24 Proceso de fluido del gas
La eliminación de polvo o de las pequeñas gotas que arrastra un gas puede ser necesaria bien por motivos de contaminación, para acondicionar las características de un gas a las tolerables para su vertido a la atmósfera, bien como necesidad de un proceso para depurar una corriente gaseosa intermedia en un proceso de fabricación. En ocasiones el condicionante de la separación será un factor de seguridad, ya que algunos productos en estado de partículas muy finas forman mezclas explosivas con el aire.
2.5.2 Tipos de filtro de mangas.
La característica principal que diferencia unos tipos de filtros de mangas de otros es la forma en que se lleve a cabo su limpieza. Esto además condiciona que los filtros sean continuos o discontinuos.
• Continuos: la limpieza se realiza sin que cese el paso del aire por el
filtro
• Discontínuos: es necesario aislar temporalmente la bolsa de la
corriente de aire.
Según este criterio, se tienen tres tipos principales de filtros de mangas:
Por sacudida: se realiza cuando existe la posibilidad de suspender el servicio
del filtro durante un corto periodo de tiempo. Por tanto, exige un funcionamiento discontinuo con un ciclo de filtración y otro de limpieza. El tipo más barato y sencillo consiste en un cierto número de bolsas reunidas en el interior de una carcasa. Funciona con una velocidad aproximada de 0,01 m/s a través de la bolsa filtrante. La limpieza se puede llevar a cabo manualmente para unidades pequeñas.
Por sacudida y aire inverso: se emplea para conseguir un funcionamiento en
mangas en sentido contrario por medio de un ventilador que fuerza el flujo, de fuera a dentro, lo que favorece la separación de la torta.
Por aire inverso: existen muchos dispositivos diferentes pero el mecanismo
habitual de limpieza consiste en la introducción, en contracorriente y durante un breve periodo de tiempo de un chorro de aire a alta presión mediante una tobera conectada a una red de aire comprimido. La velocidad frontal alcanza aproximadamente 0,05 m/s y es posible tratar altas concentraciones de polvo con elevadas eficacias. Mediante este tipo de filtro se pueden tratar mezclas de difícil separación en una unidad compacta y económica. Este mecanismo de limpieza se denomina también de chorros pulsantes o ‘jet pulse’ y es más eficaz que las anteriores.
Para seleccionar el tipo de manga, debe cumplir una serie de condiciones como:
• ser resistente química y térmicamente al polvo y al gas
• que la torta se desprenda fácilmente
• que la manga recoja el polvo de manera eficiente
• que sea resistente a la abrasión ocasionada por el polvo
• el caudal y la velocidad del gas
2.5.3 Principio de funcionamiento
La separación del sólido se efectúa haciendo pasar el aire con partículas en suspensión mediante un ventilador, a través de la tela que forma la bolsa, de esa forma las partículas quedan retenidas entre los intersticios de la tela formando una torta filtrante.
De esta manera la torta va engrosando con lo que aumenta la pérdida de carga del sistema.
• Una corriente de gas cargado de polvo entra al equipo, choca contra una serie de paneles y se divide en varias corrientes.
• Las partículas más gruesas se depositan directamente en el fondo de la tolva cuando chocan contra dichos paneles.
• Las partículas finas se depositan en la superficie del tejido cuando el gas pasa a través de la bolsa.
• Una vez que el gas ha sido filtrado, éste fluye (ya limpio) a través de la salida y se descarga a la atmósfera por medio de un ventilador.
Fig. 2.25 Proceso de funcionamiento de filtro de mangas
Fuente: www.diquima.upm.es/Investigacion/proyectos/chevic/catalogo/FILTROS
Operación de limpieza:
• Las partículas depositadas en la superficie de la bolsa se sacuden durante un breve periodo de tiempo por medio de aire comprimido inyectado desde una tobera hacia la bolsa, o bien de manera mecánica.
• El chorro de propulsión actúa periódicamente mediante un controlador automático de secuencia.
La eficacia del filtro será baja hasta que se forme sobre la superficie del tejido filtrante una capa que constituye el medio filtrante para la separación de partículas finas.
2.5.4 Cálculo de un filtro de mangas.
Los dos parámetros fundamentales a considerar en el diseño de un filtro de mangas son la velocidad del gas y la pérdida de carga.
La velocidad del gas es bastante reducida, por lo que se considera flujo laminar, y se puede aplicar la ecuación de Darci para calcular la velocidad de circulación del gas.
x P K V
Δ Δ =
μ (2.4)
Donde:
k es la permeabilidad del material filtrante, que en la mayoría de los casos se determina de manera experimental.
A la hora de determinar la capacidad de un filtro de mangas se debe tener en cuenta:
• la cantidad de gas a tratar
• si se van a disponer varios equipos en paralelo (práctica de extensa aplicación por su utilidad)
• si va a haber algún equipo parado durante el proceso (en operación de limpieza, por ejemplo).
2.5.5 Aplicaciones
Los filtros de mangas aparecen en todos aquellos procesos en los que sea necesaria la eliminación de partículas sólidas de una corriente gaseosa.
Cemento, yeso, cerámica, caucho, química, petroquímica, siderúrgica, automovilística, cal, minera, amianto, aluminio, hierro, coque, silicatos, almidón, carbón, anilina, fibras de granos, etc.
Fig. 2.26 Aplicación típica de un filtro de mangas en una planta de tratamiento de gas
Fuente: www.diquima.upm.es/Investigacion/proyectos/chevic/catalogo/FILTROS
2.6. Dosificadores de granos.
2.6.1 Válvulas rotativas o esclusas.
Fig. 2.27 Válvula rotativa.
Fuente: http://tesis.pucp.edu.pe/tesis
Esclusa de admisión
Especialmente diseñada para la admisión de producto en líneas de transporte neumático, nuestra válvula esclusa HSP permite lograr una mezcla ideal del producto con el aire existente en las tuberías de transporte. Su robusta construcción le confiere gran resistencia y capacidad para soportar altas presiones sin desgastarse. Además, la precisión de su mecanizado asegura una perfecta hermeticidad y sellado.
Aunque normalmente se fabrica en hierro fundido, existen esclusas con cromado interior y rotor endurecido, para el manejo de productos abrasivos.
Fig. 2.28 Esclusa de admisión a transporte neumático
2.7 Sistemas de transporte.
Un sistema de transporte neumático es una alternativa viable para los sistemas de transporte convencionales debido a que posee una gran flexibilidad en cuanto a dirección y distancia, así como una velocidad de transporte alta para grandes masas de material, y por último, la operación es silenciosa y segura. Por consecuencia, con el sistema de transporte neumático se ahorraría espacio y no interferiría con los demás sistemas existentes en el edificio de manipuleo.
2.7.1 Sistemas de transporte neumático.
Una de las técnicas más importantes para transportar materiales en la industria es el movimiento del material suspendido en un flujo de aire, entre distancias horizontales y verticales que varían de unos pocos metros a cientos.
2.7.2 Principio de funcionamiento
El transporte neumático se basa en el movimiento de sólidos en una corriente de aire a una velocidad determinada y en una dirección predeterminada.
El volumen y presión de aire necesarios se calculan en cada caso, en función de la distancia a recorrer y de la naturaleza del producto a transportar.
Una instalación de transporte neumático consta, en líneas generales, de los siguientes elementos:
• Ventilador centrífugo;
• Sistema de carga (tolva, válvula dosificadora, boquilla Venturi,...);
• Ciclón y sistema de descarga;
• Filtro de mangas;
2.7.3 Ventajas del transporte neumático
El transporte neumático ofrece positivas ventajas frente a otros sistemas mecánicos de transporte como cintas, tornillos sin-fin, elevadores de cangilones, etc. enumeramos a continuación algunas de ellas:
Seguridad de funcionamiento
¾ Únicamente necesita un elemento mecánico: el ventilador. de esta manera se reducen sus costos de mantenimiento.
¾ No se precisa desmontar la instalación en caso de averías.
¾ El diseño del ventilador permite sobrecargas sin peligro de quemar el motor.
¾ Mínimos gastos de conservación y mantenimiento.
¾ No existen mecanismos complicados ni órganos sujetos al desgaste.
Flexibilidad de montaje.
¾ La red de tuberías puede acomodarse a la configuración de sus instalaciones, sujetándose a los techos y paredes, aprovechando zonas muertas para dejar el mayor espacio útil libre.
¾ Los tubos pueden atravesar paredes, tomar curvas, elevarse en vertical y acomodarse a cualquier trazado que difícilmente podría ser adoptado por cintas o elevadores mecánicos.
¾ Un gran número de cintas transportadoras puede sustituirse con éxito por una sola tubería.
económicamente usando sistemas convencionales. Existe una gran variedad de procesos que emplean transportes neumáticos como por ejemplo para productos agrícolas, farmacéuticos y metales pulverizados. Usando sistemas neumáticos, hay un mínimo riesgo de generación de polvo, e incluso pueden ser transportados materiales peligrosos con seguridad por medio de aire presurizado.
Instalar este tipo de sistema no toma mucho espacio, y las tuberías pueden atravesar paredes, cruzar techos o hasta ubicarse bajo tierra para evitar equipos o estructuras existentes, mientras que un transportador de tornillo, un elevador de cangilones, o la mayoría de sistemas mecánicos sólo pueden ir con dificultad por estos caminos.
2.7.4 Clasificación de los sistemas de transporte neumático.
Los sistemas de transporte neumático se clasifican básicamente según el factor de material transportado o concentración. El parámetro relación de mezcla o concentración es el siguiente:
Ga Gs ma ms
= =
μ
(2.5)
Donde
ms, Gs: Masa o peso del sólido transportado; kg/s, kgf/s.
ma, Ga: Masa o peso del flujo de aire; kg/s, kgf/s.
• Sistemas de baja concentración
µ < 15 (2.6)
• Sistemas de alta concentración
µ > 15 (2.7)
Una vez conocida las siguientes relaciones, es necesario decidir qué sistema utilizar, es decir, un sistema de “fase diluída” o baja concentración o un sistema de
“fase densa” o alta concentración. A continuación se describirán las diferencias entre ellas.
a) Sistemas de baja concentración (fase diluida).
Fig. 2.29 Sistema de transporte neumático de “Fase diluida”
Fuente: http://tesis.pucp.edu.pe/tesis
b) Sistemas de alta concentración (fase densa).
Un sistema de alta concentración o sistema de “fase densa” es aquel en donde el material es movido dentro de la tubería de transporte hacia el punto de destino en un flujo de no-suspensión, es decir, el material avanza sobre el fondo del ducto, a modo de oleadas gracias a la alta presión del gas.
Las presiones requeridas son más altas que aquellas requeridas en los sistemas de “fase diluida” y la concentración de material (μ) es considerablemente mayor, puede llegar hasta 200 dependiendo de la habilidad del material para poder ser transportado de este modo.
Fig. 2.30 Sistema de transporte neumático de “Fase densa”
Fuente: http://tesis.pucp.edu.pe/tesis
Los sistemas de transporte neumático de “fase diluida” y “fase densa”, a su vez poseen distintas variaciones, como se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 2.4. Tipos de sistemas de transporte neumático
TIPOS DE SISTEMAS DE TRANSPORTE NEUMÁTICO
• Presión
• Vacío
FLUJO EN SUSPENSIÓN (Fase diluída)
• Combinación Presión-Vacío
• Conector simple
• Conectores múltiples
• Bypass de aire externo FLUJO EN NO-SUSPENSIÓN
(Fase densa)
• Bypass de aire interno
Fuente: http://tesis.pucp.edu.pe/tesis
2.7.5 Sistemas de transporte neumático de presión, vacío y combinación presión– vacío.
pérdidas de presión. Se puede decir que el uso de estos dos sistemas depende de.
• Cuando se quiere transportar desde distintos puntos hacia un solo punto, se usa un sistema de presión negativa.
• Cuando se quiere transportar desde un punto hacia distintos puntos, se usa un sistema de presión positiva.
a) Sistema de presión negativa o de vacío.
Estos sistemas se caracterizan por una relativa baja capacidad y bajas pérdidas de presión. En un sistema negativo, la unidad de producción de vacío está situada al final del sistema, lejos del punto de inyección de material. Es necesario, en consecuencia, poner una unidad separadora o colector que separe el material del aire, entre el punto de inyección y la salida del sistema.
Fig. 2.31 Sistema de presión negativa
Fuente: http://tesis.pucp.edu.pe/tesis
b) Sistema de presión positiva (Presión).
Se caracterizan por tener mayor capacidad y mayor pérdida de presión que los sistemas de vacío. En estos sistemas, la fuente de flujo de aire está localizada a la cabecera de la línea, y el aire empuja el sólido a través del ducto de transporte. Es de suponer que existirá una presión positiva en el punto en donde ingresa el material a la línea; por lo tanto se debe usar un alimentador de alguna clase.
Fig. 2.32 Sistema de presión positiva
Fuente: http://tesis.pucp.edu.pe/tesis
c) Sistema combinado Presión-Vacío.
Fig. 2.33 Sistema combinado Presión-Vacío
Fuente: http://tesis.pucp.edu.pe/tesis
2.7.6 Componentes de los sistemas de fase diluida y densa.
Los componentes son generalmente comunes para los dos tipos de sistemas “fase diluida y fase densa” aunque los equipos utilizados en los sistemas de “fase densa” son designados para manejar altas presiones en la operación.
2.7.7 Componentes y equipos de un sistema de fase diluida.
Dentro de los suministradores de energía existen:
• Ventiladores centrífugos.
• Inyectores de tipo Vénturi.
Los inyectores de tipo Vénturi son utilizados generalmente en sistema de presión positiva para crear un vacío que pueda succionar el material de la tolva de almacenamiento. Posee una caída de presión máxima en la línea de transporte de aproximadamente 0.3 bar, la cual limita la capacidad de transporte. Además, su uso está restringido a capacidades por encima de 5 ton/h, densidades a granel por encima de 700 kg/m3 y a distancias mayores a 150 m.
Fig. 2.34 Alimentador Tipo Vénturi
Fuente: www.everestblowers.com
En un sistema de transporte neumático, el último destino del material es siempre un silo o tolva de almacenamiento.
2.8. PLC’S
2.8.1. ¿Qué es un PLC4?
Un PLC (Controlador Lógico Programable) es un dispositivo electrónico de estado sólido que puede controlar un proceso o una máquina y que tiene la
capacidad de ser programado o reprogramado rápidamente según la demanda de la aplicación. Fue inventado para remplazar los circuitos secuenciales basados en relés que eran necesarios para el control de las máquinas. El PLC funciona monitoreando sus entradas, y dependiendo de su estado, activando y desactivando sus salidas.
Fig. 2.35 Sistema de PLC básico
Fuente: (PLC).Curso Tutorial.
Los PLC’S son usados en muchas aplicaciones: Maquinado de piezas, Embaladoras, Manipulación de materiales, ensamblado automático, y en general cualquier tipo de aplicación que requiera de controles eléctricos puede usar más bien un PLC.
Fig. 2.36 Aplicación típica de un PLC.
2.8.2. Características sobresalientes de los PLC’S5.
Poseen memoria volátil y no volátil. Tanto el programa de aplicación escrito por el usuario como los datos internos del PLC’S, normalmente es guardado en una RAM (memoria volátil), lo que le permite tener un acceso más veloz a las instrucciones de programa y a los datos internos de registros, contadores, temporizadores, bits internos, etc. También, una vez que se ha depurado el programa de aplicación, los PLC’S permiten la opción de salvaguardar el programa en memorias tipo EEPROM (no volátiles) para así recuperar el mismo en caso de un corte muy prolongado de energía que ocasiona una pérdida de datos de la RAM.
Fig. 2.37 Tipos de memorias en un PLC.
Fuente: www.sc.ehu.es/sbweb/webcentro/automatica
Capacidad modular de entradas / salidas. Esto permite la combinación de distintos niveles y tipos de señal de entrada, así como también el manejo de salidas para distintos tipos de carga. Igualmente si la aplicación crece, y se requiere mayor número de entradas / salidas, casi sin ningún problema los PLC’S pueden adecuarse al nuevo requerimiento.
Fig. 2.38 Capacidad modular de los PLCs.
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Auto diagnóstico de fallas. El PLC monitorea el funcionamiento de su CPU, Memoria y circuito de interfaces de entrada y de salida, e igualmente monitorea el correcto funcionamiento del programa de aplicación. En ambos casos señaliza por medio de LEDs en su cara frontal el estado respectivo.
Obviamente esta capacidad es de gran utilidad para efectos de mantenimiento y corrección de fallas.
Fig.2.39 Visualizador de status del PLC.
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Programación de la lógica de control. Esto permite la fácil adaptación a los cambios en la lógica de operación de las máquinas y procesos.
Fig. 2.40 Lógica programada.
