4.5 DISEÑO DEL SISTEMA DE PELETIZACION En el capítulo 3 se indicó, el fundamento teórico del sistema del peletizado que básicamente se refiere al proceso de compactación de material lignocelulósico. En esta etapa del proyecto se diseñaran cada uno de los componentes principales de la peletizadora (Fig. 4.49), partiendo de la capacidad de alimentación del aserrín proveniente del sistema de cribado.
4.5.1 CONSIDERACIONES INICIALES
Según la Norma CEN/TS 14691: Certificación Europea para biocombustibles sólidos (Anexo2), fue seleccionado un pellet de diámetro 6 mm considerando que es el menos propenso a desmenuzamiento a granel. Las características del avellanado cónico de los agujeros de la matriz son importantes, porque un avellanado cónico demasiado profundo puede transmitir un efecto de pre compresión a la matriz, con riesgo de atascamiento y de bloqueo sobre todo en las primeras horas de trabajo. El avellanado normalmente normalmente tiene una conicidad de de 55 - 60°.
En base a la bibliografía de varios autores, se ha comprobado que para obtener buenos resultados resultados de compactación compactación de pellets, pellets, las presiones presiones varian entre y (188 Mpa – 295 295 Mpa).
1100
2500 /
Partiendo del análisis sobre la producción producción anual anual y considerando considerando la capacidad capacidad de la horno del del área de secado secado del molino, se determino que el flujo másico de la merma merma que ingresan al proceso de peletizado es:
= 200 /ℎ 4.5.2 CALCULO DEL PELLET Longitud del Pellet. La longitud del pellet se determina determina en base a las especificaciones de la Norma CEN/TS 14691.
Para pellet con ø = 6mm
= 5 × 6 = 30
Figura Dimensiones del Pellet. Pellet. (Fuente: .)
Volumen de cada pellet.
En base a las del pellet se determina su volumen unitario.
= × × = ×0.003 ×0. 0 3 − = 8.48× 10 Relación de compresión.
Es la relación que existe entre el espesor efectivo de compresión y el diámetro del hueco, esta relación determina el grado de compactación de la merma.
= 1 Ecuación 4.56 Relación de compresión del aserrín. (Fuente: http://www.city.north- bay.on.ca “Technical Research Center of Finland 2002
= 61 = 30 5 Volumen de la merma necesario para cada pellet.
El volumen necesario de la merma para formar un pellet es:
= ×− = 8.48 × 10 − × 5 = 4.24× 10 Densidad del pellet.
La densidad de la merma se modifica debido a la compresión dando como resultado la densidad del pellet, para esto hemos tomado como referencia la densidad de la pajilla.
= × = 150 × 5 = 750 4.5.3 COMPRESION DE LA MERMA
Los encargados de comprimir la merma dentro de los agujeros o dados que contiene la matriz circular plana, son los rodillos de presion. En este proceso compresión se generan presiones y fuerzas en el interior del dado, las mismas que dependerán de varios factores que mas adelante serán analizados.
Figura Fuerzas de compresión del aserrín. (Fuente: http://www.city.north- bay.on.ca “Technical Research Center of Finland 2002) Presión de compactación de la merma.
La presión con la cual se comprime la merma en el interior de cada uno de los dados de la matriz está en función de la clasificación de la madera y la deformación que se produce en la extrusión del material. La presión de compactación de la merma equivale la presión que debe ejercer el rodillo para formar el pellet.
= ̅ ×
Ecuación Presión de compactación del aserrín. (Fuente: http://www.fcyt.umss.edu.bo)
̅: Esfuerzo de fluencia promedio de la madera durante la deformación, (Anexo). : Deformación de extrusión. Anexo
A su vez la deformación de extrusión depende de la relación de compresión y los ángulos de avellanado que tengan los agujeros de la matriz.
= + [ × ln()]
Ecuación Deformación de extrusión (Fuente: http://www.fcyt.umss.edu.bo) a - b : Constantes empíricas para el ángulo del dado (extraídas del anexo) Para un ángulo de (50° - 60°) A 0,8 – 0,9 B 1,2 – 1,5 Anexo
Tabla Constantes empíricas para el ángulo del dado (Fuente: http://www.fcyt.umss.edu.bo)
Figura : Angulo de entrada del Dado. (Fuente: .)
= 0.9 + [1.5×ln(5)] = 3.314 = 60 ×3.314 = 199 ≈ 200
La presión de compresión teórica de la merma que se calculó justificadamente se encuentra en el intervalo dentro del cual se dan buenos registros de pellets (188 Mpa – 295 Mpa)
4.5.4 FUERZA DE COMPACTACION DEL RODILLO (K)
La fuerza que el rodillo debe ejercer sobre el dado de la matriz es:
= × = 200 × ×(0.003) = 5654.87
Figura 4.53 Fuerzas de compresión del aserrín. (Fuente: http://www.city.north- bay.on.ca “Technical Research Center of Finland 2002) 4.5.5 FUERZA Y PRESION EN EL DADO
Cuando el material ingresa a la cámara de pelletización se forma una capa con una altura inicial , que después de pasar por el área de trabajo del rodillo se reducirá a una altura final (Fig. ).
ℎ
ℎ
Figura Zona de compresión del aserrín. (Fuente: ). La fricción originada por el contacto entre el material a peletizar y el dado de la matriz produce una fuerza opuesta a la que genera el rodillo. Por esta razón los rodillos deben generar mayor presión, de tal forma que se pueda superar la fuerza de fricción para que salgan los pellets.
= ̅ × 2ℎ
Ecuación 4.59 Presión adicional para superar la fricción. (Fuente: http://www.city.north- bay.on.ca “Technical Research Center of Finland 2002) P: Presión adicional requerida para superar la fricción, (Mpa) : Altura final del material luego de pasar por el área de trabajo del rodillo. La distancia mínima entre la matriz y los rodillos debe ser 0,2 – 0,3 mm. (42) D: Diámetro del pellet
El esfuerzo de fluencia promedio de la madera durante la deformación distintos tipos de madera es (Anexo )
̅ = 60
Anexo
para
002) = 60 × 2(0.0.0006 = 4 Presión en las paredes del dado. La presión que se genera en el interior de las paredes del dado (Fig. ) debido a la fuerza de fricción entre ambos materiales se puede determinar mediante la ecuación
= 4× ××ℎ
Ecuación 4.60 Presión en las paredes del dado de la matriz. (Fuente: http://www.fcyt.umss.edu.bo) : Presión del material comprimido contra la pared del contenedor D : Diámetro del pellet : Coeficiente de fricción entre la merma y el acero : Altura inicial del material antes de pasar por el área de trabajo del rodillo
ℎ
× 0.006 = 4 4 =×0.42.7 9× 0.002
Figura Presión en la pared del Dado. (Fuente: http://www.city.north- bay.on.ca “Technical Research Center of Finland 2002) Fuerza de fricción en el interior del dado.
La fuerza de fricción entre el dado del peletizado y la merma debe permitir que el material se compacte en el interior del dado, pero a su vez debe ser menor a la fuerza ejercida por el rodillo para que el pellet pueda salir de la matriz.
= × × × = 0.7×42.9 ×0.006 ×0.3 = 5400
Figura Fuerza de Fricción en el Interior del Dado. (Fuente: http://www.city.north- bay.on.ca “Technical Research Center of Finland 2002) Comparamos los dos valores y comprobamos que efectivamente se cumple esta condicion.
< 5400 < 5654.87 4.5.6 DIMENSIONES DEL RODILLO El radio del rodillo de compactación se puede calcular a partir de la ecuación
ℎ ℎ = ×
Ecuación Radio del rodillo en función del material. (Fuente: http://www.fcyt.umss.edu.bo) µ: Coeficiente de fricción entre la madera y el acero. r : Radio del Rodillo de compactación
= 0.0350.0.0002 7 = 0.071 = 0.142 = 14.2 ≅ 14
Figura Diámetro del Rodillo de Compactación. (Fuente: .) El ancho del rodillo de compactación, para este proyecto de investigación se tendrá en cuenta como la mitad de su diámetro.
= 2 14 = 2 = 7 Velocidad del rodillo.
La velocidad de giro del rodillo está en función de su masa y la aceleración normal que se produce durante su trabajo. Masa del rodillo.
Los rodillos de compresión son de acero por lo tanto:
= × = ( × × )× = [ × (0.07) ×0.07] ×7850⁄ = 8.46 Aceleración normal del rodillo.
La aceleración que se produce por el giro de los rodillos está en función a las fuerzas de compresión y fricción calculadas anteriormente.
= Ecuación Aceleración normal del rodillo (Fuente: HIBBELER, R.C DINAMICA. Prantice Hall 2006)
− − 5654. 8 6 5400 = 8.46 = 30.125 Velocidad tangencial del rodillo.
La velocidad tangencial del rodillo se determina a partir de la ecuación:
= √ × Ecuación Aceleración normal del rodillo (Fuente: HIBBELER, R.C DINAMICA. Prantice Hall 2006
= 30.125 ×0.07 = 1.45 Fuerza de fricción de los rodillos. El giro de los rodillos sobre la matriz circular genera una fuerza de fricción entre el material y los rodillos, el mismo que se determina mediante la siguiente ecuación:
= × = × × = 8.46×9.81⁄ ×0.7 = 58.09
Figura Fuerza de Rozamiento entre el Rodillo y la Matriz. (Fuente: El Autor.) Calculo de la fuerza total de los rodillos.
La fuerza total del rodillo se determina en base a la fuerza de fricción y a la fuerza de compactación de los rodillos.
= + = 58.09 +5654.86 = 5712.95 Punto de fuerza máxima del rodillo.
Se puede decir que la fuerza máxima actúa a la mitad de la longitud de contacto, ya que en este punto se encuentra la presión pico del rodillo (Groover, 1997).
Figura Fuerzas que actúan sobre la superficie del rodillo. Fuente: Kalpakjan,
Manufactura 4ed
≈ (ℎ + ℎ) Fuente: Kalpakjan, Manufactura 4ed
≈ √ 0.07(0.035 +0.0002) ≈ 0.05
Figura Punto de acción de las fuerzas y de presión pico – Punto de no deslizamiento.
= 2
Fuente: Kalpakjan, Manufactura 4ed
= 0.025 = 0.025
Velocidad de giro de los rodillos.
Para el cálculo de la velocidad de giro de los rodillos, partimos de la velocidad con la que estos se desplazan alrededor de la matriz, al estar los rodillos en contacto con la matriz y no haber deslizamiento, la velocidad reflejada sobre los rodillos corresponderá su velocidad de giro. La velocidad con la que se desplazan los rodillos alrededor de la matriz, depende de la velocidad angular y el radio de giro de los mismos. El radio de giro corresponde a la distancia desde el centro del eje de rotación hasta el rodillo de presión. La velocidad se transmite desde el eje hacia los rodillos, se asume un valor nominal de velocidad para el eje, el cual corresponde a la velocidad de salida de la polea que viene transfiriendo la velocidad proveniente del motor, el cual transmite el movimiento al eje principal y este a su vez a los rodillos.
= ×
Fuente: (Hibbeler R. C., 2004)
= 140 × 0.18 = 14.66⁄ ×0.18 = 2.64 ⁄ La velocidad de giro o angular de los rodillos está en función del radio de giro, en este caso el radio de los rodillos y la velocidad tangencial, que corresponde a la velocidad con la que avanza en la matriz. Por lo tanto la velocidad angular de los rodillos será:
=
Fuente: (Hibbeler R. C., 2004)
⁄ = 2.0.64 0 7 = 37.7 = 360
Torque originado por los rodillos.
La velocidad de giro del eje principal causa que la masa de los rodillos generen un torque debido a la inercia que reciben.
= × ′
Figura Esquema de Torque de los Rodillos. (Fuente: .)
= 5712.95 ×0.152 ×2 = 1736.74.
