Diseño de tolvas

DISEÑO DE MAQUIN MAQUINARIA ARIA DE TECNOLOGI TECNOLOGI INTERMEDIA PARA LA INDUSTRIA ALIMENT ALIMENTARIA ARIA

I.

INTRODUCCION:

Los silos se utilizan, en una amplia gama de la industria, para almacenar sólidos en cantidades muy variables. Pueden ser de acero, o de otros materiales y su descarga puede, así mismo, ser por gravedad o utilizando procedimientos mecánicos. Los silos de acero acero son de diver diversos sos tipos tipos que que van desde estruc estructur turas as formad formadas as por chapas chapas rigidizadas, a láminas. Su sustentación es muy diversa, apoyados en pilares, en su contorno, colgados, etc.. Los silos de fondo plano suelen sustentarse directamente en la cimentación. Para el diseo estructural los silos se clasifican, de acuerdo con el sistema !"#! $%&, en las clases o categorías siguientes' siguientes' (lase (lase ) Silos Silos peque pequeos os cuya cuya capaci capacidad dad es menor menor de )** )** tonel tonelada adas. s. Su construcción es sencilla y robusta, teniendo en general reservas sustanciales de resistencia. (lase % Silos de capacidad intermedia +de )** t a )*** t. Pueden disearse mediante cálculos manuales sencillos. #ay que garantizar el flu-o de cargas y presiones que den resultados fiables. (lase  Silos grandes +de capacidades superiores a )*** t. Se requieren conocimientos especializados con el fin de prevenir los problemas debidos a la ince incert rtid idum umbr bre e rela relati tivo vos s a la dist distri ribu buci ción ón de carg cargas as y pres presio ione nes. s. /stá /stán n -ustificados análisis análisis más sofisticados, sofisticados, tales como elementos finitos, finitos, etc.. (lase 0 Silos con descarga e1c2ntrica, en los que la e1centricidad de la salida eo3*,%4 dc /sta /sta lecci cción se con concent centra ra en el dise iseo o de silo silos s (lase ) y %, aunqu nque las comprobaciones son aplicables a los de (lase .

II.

OBJETIVOS:

). (onocer (onocer las princip principales ales conside consideracio raciones nes que se debe debe tener al disea disearr un silo %. 5btene 5btenerr la informa informació ción n neces necesari aria a acerca acerca del diseo diseo de silos silos y tolvas tolvas para aplicarlo en la vida real

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DISEÑO DE MAQUINARIA DE TECNOLOGI INTERMEDIA PARA LA INDUSTRIA ALIMENTARIA III.

MARCO TEORICO

Para el diseo de un silo se pueden distinguir los siguientes pasos' i. ii.

iii.

iv.

=eterminar las características del flu-o del material. =eterminar la geometría del silo con el fin de que posea la capacidad necesaria. 5btener un patrón de flu-o de características adecuadas y por tanto aceptables, que aseguren una descarga fiable. Pueden utilizarse alimentadores mecánicos especiales. /stimar las cargas que act>an sobre el silo, tanto debidas al material almacenado como a otras tales como el viento, instalaciones au1iliares, t2rmicas, etc. (álculo y detalles de la estructura.

/l silo debe estar definido antes de proceder al cálculo. Las cargas debidas al material almacenado dependen, entre otras variables, del patrón de flu-o, de las propiedades del material y de la geometría. Los m2todos de análisis estructural y de diseo dependen, pues, fundamentalmente de la geometría y del patrón de flu-o.

3.1 CLASIFICACION DE LOS SILOS: /n lo que se refiere al diseo, se clasifican seg>n el tamao, la geometría, el patrón de flu-o de descarga, del material almacenado, del tipo estructural. "ás adelante se analiza la importancia de cada uno de estos parámetros en el cálculo' III.1.1 Tamaño y Geometra /l tamao y geometría dependen de los requerimientos funcionales tales como el volumen de almacenamiento, el sistema y forma de descarga, las propiedades del material almacenado, el espacio disponible, consideraciones de tipo económico, etc.. 9ormalmente el depósito está constituido por una forma vertical +silo con un fondo plano o con un fondo de paredes inclinadas +tolva. Suelen tener una sección transversal circular, cuadrada, poligonal. La figura ) muestra figuras típicas de silos y tolvas. Los silos cilíndricos son estructuras más eficaces que los prismáticos ba-o el punto de vista de coste estructural. /n cuanto a capacidad de almacenamiento de un silo de sección cuadrada, almacena un %?@ más que uno cilíndrico de diámetro igual al lado del anterior. Si el silo tiene fondo plano su capacidad de almacenaA miento es má1imo para la misma altura. /l tamao del silo lo determina la relación entre la alimentación y la descarga, dependiendo así mismo de la cantidad de material a almaA cenar. =escargas muy rápidas requieren tolvas de paredes muy inclinadas y altas. Los silos de fondo plano se utilizan cuando la velocidad de descarga que se necesita es ba-a, el tiempo de almacenamiento es largo y el volumen de material es grande.

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3.1.! "atr#$ %e &'()o /l /urocódigo ) describe dos tipos de flu-o, que se muestran en la figura %. Son el flu-o de masa y el flu-o de embudo. La presión de la descarga está influenciada por dichos patrones y, por tanto, debe asegurarse dicho patrón antes del cálculo de las cargas debidas al material almacenado. /n el caso de flu-o de masa, todo el contenido fluye como una masa >nica y el flu-o sucede de manera que el material que entra primero sale primero. /n silos de flu-o de embudo, tolvas cónicas u otras formas, >nicamente a efecto de diseo estructural. (uando no es claro el tipo de flu-o deben comprobarse ambos. /l tipo de flu-o depende de la inclinación de las paredes de la tolva y del coeficiente de rozamiento de material contra las paredes. /l f lu-o de masa ocurre cuando las paredes de la tolva son altas e individuales mientras que el embudo aparece en silos compactos con paredes de tolva poco inclinadas.

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3.1.3 Mater*a' e+tr(,t(ra': La mayoría de los silos son de acero. La elección depende, ba-o el punto de vista económico, de los costes de materiales, de la fabricación y monta-e. #ay otros factores tales como el espacio disponible. Las venta-as principales de los silos de acero son' B Los silos y tolvas de acero pequeo y mediano pueden ser prefabricados con un tiempo de monta-e considerablemente inferiorC B Si su estructura es atornillada son relativaA mente fáciles de desmontar y trasladar a otro lugar. Los inconvenientes principales de los silos y tolvas de acero son la necesidad de mantenimiento contra la corrosión y desgaste, que harán preciso el forrado de las paredes y posibilidad de crear agua de condensación que puede daar los productos almacenaA dos sensibles a la humedad tales como granos, etc.. La elección de material estructural depende tambi2n de su geometría, las paredes de los silos están sometidas a cargas horizontales y verticales. Las cargas verticales son debidas al rozamiento del material sobre las paredes y las horizontales debidas al empu-e del material. III.!

"RESIONES SOBRE LAS "AREDES

La mayoría de teorías e1istentes para el cálculo de cargas del material almacenado en silos parten del supuesto de que la distribución de presiones alrededor del perímetro es uniforme a cualquier profundidad. /n realidad, siempre e1iste una noAuniformidad de la carga. /sto puede ser consecuencia de imperfecciones en las paredes, de la influencia de t2cnicas de llenado no conc2ntricas, o de agu-eros de descarga posicionados e1c2ntricamente respecto al centro del mismo. La presión e-ercida por el material almacenado sobre la pared del silo es distinta cuando el material fluye que cuando está estacionario. /l estado tensional mientras el material está almacenado cambia al empezar a fluir y las paredes del contenedor están sometidas a altas presiones localizadas de corta duración. /studios de investigación han identificado dos tipos de alta presión durante la descarga. La primera se conoce como presión de caída, sucede al inicio del flu-o y sólo es significativa en la tolva. /l segundo tipo de presión elevada se atribuye a una reorientación local de la tensión dentro del material que fluye cuando pasa por las imperfecciones de las paredes. /l no tener en cuenta, en el diseo, la carga no uniforme es la principal causa de fallos en los silos. Presenta problemas particulares en silos circulares diseados para resistir >nicaA mente las fuerzas como membrana. Las presiones debidas a la descarga e1c2ntrica son irreguA lares y pueden ser superiores o inferiores a la presión uniforme calculada utilizando las teorías clásicas. 8unque se han identificado elevadas presiones de descarga y sus causas fundamentales, son difíciles de cuantificar. Por ello es frecuente, entre los proyectistas, multiplicar la presión estática calculada por una constante obtenida a partir de datos e1perimentales. Dradicionalmente se ha aplicado este factor empírico a la presión estática sin tener en cuenta la respuesta estructural del silo. (omo las presiones de descarga >nicamente afectan áreas locales, producen una variación de presión que puede originar una condición de tensión en la pared peor que la originada por una elevada presión uniforme. 5 sea que suponer una presión elevada pero constante a cualquier nivel no tiene por qu2 estar en el lado de la seguridad. 67S/L8 (#7P898 :8;<7

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3.!.1 Re-'a+ ara e' C/',('o %e 'a+ Car-a+ %e0*%a+ a' Mater*a' A'ma,e$a%o /l /urocódigo da reglas detalladas para el cálculo de las cargas debidas al material almacenado en los silos, su-etas a las limitaciones siguientes' B La e1centricidad de la entrada y la salida se limita a *,%4 dc donde dc es el diámetro del contenedor o la longitud del lado más corto. B /l impacto de las cargas durante el llenado son pequeas. B Los dispositivos de descarga no tienen influencia en la distribución de las presiones. B /l material almacenado fluye libremente y presenta una ba-a cohesión. /1isten reglas para el cálculo de cargas en silos esbeltos, compactos y homog2neos. Las cuatro cargas siguientes están especificadas y pueden definirse utilizando las abreviaturas que muestra la figura 4. B carga horizontal y rozamiento en la pared B carga puntual B carga de la tolva B carga de caída

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III.3

OTRAS CONSIDERACIONES RES"ECTO A LA CARGA

La distribución de las presiones puede estar afectada por factores que pueden incrementar o disminuir las cargas en las paredes. /stos factores son difíciles de cuantificar, y son más significativos en unas tolvas que en otras. 8 continuación se muestran una serie de ellos. Var*a,*#$ %e Temerat(ra /l material almacenado limita la contracción t2rmica de la pared de la tolva. La magnitud del incremento de presión lateral resultante depende de la disminución de la temperatura, de la diferencia entre el coeficiente de temperatura de la pared y el del material almacenado, del n>mero de cambios de temperatura, de la rigidez del sólido almacenado y de la rigidez de la pared de la tolva. Co$+o'*%a,*#$ La consolidación del material almacenado puede ser debida a la eliminación de aire que hace que las partículas se compacten +lo que representa un problema en materiales pulverulentos, a la inestabilidad física causada por cambios de la humedad y temperatura superficiales, a la inestabilidad química causada por cambios químicos en la superficie de las partículas o a la vibración del contenido del silo. Para determinar de forma precisa las presiones en la pared hay que conocer la variación de la densidad del sólido con la profundidad y el ángulo de rozamiento interno. Co$te$*%o %e (me%a% ;n aumento en el contenido de humedad del material almacenado puede aumentar las fuerzas de cohesión o formar enlaces entre las partículas de substancias solubles en agua. Para el cálculo de las presiones, el ángulo de rozamiento contra las paredes debe determinarse utilizando el material más seco yEo el más h>medo que deberemos almacenar. ;n aumento de humedad tambi2n puede originar el hinchado del sólido almacenado, y debe tenerse en cuenta en el proyecto. Se-re-a,*#$ Las partículas de material almacenado con una amplia gama de densidades, tamaos y formas tienden a segregarse. (uanto mayor sea la altura o caída libre en el llenado, mayor será la segregación. La segregación puede originar áreas de material denso. Lo que es peor, puede que las partículas rugosas vayan a un lado de la tolva y las más finas y adherentes vayan al otro. /ntonces puede formarse un perfil en ; e1c2ntrico que conduce a cargas asim2tricas en la pared. La concentración de partículas finas puede causar bloqueos en el flu-o. De-ra%a,*#$ ;n sólido puede degradarse durante el llenado. Las partículas pueden romperse o reducirse de tamao debido al impacto, la agitación y el rozamiento. Las tolvas para almacenamiento del contenido del silo representan un problema particular. La degradación del material origina un campo de variación de presiones que tiende a la hidrostática. Corro+*#$

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F

DISEÑO DE MAQUINARIA DE TECNOLOGI INTERMEDIA PARA LA INDUSTRIA ALIMENTARIA Los sólidos almacenados pueden atacar químicamente la estructura, alterando el ángulo de rozamiento contra la pared y la fle1ibilidad de la misma. La corrosión depende de las características químicas del material almacenaA do y del contenido de humedad. Dípicamente, se incrementa el espesor de pared proyectado para compensar la corrosión. /ste incremento depende del tiempo de vida proyectado para el silo. A0ra+*#$ Partículas granulares grandes como los minerales pueden desgastar la superficie de la pared, originando problemas similares a los descritos para la corrosión. Puede revestirse la pared estructural, tomando las precauciones pertinentes con el fin de garantizar que la deformación de la pared no dae el revestimiento. Los revestimientos se fabrican con materiales como el acero ino1idable o el polipropileno. "re+*o$e+ %e0*%a+ a' Ima,to (uando en la carga aparecen elementos de grandes dimensiones pueden originarse presiones elevadas debidas al impacto. 8 menos que haya material suficiente para amortiguar dicho efecto, es preciso proporcionar una protección especial a las paredes de la tolva. /l colapso de los arcos naturales que pueden formarse en el material almacenado y la retención del flu-o tambi2n pueden originar presiones de impacto elevadas. Para minimizar este efecto debe estudiarse la geometría del silo. Car-a y De+,ar-a R/*%a+ La descarga rápida de masas sólidas con una permeabilidad a los gases relativamente ba-a puede inducir presiones negativas +succión interna en la tolva. /l llenado rápido puede oriA ginar una mayor consolidación, con los efectos que se han descrito más arriba. Mater*a'e+ "('2er('e$to+ /l llenado rápido de materiales pulverulentos puede airear el material y originar una disminución temporal de densidad, adherencia, fricción interna y fricción de pared. /n un caso e1tremo, la presión de un material aireado almaA cenado puede llegar a ser la hidrostática. Car-a %e' V*e$to Los efectos del viento son especialmente críticos durante el período de monta-e. E'o+*o$e+ %e' Mater*a' A'ma,e$a%o
?

DISEÑO DE MAQUINARIA DE TECNOLOGI INTERMEDIA PARA LA INDUSTRIA ALIMENTARIA I$+ta'a,*o$e+ %e De+,ar-a Me,/$*,a Las instalaciones de descarga mecánica pueden originar distribución asim2trica de las presiones, incluso cuando se considera que de-an salir el material almacenado de forma uniforme. /n el proyecto debe tenerse en cuenta, la influencia de la instalación de descarga mecánica, en las presiones sobre la pared. Car-a+ e$ e' Te,4o Los techos de los silos act>an sobre las paredes, produciendo en las mismas un empu-e y una compresión a1il, que deben tenerse en cuenta en el proyecto. Com0*$a,*o$e+ %e Car-a "uchos silos, durante la mayor parte de su vida operativa, están traba-ando en las condiciones de má1ima capacidad y con el material previsto en el proyecto. /n 2stos, el /urocódigo indica que este estado de carga debe combinarse, con un coeficiente desde el * al G*@, con otro tipo de carga, con el fin de conseguir la carga más desfavorable en los estados límites de servicio y >ltimos. (ada carga +por e-emplo cargas debidas al material almacenado, carga de viento, etc. debe considerarse como predominante y combinarse con las otras cargas con el fin de conseguir el estado p2simo de diseo.

IV.

CONCLUSIONES:

Para el diseo de un silo se pueden distinguir los siguientes pasos' i. ii. iii.

iv.

v. vi.

=eterminar las características del flu-o del material. =eterminar la geometría del silo con el fin de que posea la capacidad necesaria. 5btener un patrón de flu-o de características adecuadas y por tanto aceptables, que aseguren una descarga fiable. Pueden utilizarse alimentadores mecánicos especiales. /stimar las cargas que act>an sobre el silo, tanto debidas al material almacenado como a otras tales como el viento, instalaciones au1iliares, t2rmicas, etc. (álculo y detalles de la estructura. /l material a utilizar dependiendo de la corrosión que se producirá en el proceso, la resistencia y a geometría del silo

La presión e-ercida por el material almacenado sobre la pared del silo es distinta cuando el material fluye que cuando está estacionario. Las cargas no uniformes deben tenerse muy en cuenta en el proyecto. Pueden proyectarse de forma conservadora tolvas circulares y no circulares mediante m2todos sencillos de cálculo manual.

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H


V.

REVISION BIBLIOGRAFICA:

$)& /urocode )' I!asis of design and actions on structures, Part 0, 8ctions in silos and tanJsI, /9K )GG)A0, (/9 +en prensa. $%& !ritish "aterials #andling !oard, Silos M =raft design codeI, )GH?. $& /urocode ' I=esign of steel structures' Part 0, DanJs, Silos and Pipelines, (/9 +en preparación. $0& 9ational (oal !oard, Dhe design of coal preA paration plantsI, ;N 9ational (oal !oard (ode of Practice, )G?*. $4& 6aylord, /. #. and 6aylord, (. 9., =esign of steel bins for storage of bulJ solidsI, Prentice #all, /ngleOood (liffs, )GH0. $F& /urocode )' I!asis of design and actions on structures, Part %, ind loads on buildingsI, /9K )GG)A%A), (/9 +in preparation.

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