UNIVERSIDAD MAYOR REAL Y PONTIFICIA DE SAN FRANCISCO XAVIER DE CHUQUISACA FACULTAD DE TECNOLOGÍA
DISEÑO Y CALCULO DE UN FILTRO DE MANGAS CARRERA
: INGENIERÍA MECÁNICA
MATERIA
: ELEVACION Y TRANSPORTE
DOCENTE
: ING. FERNANDO TORREZ
UNIVERSITARIO
: ZARATE LOPEZ JAIME
FECHA
: 29/11/2008
Sucre – Bolivia 2008
DISEÑO Y CALCULO DE UN FILTRO DE MANGAS 1
MARCO REFERENCIAL DEL PROYECTO
La captación y depuración de partículas presenta una problemática muy diversa en los distintos procesos industriales que generan emisiones a la atmósfera. La recuperación de productos en polvo del gas de descarga es vital para cualquier industria para evitar los problemas de polución o aumentar el rendimiento de la planta Los filtros de mangas son uno de los equipos más representativos de la separación sólido-gas mediante un medio poroso: aparecen en todos aquellos procesos en los que sea necesaria la eliminación de partículas sólidas de una corriente gaseosa. Eliminan las partículas sólidas que arrastra una corriente gaseosa haciéndola pasar a través de un tejido. 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. Los filtros de mangas son capaces de recoger altas cargas de partículas resultantes de procesos industriales de muy diversos sectores, tales como: cemento, yeso, cerámica, caucho, química, petroquímica, siderúrgica, automovilística, cal, minera, amianto, aluminio, hierro, coque, silicatos, almidón, carbón, anilina, fibras de granos, etc. La recogida de polvo o eliminación de partículas dispersas en gases se efectúa para finalidades tan diversas como: • Control de la contaminación del aire. • Reducción del coste de mantenimiento de los equipos. • Eliminación de peligros para la salud o para la seguridad.
• Mejora de la calidad del producto. • Recuperación de productos valiosos. • Recogida de productos en polvo. La contaminación del medio ambiente por las empresas cementeras o por otras clases de empresas que generan polvo es un problema que se sufre a diario. Los efectos que traen dicha contaminación son, la escasa forestación, tierras no atas para el cultivo, la no existencia de pastizales; convirtiéndoles a estos lugares cercanos a las fabrica en un desierto, y en la no existencia de animales que son los mas perjudicados. A demás se ha determinado que la contaminación de partículas es un agente potencialmente nocivo a la salud de las personas. Para dar solución a esta clase de contaminaciones dadas por las empresas cementeras o por otras clases de empresas que generan polvo se trata de utilizar filtros que retengan el polvo contaminante y que se trate de expulsar al medio ambiente un aire lo más puro posible. Este polvo es ocasionado por la molienda de las materias ya sean primas o del clínker o de cualquier otra materia que genere polvo.
2 OBJETIVOS DEL PROYECTO De acuerdo al marco referencial anteriormente expuesto, este proyecto persigue los siguientes objetivos. Objetivos generales ► Evitar la contaminación del medio ambiente ► Recuperación de material. ► diseñar y seleccionar los mecanismos del filtro de mangas. ► Aplicar todos los conocimientos teóricos y prácticos, para concretarlos en este proyecto.
2.2 Objetivo específico Diseño, cálculo y elaboración de planos de un filtro de mangas. 3. JUSTIFICACIÓN En la actualidad la contaminación del medio ambiente es uno de los grades problemas que afronta nuestro planeta tierra. Justamente este problema hace que se lancen proyectos para combatir la contaminación de nuestro medio ambiente. La mayoría de los procesos industriales generan polvo. Este polvo puede quitarse lucrativamente para la disminución de la contaminación y propósitos de recuperación de material. Se justifica la elaboración del proyecto por que con la utilización de filtros de mangas estamos evitando la contaminación del medio ambiente y a demás se tratara de mejorar el sistema de vivencia ya sea vegetal como humano. La mayoría de los procesos industriales generan polvo. Este polvo puede quitarse lucrativamente para la disminución de la contaminación y propósitos de recuperación de material. 4. VENTAJAS, APLICACIONES Y CARACTERISTICAS DE LOS FILTROS DE MANGAS
Construcción robusta. Mangas de 1200 a 3600 mm de longitud. Equipos de 9 a 144 mangas. Acceso a inspección y recambio de mangas desde la zona de aire limpio. Escaleras marineras de acceso y barandas de protección. Alta confiabilidad en servicio continúo. Sistema de limpieza Pulse Jet con controlador programable marca INFESA modelo CP-1.0, que administra con máxima eficiencia el consumo de aire comprimido. Amplio rango de aplicación Aptos para altas cargas de polvo. Amplia variedad de medios filtrantes de acuerdo a la aplicación del equipo. Tolva de descarga con 60º de pendiente. Aptos para un amplio rango de aplicaciones en industrias tales como:
Gabinetes Standard preparados para una presión máxima de trabajo de 500 mm c.a. positiva o negativa. Construcciones especiales ha pedido: ► Gabinetes reforzados para mayores presiones. ► Equipos de acero inoxidable. ► Cámaras de aire limpio walk-in plenum. ► Configuración bin-vent apta para montaje sobre silos. ► Plataformas de mantenimiento. 5 FUNCIONAMINETO GENERAL DEL FITREO DE MANGAS El filtro de mangas de pulso de aire se compone de una gran caja donde se separan dos ambientes mediante un tabique horizontal denominado espejo o tubesheet. El ambiente debajo del tabique se denomina cámara sucia y el ambiente por encima cámara limpia. Sobre el tabique se montan en forma vertical numerosos cilindros construidos por un tejido especial denominados mangas. Los gases de emisión ingresan a la caja a una velocidad reducida por la cámara sucia debiendo atravesar las mangas para alcanzar la cámara limpia. Las partículas de polvo son separadas de los gases al atravesar las mangas y posteriormente eliminadas mediante pulsos de aire comprimido. Finalmente el gas limpio sale por una chimenea hacia el ambiente. 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. Para evitar que el caudal disminuya se procede a efectuar una limpieza periódica de las mangas.
Los filtros de mangas constan de una serie de bolsas con forma de mangas, normalmente de fibra sintética o natural, colocadas en unos soportes para darles consistencia y encerrados en una carcasa de forma y dimensiones muy similares a las de una casa. El gas sucio, al entrar al equipo, fluye por el espacio que está debajo de la placa a la que se encuentran sujetas las mangas y hacia arriba para introducirse en las mangas. A continuación el gas fluye hacia afuera de las mangas dejando atrás los sólidos. El gas limpio fluye por el espacio exterior de los sacos y se lleva por una serie de conductos hacia la chimenea de escape. Contienen además una serie de paneles para redireccionar el aire, dispositivos para la limpieza de las mangas y una tolva para recoger las partículas captadas. 6 CARACTERITICAS PRINCIPALES DE LOS FILTROS 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 - Discontinuos: 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.
► Existe también una versión más complicada y robusta que incluye un mecanismo automático de agitación para la limpieza de las telas que puede funcionar por métodos mecánicos, vibratorios o de pulsación. Las bolsas están sujetas a un soporte mecánico conectado a un sistema capaz de emitir sacudidas o vibraciones mediante un motor eléctrico. Al ser el tejido más grueso, se pueden utilizar velocidades frontales más elevadas, de hasta 0,02 m/s, y permite el funcionamiento en condiciones más severas que las admisibles en el caso anterior. ► Por sacudida y aire inverso: se emplea para conseguir un funcionamiento en continuo, para ello los elementos filtrantes deben encontrarse distribuidos entre dos o más cámaras independientes, cada una de las cuales dispone de su propio sistema de sacudida y de una entrada de aire limpio. El aire entra en las 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. ► La limpieza se efectúa mediante impulsos de aire comprimido a través de un programador de ciclos con variación regulable de tiempo y pausa. Para una correcta efectividad en un sistema de filtración de polvo hay que tener en cuenta las características del polvo a tratar, grado de humedad, temperatura, espacio disponible y otros factores específicos. EMISON, siempre en la vanguardia de las nuevas tecnologías de depuración de gases dispone de un buen equipo de técnicos especialistas, con amplia experiencia en este campo, que han desarrollado un amplio programa de equipos de filtración de polvo de alta calidad, pensados para cubrir todas las necesidades del mercado con la garantía y nivel de exigencia del futuro.
La característica fundamental de nuestro programa de filtros es su alto rendimiento y su facilidad de manutención. Toda la manipulación de los elementos se efectúa en la cámara de zona limpia, sin tener que entrar dentro del filtro en contacto con el polvo. Un estudiado diseño permite su configuración modular pudiendo variar su capacidad en anchura y altura, consiguiendo la máxima superficie filtrante en el mínimo espacio. Su construcción es robusta y compacta. La elección del tejido filtrante depende del tipo de polvo a retener y el nivel de emisión deseado. Existe una gama de tipos y calidades específicas para cada caso, que permiten trabajar a temperaturas de hasta 4001C. Para seleccionar el tipo de manga necesaria se considera: ► 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 El tamaño de las partículas a separar por los filtros de mangas será entre 2 y 30 µm. Sin embargo, no es usual disponer de medios filtrantes con poros tan pequeños como para retener las partículas que transporta el gas, debido a que 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. 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. 6.1 OPERACIÓN DE FILTRACIÓN: 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. 6.2 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. El polvo recogido en el fondo de la tolva se descarga mediante un transportador de tornillo helicoidal y una válvula rotativa. La limpieza de las mangas no es completa en ningún caso debido a la dificultad para desprender la torta en su totalidad y también porque, si se aplicaran procedimientos más vigorosos de limpieza, el desgaste de las mangas sería mayor y se provocaría un mayor número de paradas de planta motivadas por el cambio de las mangas. 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. Una vez superada la fase inicial, los filtros de mangas son equipos muy eficientes (sus eficacias sobrepasan con frecuencia el 99,9%), con lo que su aplicación en la industria es cada vez mayor. 4 EMISON c/ Art nº 71 Local EMISON Telf: Voz: 934 552 314
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La limitación más importante que se da en los filtros de mangas es la debida a la temperatura, ya que se debe tener en cuenta el material del que está constituida la tela para conocer la temperatura máxima que se puede aplicar. Así para fibras naturales la temperatura máxima a aplicar es alrededor de 90ºC. Los mayores avances dentro de este campo se han dado en el desarrollo de telas hechas
a base de vidrio y fibras sintéticas, que han aumentado la temperatura máxima aplicable hasta rangos de 230 a 260 ºC. Otros factores que pueden afectar a la operación del filtro de mangas son el punto de rocío y el contenido de humedad del gas, la distribución del tamaño de las partículas y su composición química. 6.3 CARACTERISTICAS TECNICAS
7 CONCIDERACIONES GENERALES PARA ELCÁLCULO 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 La velocidad a la que los gases pasan por la tela debe ser baja, normalmente entre 0,005 y 0,03 m/s, para evitar una excesiva compactación de la torta de sólidos con la consiguiente elevación de la pérdida de carga, o para impedir la rotura local del lecho filtrante que permitiría el paso de partículas grandes a través del filtro. Para mantener una velocidad aproximadamente constante es evidente que se debe aumentar la presión a medida que aumenta el espesor de la torta. Para realizar esta función de aumento de la presión se dispone de un ventilador o una soplante, que se encargará de impulsar el gas. Normalmente la resistencia del material filtrante es despreciable en comparación con la de la torta de modo que el volumen del gas procesado resulta proporcional a la raíz cuadrada del tiempo de filtración. 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). 8 CALCULO Y DISEÑO FLUIDODINÁMICO DE UN FILTRO DE MANGAS (TIPO PULSE JET) Datos de Entrada Caudal requerido = 1.52 m3/sg Concentración = 1.143 g/m3 Temperatura del gas = 60 oC Diámetro de partícula = 11mm Tipo de polvo = cemento Calculo de Velocidad de Filtración Aplicando ecuación de fabricantes
A = 10 (tipo de polvo, tabla 5.4) B = 0.9 (aplicación, tabla 5.4) T = 140 ºF C = 0.5 g/ft3 (1lb = 7000 granos) d = 11mm Vf = (2.878) (10) (0.9) (140-0.2335)(0.5-0.060) Vf = 8.11ft/min = 2.5 m/min Calculo del Área Neta de Filtración An = 36.893 m2 Selección del Tipo de Tela y Dimensión de la Manga Característica de operación · Temperatura de operación = 60 C · Temperatura de rocío = 26 C Característica cemento · Alcalino · Abrasivo De tabla 5.6 se selecciona DACRÓN O POLYESTER · Opera a 250 °F · Tiene un buen comportamiento para materiales ácidos · Muy bueno para material abrasivo Dimensión de manga Se selecciona una manga de · D = 120 mm (4.5 in) · L = 3000 mm (60 in) Cálculo el Número de Mangas
Amanga = pDL = p (114.3) (1524)
Amanga = 547244 mm2 = 0.5472 m2 Nmangas = 68 mangas Caída de Presión Estimada El rango de caída de presión típico está entre 2 y 10 in de H2O. Se desea un Dp = 4 in de H2O Parámetros de Operación · Tiempo de filtración = 60 s (asumido) · Tiempo de limpieza = 250 ms (seleccionado) · Presión de pulso = 551.6 Pa (80 psi, seleccionado de acuerdo al tipo de válvula solenoide que se va a usar) Cálculo de la Caída de Presión en Función del Tiempo de Filtración DP = (PE) Dw + KS Vf2Ct (PE) Dw = 6.08 (8.11)(80) -0.65 = 2.86 Rango de KS (1.2 - 30 o 40 in H2O.ft.min/lb) Asumir = 7 (1lb = 7000 granos) DP = 2.86 + [7(8.11)2(0.5/7000)1] DP = 2.893 in H2O = 727 Pa Calculo de la Potencia del Compresor Adecuado Características · Compresor de succión · Tipo centrífugo · Aletas curvadas hacia atrás (de alta eficiencia; h = 0.7) · Opera en zona de aire limpio (no sufre abrasión) Análisis del Arreglo de Mangas El arreglo se selecciona en función del número de mangas que son limpiadas por cada válvula durante el pulso de aire.
DESARROLLO EXPERIMENTAL (Ejemplo) Alcance que lleva la Construcción del Prototipo · La prueba de filtración, es decir la obtención de Ke y Ks · Eficiencia de colección global · Eficiencia de recolección promedio en tolva para un tiempo de operación determinado · Tiempo de operación del ciclo de filtrado y limpieza · Comprobación visual del comportamiento de las partículas durante la operación del filtro. Características del Prototipo (Ejemplo) · Material de manga: poliéster (fieltro) · Dimensiones de manga: D = 114.3 mm L = 1524 mm · El caudal requerido en prototipo q = 0.02235 m3/sg (47.4 cfm) · Sistema de limpieza válvula solenoide de ½ in presión de pulso: 80 psi · Manejado por computadora a través de control electrónico que regula tiempo de limpieza y tiempo de filtración. DATOS Y RESULTADOS OBTENIDOS EN LA PRUEBA EXPERIMENTAL Obtención del Caudal por Ventilador N° de Tomas Velocidad (fpm) 1 680 2 700
3 720 4 680 5 600 PROMEDIO = 676 fpm = 206.098 m/min AREA = 8659.04 ft2 = 0.00866 m2 CAUDAL = 63 ft3/min = 0.0298 m3/s qp = 50 cfm real= 1.42 m3/min real Obtención de Concentración de Entrada: CONCENTRACIÓN: Es la razón del flujo másico de polvo para el caudal de aire que ingresa. t operación (min) Masa m (g) Masa T (g) Masa p (g) 10 3 14.3 11.30 10 3 14.35 11.35 10 3 14.42 11.42 10 3 14.48 11.48 PROMEDIO = 11.4 C = 1.14/1.42 = 0.8 g/m3= 0.35 gr/ft3 Prueba de Filtración: Obtención de Ke Y Ks Tiempo filtración (min) Caída presión (Pa) Sist. Int. Densidad (W) Arrastre (S) 0 74.652 0 29.55 5 109.490 10.05 43.35 10 134.374 20.10 53.20
15 149.304 30.15 59.11 20 164.234 40.20 65.02 25 199.072 50.25 78.81 30 204.049 60.30 80.78 Gráfico de Formación del Pastel
De acuerdo al gráfico se obtiene Ke = 35 N-min/m3 Ks = 0.784 N-min/kg-m =4.7 (in H2O.ft .min) / lb Conjunto de manga, porta manga, canastilla y ventura
Eficiencia Promedio de Recolección en Tolva Masa 1 Masa 2 ?mi Masa tolva 1881.2 1659.8 187.6 141.1 1800.9 1461 339.9 243.7 1714.8 1266 448.8 298.2 1564.2 1056.4 507.8 322.5 T filtración (min) Eficiencia (%) t pulso (ms) t operación (min) 0.08 75.21 250 30 0.18 71.70 250 30 0.25 66.45 250 30 0.50 63.50 250 30
Gráfico del Punto de Operación Prom.= 69.22 % T óptimo= 0.22 min.
Cálculo de la Caída Real de Presión P pulso = 551.6 Pa ? W = 2.919 PE Ks = 0.784 C = 0.8 g/m3 T filtración = 0.22 min ? P = 727.18 Pa Eficiencia de Colección Obtención de concentración a la salida T operación (min) t filtración (min) Masa m (g) Masa T (g) Masa p (g) 10 0.22 3.7 4.50 0.80 10 0.22 3.7 4.51 0.81 10 0.22 3.7 4.49 0.79 10 0.22 3.7 4.50 0.80 PROMEDIO = 0.80 C = 0.056 g/m3 8.3.6 Eficiencia h = 93% TOTAL
8.1 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES PARA EL FILTRO DE MANGAS
• Características de filtro diseñado o Número de mangas = 49 • Eficiencia de operación experimental del filtro es 93 % indica una excelente colección de partículas dentro del mismo que determina por tanto un control adecuado de emisión de partículas hacia la atmósfera. • Se recomienda el uso de este tipo de equipo de control durante el proceso de producción como medio de recuperación y control de emisión de partículas para cualquier tipo de industria de polvos como por ejemplo: producción de cemento, de harinas, arenas (canteras), etc. • En otras empresas que no producen polvos pero que generan partículas como las acerías (partículas metálicas), papeleras, etc. En las cuales el uso del filtro es recomendado para el control de emisión de dichas partículas. 9 TRANSPORTADOR HELICOIDAL Es uno de los instrumentos más antiguamente usados para el manejo de materiales. Consiste básicamente de un espiral montado en un eje que gira dentro de una artesa o tubo fijo. El material colocado en la artesa es desplazado a lo largo de ésta debido a la rotación del helicoide. Los sólidos recogidos son conducidos hasta la tolva de carga, entrando en la primera zona de escurrido. En esta se separa el agua contenida y los residuos se conducen a la zona de evacuación de los mismos. Es compacto y fácilmente adaptable a espacios reducidos, es versátil y puede ser utilizado para trayectorias horizontales o inclinadas, para controlar el flujo del material en operaciones de proceso, las cuales dependen de un bacheo preciso, como mezclador, agitador o para mantener soluciones en suspensión. El transportador helicoidal puede ser eficazmente sellado para evitar el escape de polvo o humo del interior; o en contra de la entrada de tierra o humedad del medio que le rodea. La artesa en ocasiones es enchaquetada para obtener una función de secador o enfriador. Está disponible en una amplia variedad de materiales para resistir la corrosión, abrasión o temperaturas extremas.
Las diferentes aplicaciones de un transportador helicoidal provienen, naturalmente, de dos factores: las características del material a ser transportado y las ventajas peculiares de operación de este tipo de transportador. Entre las diferentes ventajas de un transportador helicoidal esta la factibilidad de colocar diversas cargas y descargas a lo largo de la artesa, cada una fácilmente provista de una compuerta reguladora. Esta propiedad permite que el transportador helicoidal pueda recibir y distribuir una gran cantidad de material, así como diferentes tipos de material a lo largo de su trayectoria.
EN CUANTO A APLICACIONES, PODEMOS DECIR QUE DICHOS EQUIPOS SON FACTIBLES Y DE CORRECTO FUNCIONAMIENTO EN INSTALACIONES TALES COMO: •
ESTACIONES DEPURADORAS DE AGUAS URBANAS.
•
ESTACIONES DE BOMBEO Y COLECTORES.
LOS
SINFINES
•
ESTACIONES DE RIEGO.
•
FABRICAS DE PASTA DE PAPEL.
•
INDUSTRIAS AGRÍCOLAS.
•
INDUSTRIAS AGRO-ALIMENTARÍAS.
•
INDUSTRIAS QUÍMICAS.
•
INSTALACIONES DE INCINERACIÓN.
•
ETC...
TRANSPORTADORES
SON
LA
SOLUCIÓN
PARA
EL
TRANSPORTE DE PRODUCTOS MUY DIVERSOS:
MATERIALES FANGOSOS, SEMI-FLUIDOS, VISCOSOS, ETC...
PRODUCTOS FIBROSOS, AGLOMERANTES, ETC...
MATERIALES
IRREGULARES
O
QUE
TIENDAN
A
FORMAR
BÓVEDAS, ETC... Una de las aplicaciones más comunes es descargar material de camiones, silos o contenedores, para después iniciar su proceso. Estos equipos son empleados en plantas
de
almacenamiento
de
granos,
molinos
alimenticios,
plantas
de
procesamiento de cereales y plantas químicas. LOS
SINFINES
TRANSPORTADORES,
TIENE
INCORPORADOS
ESTÁNDAR LOS SIGUIENTES ELEMENTOS: -
PATAS SOPORTE SUELO.
-
TAPAS PROTECTORAS SUPERIORES Y MANETAS.
-
TOLVA DE CARGA.
-
TUBERÍA EVACUACIÓN DE AGUAS.
COMO
HELICOIDALES BÁSICOS. PASO ESTÁNDAR. LOS TRANSPORTADORES HELICOIDALES CON PASO IGUAL AL DIÁMETRO DEL ESPIRAL, SON CONSIDERADOS ESTÁNDAR. SON APROPIADOS PARA UNA
GRAN
VARIEDAD
DE
MATERIALES
EN
LA
MAYORÍA
DE
LAS
APLICACIONES CONVENCIONALES. LA DIRECCIÓN DEL PASO ES APLICABLE PARA TODO TIPO DE ESPIRAS, EL HELICOIDAL PUEDE TENER AMBAS DIRECCIONES EN EL MISMO TUBO, PERMITIENDO RECIBIR MATERIAL DE LOS EXTREMOS DEL TRANSPORTADOR Y DESCARGARLO CENTRALMENTE.
Espiral de Paso Doble. Proporciona en flujo suave y regular del material, así como un movimiento uniforme en cierto tipo de materiales.
Espiral Tipo Listón. Excelentes para transportar materiales pegajosos, el área abierta entre el listón y el tubo elimina la posibilidad de amontonamiento de material. Generalmente al conjugar un paso derecho con un paso izquierdo al centro del listón, tomará la función de mezclador.
Espiral Cortado.
Las espiras son recortadas a intervalos regulares por la orilla exterior, permitiendo así una función de mezcla y agitación del flujo del material. Usado para mover materiales que tiendan a apelmazarse.
Espiral con Paletas. Paletas posicionadas entre los espirales del helicoidal para proporcionar una acción de mezclado suave pero a fondo.
Espiral de Paso Variable. Los helicoides tienen un paso que se va incrementando, de menor a mayor, y se utilizan en alimentadores helicoidales para proporcionar una extracción uniforme del material y de flujo libre a través de la longitud total de la boca de entrada.
CLASIFICACIÓN DE MATERIALES
DIMENSIONES ESTÁNDAR DE CONDUCTORES HELICOIDALES.
CARACTERÍSTICAS GENERALES: CANAL.
DE DISEÑO ESPECIAL, CONSTRUCCIÓN EN COMPLETO ACERO INOXIDABLE CALIDAD AISI 304 O 316, LLEVA INCORPORADOS UNOS PLIEGUES EN LA PARTE SUPERIOR DE LA MISMA CON LA FINALIDAD DE DAR UBICACIÓN A LAS TAPAS PROTECTORAS. RODEANDO A LA MISMA, SE INTRODUCEN UNOS REFUERZOS
EN
FORMA
DE
U
PARA
GARANTIZAR
EL
CORRECTO
FUNCIONAMIENTO DE DICHO EQUIPO. BOCA DE CARGA. DISEÑO Y DIMENSIONES ACORDE CON NECESIDADES, CONSTRUCCIÓN EN ACERO INOXIDABLE CALIDAD AISI 304 O 316.
TAPAS PROTECTORAS. UBICACIÓN EN LA PARTE SUPERIOR DE LA CANAL DE TRANSPORTE, SECCIÓN LONGITUDINAL, ESTAS LLEVAN INCORPORADAS UNA MANETAS PARA LA EXTRACCIÓN DE LAS MISMAS, CONSTRUCCIÓN EN ACERO INOXIDABLE CALIDAD AISI 304 O 316. CAMA TRANSPORTE. POLIETILENO ANTIDESGASTE HD-1000. DE SECCIÓN CURVA. PATAS SOPORTE EQUIPO. SOLDADAS DIRECTAMENTE A LA CANAL DE TRANSPORTE, TANTO LA DISTRIBUCIÓN, CANTIDAD Y POSICIÓN DE MONTAJE ESTARÁN ACORDE CON LA IMPLANTACIÓN, CONSTRUCCIÓN EN ACERO INOXIDABLE CALIDAD AISI 304 O 316. ROSCA HELICOIDAL. CONSTRUCCIÓN EN ACERO INOXIDABLE CALIDAD AISI 304 O 316, ESTA TIENE
CORRECTAMENTE
ACOPLADOS
UNOS
CEPILLOS
SOLDADOS
DIRECTAMENTE A LA MISMA, LOS CUALES TENDRÁN EL DIÁMETRO PRECISO
PARA EFECTUAR LA LIMPIEZA PRECISA DE LA ZONA DE ESCURRIDO UBICADA EN LA CANAL DE TRANSPORTE. EQUIPO MOTRIZ. Compuesto por un grupo motoreductor que mediante una transmisión directa acciona el eje principal en el cual se halla sujeta la rosca helicoidal. Construido en perfiles laminados de acero inoxidable calidad AISI 304 o 316. 9.1 DISEÑO DEL TRANSPORTADOR HELICOIDAL. FLUJO DE TRANSPORTE PARA UN HELICOIDE LLENO. Se evalúa con la siguiente expresión: QV = 60 ⋅
ADOPCIÓN
DEL
D2 ⋅π ⋅ϕ ⋅ S ⋅ n ⋅ k 4
DIÁMETRO,
EL
PASO
Y
EL
ÁNGULO
DE
INCLINACIÓN: “D“, “S” Y “Ø” PARA LA ADOPCIÓN DEL DIÁMETRO SE TOMARA EN CUENTA UN ESTÁNDAR DE DIÁMETROS DE
LOS TRANSPORTADORES HELICOIDALES QUE SE
CONSTRUYEN EN LA INDUSTRIA (TABLA 2.1). TENEMOS LOS SIGUIENTES VALORES NORMALIZADOS PARA D Y S (TAMBIÉN SE PUEDE TOMAR S=D O S=0.8D). Tabla 2.1 Diám etro
D(m m )
100
125
160
200
250
315
400
500
630
800
1000
Paso
S(m m )
100
125
160
200
250
300
350
400
450
500
560
De donde tomaremos el diámetro de: D = 200 mm = 0.20m ≅ 8 in
ADEMÁS SE TOMARÁ EL PASO RECOMENDADO PARA DICHO DIÁMETRO, DE LA MISMA TABLA:
S = 200 mm = 0.20 m ≅ 8 in
ADOPCIÓN DE LA VELOCIDAD DE ROTACIÓN DEL HELICOIDE: “N”
COMO EL MATERIAL A TRANSPORTAR ES UN MATERIAL POLVO, Y POCO ABRASIVO “CLASE C”, LA VELOCIDAD RECOMENDADA PARA UNA PRIMERA APROXIMACIÓN VARIA ENTRE 100 Y 50 RPM (TABLA 2.2). REVISANDO OTRA BIBLIOGRAFÍA, LA TABLA 2.3 NOS DA LA VELOCIDAD SEGÚN EL MATERIAL Y ADEMÁS EL DIÁMETRO DEL HELICOIDE QUE EN REALIDAD ES UN POCO MÁS DETALLADA,
OBSERVANDO
AMBAS
TABLAS
CONCLUIMOS
ADOPTARA UN VALOR MÁXIMO RECOMENDADO DE LA TABLA 2.3. n = 165rpm
Tabla 2.2
Tabla 2.3
QUE
SE
De donde además obtenemos el coeficiente de llenado de la sección del canal (Tabla 2.3).
ϕ = 0.13 *FACTOR MEDIO SEGÚN LA INCLINACIÓN DEL TRANSPORTADOR: “K” Según la Tabla 2.4 el valor correspondiente para una inclinación del transportador de 30º es:
K = 0.5 Tabla 2.4
Reemplazando los valores adoptados y/o encontrados en la hoja de cálculo Diseño del Helicoide para evaluar la ecuación del flujo de transporte para un helicoide lleno tenemos:
QV = 31 m
3
h
Potencia de Accionamiento. Considera un factor experimental denominado coeficiente total de fricción Pa =
Q ⋅ (L ⋅ fg ± H ) 360
CAUDAL MÁSICO:
γ = 3000
kg f m3
Q = QV ⋅ γ
fg
.
Q=
kg 1 tn m3 ⋅ 3000 3 ⋅ h m 1000 kg Q = 93
La longitud
tn h
LONGITUD: del transportador helicoidal depende del sitio y de las instalaciones
donde trabajará el transportador. L = 1.5 m
COEFICIENTE TOTAL DE FRICCIÓN:
De la Tabla 2.2 obtenemos que el valor intermedio del coeficiente total de fricción para las condiciones de diseño planteadas es: f g = 4.40 Donde reemplazando los valores encontrados en la hoja de cálculo Diseño del Helicoide para evaluar la ecuación de la potencia de accionamiento, tenemos:
Pa = 1.71kW Que es la potencia necesaria para accionar el helicoide. Potencia del Motor Eléctrico. La potencia del motor eléctrico será: P=
Pa ng
La potencia del motor eléctrico se evaluará para un nivel de trabajo de 3000msnm. Donde obtenemos: P = 2.6 kW
Con este valor calculado de la potencia del motor requerido recurrimos al catálogo electrónico de Motores WEG, de donde seleccionamos un motor que se adecue a las condiciones de trabajo y como existen motores eléctricos con potencias específicas, seleccionamos uno que se aproxime o supere a la potencia del motor encontrada anteriormente. Además se seleccionará un motor eléctrico de inducción tipo jaula de ardilla, porque su costo de adquisición y mantenimiento es bajo. La potencia del motor seleccionado entonces es: P = 2.6 KW = 3.5 Hp
Mayor información del cálculo, selección y características del motor revisar Motor del Helicoide que se adjunta en el documento. Con este valor hacemos un pequeño recalculo para ver si todavía estamos entre margen de valores, para la velocidad de giro, establecidos como estándares para el material transportado en específico, ya si no pasamos de esta velocidad de transporte el helicoide ya no funcionará como transportador si no como mezclador. Pa = P ⋅ n g = 2.6 * 0.66
Pa = 1.72 kW Q=
360 ⋅ Pa 360 *1.72 = ( L ⋅ f g + H ) (1.5 * 4.40)
Q = 93.6 tn QV =
h
kg f Q 93.6 tn ⋅ m 3 = ⋅ ⋅ 1000 γ 3000 h ⋅ kg f tn 3 QV = 31.2 m
h
n=
QV ⋅ 4 31.2 * 4 = 2 60 ⋅ D ⋅ π ⋅ ϕ ⋅ S ⋅ k 60 ⋅ 0.20 ⋅ π ⋅ 0.13 ⋅ 0.20 ⋅ 0.5 2
n = 32.5 rev
min
Esta velocidad obtenida con la potencia del motor real o de trabajo, todavía está dentro del margen de velocidades para el material en la Tabla 2.2. 30 < 32.5 < 70 rpm Con esto, se podría decir que queda verificado el buen funcionamiento del helicoide como transportador ya que la velocidad de giro del helicoide está dentro los márgenes de velocidades específicas para el material.
Fuerza Axial. Es el esfuerzo máximo que acciona sobre el helicoide a lo largo del tornillo.
Fa =
Ma r ⋅ tan ( α r + ρ )
En el cual M a es el momento torsor producido por la potencia del motor: M a = 9.55 ⋅
P n
Donde r es el radio en el cual está aplicada la fuerza de fricción de la carga con el helicoide (distancia entre el eje del helicoide y el centro de gravedad del segmento transversal de la carga en el canal). r = ( 0.7...0.8) ⋅
D 2
Como en los demás valores, adoptaremos un valor intermedio, con lo que:
r = 0.75 ⋅
D 2
Y α r es el ángulo de elevación de la línea del helicoide en grados. tan α r =
S 2 ⋅π ⋅ r
S α r = tan −1 2 ⋅π ⋅ r
ρ es el ángulo de fricción de la carga por el helicoide en grados, y µ es el coeficiente de fricción de la carga con el helicoide. tan ρ = µ
ρ = tan −1 ( µ ) Tabla 2.7 Coeficientes de rozamiento contra la plancha de acero.
El calculo interno que hace la hoja de cálculo Diseño del Helicoide, está en base a estas ecuaciones, evalúa internamente estas ecuaciones tomando como referencia los datos y valores encontrados anteriormente introducidos y devuelve el la celda el valor correspondiente a dicha incógnita. Considerando al material a transportar como arcilla húmeda ya que no es posible conseguir valores específicos para el material que queremos transportar que en nuestro caso es la materia en suspensión de las piscinas plantas de tratamiento de aguas, en otras palabras el lodo de dichas piscinas. El valor del coeficiente de fricción intermedio correspondiente según la Tabla 2.7 y con el cual haremos el cálculo es:
µ = 0.93
REEMPLAZANDO LOS VALORES ADOPTADOS Y/O ENCONTRADOS EN LA HOJA
DE
CÁLCULO
ECUACIONES
DE
DISEÑO
FUERZA
DEL
AXIAL
HELICOIDE
Y
DEMÁS
YA
PARA
EVALUAR
LAS
MENCIONADAS
LOS
RESULTADOS OBTENIDOS SON LOS SIGUIENTES: Fa = 5.7 kN M a = 0.76 kN ⋅ m
r = 0.075 m
α r = 17.7° ρ = 42.9º Velocidad de Transporte del Material. LA VELOCIDAD DE TRANSPORTE SE DETERMINARA DE LA SIGUIENTE MANERA.
v = S ⋅n
EVALUANDO ESTA ECUACIÓN EN LA HOJA DE CÁLCULO DISEÑO DEL HELICOIDE OBTENEMOS EL SIGUIENTE RESULTADO.
v = 0.12 m
s
Datos Tabulados de las Características Generales: Resumiendo todo el cálculo hecho hasta el momento en la Tabla 2.8 indicamos las características más relevantes.
Tabla 2.8 Características del Transportador Helicoidal Diámetro
D
0.20
m
Angulo de Inclinación
φ
30.0
º
Longitud
L
1.5
m
Altura de Transporte
H
0
m
Velocidad de Rotación
n
32.5
Flujo de Transporte
QV
31
m3 h
Flujo Másico
Q
93
tn h
Potencia de Accionamiento
Pa
2.6
kW
rev min
Potencia del Motor (3000
P
3.5
Hp
Velocidad de Transporte
v
0.12
m s
Fuerza Axial
Fa
5.7
kN
Momento Torsor Máx.
Ma
0.76
msnm)
kN ⋅ m
Diseño del Eje Hueco. Los datos de partida son los siguientes: Fa
=
5.7
Ma
=
0,76
KN ⋅ m
Mb
=
4,94
KN ⋅ m
Ka
=
1,00
Kb
=
1,50
ASME: Relación de Diámetros:
ss
=
41369
K
=
Resistencia a Fluencia:
sy
=
0,50 32000
Extremos del Eje:
m
=
Fuerza Axial: Momento Torsor sobre el eje del Helicoide: Momento de Flexión sobre el eje del Helicoide: Factor de choque y fatiga, al momento torsor: Factor de choque y fatiga, al momento flector: Esfuerzo permisible para ejes, código
0 1,6
kN
kN m 2
kN m 2
Reemplazando los valores, que en su momento fueron evaluados, en la hoja de cálculo Diseño del Helicoide obtuvimos los siguientes resultados: Diámetro interior del Eje:
di
=
0,030
m
Diámetro exterior del Eje:
do
=
0,050
m
Diseño del Canal. Para diseñar la canal se considerara todas las cargas que actúan sobre este, que son el peso del helicoide, el peso del material y del eje, además se debe adicionar una carga muerta en el canal de 400 kg. El peso del material y del eje ya se calculó anteriormente.
R At(Hélice)
R Ct(Hélice)
R Bt(Hélice)
4 0 0 k g= 8 8 1 .8 5 lb
4 0 0 k g
Espesor de la plancha: Para determinar el espesor de la plancha se analizara por el método de paredes delgadas, en donde el espesor mas ancho que podría tomar se debe a la que resiste un esfuerzo tangencial. Este se expresa de la siguiente manera.
e=
p⋅D 2 ⋅ Padm,tensión
Donde el esfuerzo admisible debido al material de acero dulce posee un admisible de: Padm,tensión = 190
N
mm 2 = 27.55 kpsi
Sustituyendo todos los valores obtenemos un espesor de e = 8 mm = 0.31 in
Se tomara este espesor para toda la carcasa o torva. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA A COMPRESION Para el diseño de la estructura se tomara en cuenta el peso de la estructura mismo más el de los filtros y un peso extra que es de los demás componentes del filtro de mangas y se ara el análisis en la parte inferior de la estructura, por que se supone que es esa la parte donde puede fallar. Se asumirá un peso de 5000kg dicho peso se dividirá entre 4 por que la estructura esta soportado por cuatro patas. Entonces nuestro peso de diseño será
PU=1250kg PU=2.8klb Pu = φc Fcr Ag
KL = 50 A tablas Asumir: rmin
Ag =
Pu 2.8 Klb * in 2 = = 0.1in 2 φc Fcr 26.83Klb
Ag=0.1in2 con esta área ir al manual a seleccionar el perfil
1erensayo L 2 * 2* 1/8
Ag=0.484in2
rz=0.398
El valor de K=1.2; L=800mm=31in Se usa este valor, por la forma como esta actuando la carga en la estructura. KL 1.2 * 31 = = 94.96 < 200 rmin 0.398 KL = 94.96 A tablas rmin
φc Fcr = 19.03
klb in 2
Pu = φc Fcr Ag
Pu=19.03*0.484=9.2Klb≥2.8 Klb; Correcto para diseño Para la estructura se utilizara angulares L 2 * 2* 1/8
SELECCIÓN DEL MOTOR Este será utilizado en el transportador helicoidal.
SELECCIÓN DE PERNOS PARA LA TAPA
SELECCIÓN DE RODAMIENTOS Los rodamientos serán utilizados en los ejes del transportador helicoidal.
ANALISIS DE COSTOS En los análisis de costos se asume precios aproximados. COSTOS DE MATERIALES MATERIALES Chapa de acero perfiles esqueleto del filtro tela del filtro ductos de aire comprimido Electrodos manómetro cilindro de compresión
UNIDAD 15(m2) 40(m) 49 49 7 100(kg) 1 1
trasportador helicoidal reductor
1 1
Motor COSTO TOTAL COSTO MANO DE OBRA COSTO TOTAL DEL FILTRO DE MAGAS
1
APLICACIÓN carcasa estructura soporte del filtro purificar el aire conducir al aire soldadura medir la presión comprimir aire transportar el producto reducir velocidad generar energía mecánica
COSTO UNITARIO (Bs) 360 67 200 100 30 15 60 200
COSTO TOTAL (Bs) 5400 2680 9800 4900 210 1500 60 200
1000 1000
1000 1000
2000
2000 28750 30000 58750
CONCLUSION Y RECOMENDACIÓN La realización de esta clase de proyectos es de gran importancia ya que tiene que ver con la contaminación del medio ambiente.
Proponer alternativas para la no contaminación del medio ambiente con la utilización de esta clase de filtros es un buen método ya que tiene un 93% de rendimiento. La amplia gama de su aplicación en las empresas que contaminan al medio ambiente lo ase de gran importancia a esta clase de filtros de mangas. Mi recomendación seria que las empresas que necesiten de su uso de esta clase de filtros para poder proteger al medio ambiente, lancen proyectos de mejorías en la filtración ya que es de gran importancia su uso en las empresas, especialmente en las cementeras.
A aquellas empresas que a un no lo hacen el uso de esta clase de filtros de mangas recomendarles que lo puedan usar por que al no usar están asiendo un gran daño al medio ambiente y por ende a la forestación animales y muy en especial a la salud humana.
FOTOS
