Diseño y construcción de una Briqueteadora manual
Presentado por: Andrés Felipe Jaramillo Muñoz Plinio José Angulo González Martín Pinto Martínez
Presentado a: Ing. Arnold Martínez
Universidad Pontificia Bolivariana Facultad: Ingeniería Mecánica Curso: Mecanismo I Montería 2012
Introducción
En la era tecnológica que vivimos, y que es de suponer continúe su perfeccionamiento en el futuro, la maquina ocupa un papel primordial. Si el concurso de estos ingenios, la vida en la tierra, tal como hoy se conoce sería realmente imposible. La máquina se encuentra presente en todas las actividades del ser humano, desde la vida cotidiana hasta los sectores productivos primarios y secundarios, pasando por el sector de servicio, incluyendo los de formación. Las máquinas en general, son aparatos poderosos de que se sirve el hombre para la producción, en los cuales están previamente calculados los efectos de las fuerzas de potencia, roce, peso y resistencia, así como sus movimientos; teniendo por objeto apoderarse de las fuerzas de la naturaleza, para modificarlas, transformarlas, transmitirlas y gastarlas con la debida oportunidad y la conveniente celeridad, a fin de que den el resultado apetecido, pues aunque carecen de voluntad, de inteligencia y de destreza, funcionan con mayor ajuste, regularidad y precisión que el más despejado obrero. Estos aparatos, si bien tienen movimientos constantes, circunscritos y regulados por sus piezas, y si bien no piensan, juzgan y deliberan en sus procedimientos, el hombre los impulsa, los dirige y los adopta a sus fines productores, en calidad de auxiliares de su trabajo. Toda máquina, grande o pequeña, de una o de otra industria, cualquiera que sea la forma que afecta o el fin que se propone, debe su existencia a un principio económico, o sea a un trabajo anterior, y es la forma más ordinaria e importante en que suele presentarse. La importancia de las máquinas en la producción es indiscutible e inmensa, pues aumentan y aceleran los procedimientos, perfeccionan los trabajos, abaratan las cosas, ahorran esfuerzos penosos, hacen al hombre dueño de la producción, facilitan el comercio, extienden el consumo, satisfacen muchas necesidades y promueven el bienestar universal. [1]. Por otro lado es importante para nuestra formación como profesionales poner en práctica las competencias adquiridas, al desarrollar proyectos de tal magnitud, siempre en busca de satisfacer y facilitar el trabajo que a diario realizamos. El objetivo principal es el diseño y construcción de una maquina Briqueteadora manual que cumpla con todos los requisitos de diseño propuesto como la eficiencia, peso, facilidad al momento de la operación etc.
Objetivos Objetivo General
Diseñar y construir una maquina Briqueteadora de operación manual utilizando materiales asequibles comercialmente; con el fin de facilitar la elaboración de briquetas de diferente biomasa.
Objetivos Específicos
Determinar las condiciones de operación y diseño de la maquina Briqueteadora Elaborar los cálculos a partir de los requisitos de operación. Construir la maquina utilizando materiales asequibles comercialmente Realizar los ensayos de operación de la maquina con diferente tipo de biomasa Especificar las recomendaciones de operación de la maquina Briqueteadora.
Marco Teórico
En los últimos años se han proliferado las publicaciones, los congresos, investigaciones, conferencias y reuniones que versan en torno a las llamadas energías renovables. Al principio se las denominaba con varios adjetivos: complementarias, limpias, alternativas o nuevas. El ser renovable indica que su producción se renueva en el tiempo. Por otro lado cuando se habla de complementarias indica que completan las necesidades energéticas suministradas por las energías clásicas (carbón, petróleo, gas natural, energía nuclear e hidroeléctrica).Las energías renovables más estudiadas en la actualidad son: La biomasa, la energía solar, la geotérmica, la eólica y la energía de las mareas. Las briquetas o bloque sólido combustible son bio-combustibles para generar calor utilizados en estufas, chimeneas, salamandras, hornos y calderas. Es un producto 80 % ecológico y renovable, catalogado como bio-energía sólida, que viene en forma cilíndrica o de ladrillo y sustituye a la leña con muchas ventajas. El término briqueta es un término confuso porque puede estar fabricada con diversos materiales compactados. La materia prima de la briqueta puede ser biomasa forestal (procedente de aserraderos, fábricas de puertas, fábricas de muebles, fábricas de tableros de partículas, etc.), biomasa residual industrial, biomasa residual urbana, carbón vegetal o simplemente una mezcla de todas ellas. Generalmente están hechas con materia residual, como madera, cascarilla de arroz, bagazo de caña de azúcar, residuos de pulpa de papel, cascara de coco, residuos de algodón, cartón, etc. y se aglomeran con agua, aunque en algunos casos con otros residuos orgánicos. Estas leñas compactadas son utilizadas para calefacción, para cocinar y para uso industrial como ladrillos, cal, cemento, metalurgias, secadores, tostadores y demás procesos que consumen grandes cantidades de madera. La briqueta más utilizada es la leña de aserrín compactado, también conocida como leñetas, que no utilizan ningún tipo de aglomerante ya que la humedad y la propia lignina de la madera funcionan como pegamento natural. Son 100 % naturales y ecológicas, ya que están hechas de desperdicios forestales tales como el serrín, viruta, chips, ramas, restos de poda, raleo fino, etc. Los mismos son molidos, secados a un 10 % de humedad y luego se compactan para formar briquetas generalmente de formato cilíndrico o cuadrado. Esta leña de serrín compactado posee mayor poder calorífico que la leña tradicional, encienden mas rápido, no desprenden humos ni olores y su uso evita la tala indiscriminada de árboles. [2].
Para aglomerar en briquetas es necesario un adhesivo que se mezcle con la carbonilla, una prensa para formar un bloque o briqueta que luego será pasado por un horno de secado, para curarlo o asentarlo, evaporando el agua para que dicho bloque resulte suficientemente resistente para ser usado en los mismos equipos de combustión del pedazo normal de carbón vegetal. La biomasa de carbón vegetal por ejemplo, es un material que carece totalmente de plasticidad y necesita por lo tanto del agregado de una substancia pegajosa o aglomerante para que se pueda formar el bloque. El adhesivo deberá preferentemente ser combustible, si bien puede adaptarse un adhesivo incombustible, efectivo a bajas concentraciones. Se prefiere el almidón por ser combustible, si bien es comúnmente caro. Son aptas las arcillas muy plásticas, siempre que no se las emplee con más del 15%. Han sido empleados, también, el alquitrán y el betún de la destilación de carbón o de las retortas de carbón vegetal para briquetas de uso especial, pero tienen que ser carbonizados de nuevo, antes del empleo, para poder aglomerar correctamente; resultan de buena calidad pero de producción cara. La prensa para hacer las briquetas debe ser bien proyectada, de construcción sólida y capaz de aglomerar la mezcla de biomasa y adhesivo en forma adecuada para su manipuleo durante el proceso del curado o secado. La producción de briquetas debe justificar el costo de la inversión y del funcionamiento de la máquina. Las máquinas para fabricar briquetas de biomasa son, por lo general, máquinas de precisiones costosas, capaces de una gran producción. Se han empleado prensas para hacer ladrillos, pero parece que para este objeto no hay máquinas comercialmente efectivas a un precio realmente bajo. Como se ha dicho, muchos son los adhesivos que se han ensayado, pero el almidón es el más común y efectivo, siendo adecuado en alrededor del 4-8%, amasando una pasta con agua caliente. Primero, la carbonilla se seca y se tamiza. La carbonilla muy fina se rechaza y la grande se muele. Este polvo se mezcla con la pasta de almidón pasándola a la prensa para el aglomerado. Las briquetas se secan en un horno continuo a alrededor de 80° C. El almidón se asienta con la pérdida del agua, ligando el carbón en trozos que pueden ser manipulados y quemados igual que el común pedazo de carbón vegetal en hornillos o parrillas caseras. Por lo general las briquetas no son aptas para el uso como carbón vegetal industrial en los altos hornos y cúpulas de fundición, puesto que la adhesión se desintegra al mínimo calentamiento. Por este motivo, para producir briquetas metalúrgicas de carbón vegetal, con suficiente resistencia al desmenuzado, se necesitarán bloques ligados con alquitrán o betún que serán luego carbonizados en carboneras. El costo es demasiado elevado en la mayoría de los países, como para que el proceso encuentre aplicación industrial.
Durante su fabricación, para tener un producto más aceptable, pueden agregarse sustancias que ayuden la combustión de las briquetas, como ceras, nitrato de sodio y otros. También, para reducir el costo de la briqueta, pueden mezclarse con la carbonilla, arcilla como adhesivo, sílice y otros. Esto por supuesto baja el valor calorífico y constituye una forma de adulteración por la que el consumidor paga, si bien podría afirmarse que la combustión mejora. Pero las briquetas bien hechas constituyen un producto aceptable y conveniente. La virtual ausencia de material fino y polvo, y su uniformidad las hacen atractivas para parrilladas. Cuando el mercado tiene altos precios se venden generalmente a casi el mismo costo por kg que el carbón vegetal en trozos, y tienen más o menos el mismo calor calorífico de un carbón vegetal comercial con el 10-15% (de contenido de humedad). Fabricación de briquetas como industria casera
No hay duda que la biomasa no usada es un desperdicio de recursos y un operador despierto estará siempre en la búsqueda de una salida económico para ella. Desafortunadamente, no hay medios sencillos, realmente satisfactorios para fabricar briquetas en un nivel de pequeña industria. Se puede con medios primitivos prensar la biomasa mezclada con pasta de almidón o arcilla en un molde y secarla. Se hacen estas tortas de biomasa vegetal en muchos países, pero su éxito depende de poner a disposición de los hogares, a precios muy bajos, lo que normalmente no es posible, puesto que la biomasa se encuentra en cantidades sólo cerca de los centros de producción y no en las ciudades donde se dispone, para obtener el producto de la mano de obra familiar no pagada. Pero, a pesar de la dificultad, deben estudiarse con cuidado este tipo de oportunidades, en el interés de la economía energética nacional global. [3]. La energía producida por la biomasa se puede usar directamente para la combustión en forma de material picado o prensado a través de briqueta. Por medio de la producción de estas se consigue una forma estándar para alcanzar una relación de volumen significativo. Puesto que dentro de las propiedades mecánicas de los combustibles estandarizados en forma de briqueta lo más importante son el peso, el volumen y la resistencia mecánica. Estos parámetros dependen del material utilizado además de su contenido de agua y presión de compactación. Para eso se determina el volumen de material según la norma DIN 51731 con una densidad (ρ) igual a 100 0 kg/m3. Si la briqueta son de sección circular entonces su diámetro es de 20 a 120 mm y longitud de hasta 400 mm
La briqueta de sección circular que se muestra en la figura, están sometida a una fuerza en dirección perpendicular a su eje de simetría como se muestra en la figura, dicha fuerza destructivas son conocidas para varios materiales.
Figura 1: Dirección de la fuerza en la briqueta Con las briquetas es posible alcanzar una reducción considerable del volumen de material. Este método puede ser utilizado para procesar diferentes materiales inflamables como por ejemplo: el aserrín de madera, virutas, cartón, papel usado, cascaras de frutos secos, carbón, etc. El hacer briquetas con estos materiales, hay que basarse en la presunción de que una cantidad mayor de material en la cámara de prensado provoca una mejor compactación de esta mejorando así su resistencia, pues se necesitaría una fuerza mucho mayor para su descomposición [4]. Para poder diseñar la maquina Briqueteadora es necesario conocer todo lo relacionado a las propiedades mecánicas, para a partir de allí establecer los cimientos que permitan desarrollar los cálculos y así su posterior construcción.
Fig. 1 (cilindro agujerado)
Fig.2 (plataforma)
Fig.4 (arandelas separadoras) Fig.5 (montaje)
Fig.3 (cilindro interno con función de eje)
Fig.7 ( soporte transversal inferior)
Fig. 6 (soportes)
Fig.9 (barras de acople de la biela)
Fig.8 (barras de acople)
Fig.10 (soporte transversal superior)
Fig.11 (biela)
Imágenes de Bosquejo de Briqueteadora
Para realizar este trabajo vamos a considerar dos modelos de máquina. Una de ella es por medio del principio de palanca acoplada a una prensa como se muestra en la imagine. El otro modelo es empleando el mecanismo de un gato hidráulico.
Valores Medido de Biomasa
1. Coriandro a) Volumen de peso 800-900 kg/m 3 b) Destrucción de la fuerza 30-50 N/mm c) Rango de presión de prensado 32-40 MPa 2. Crambe a) Volumen de peso 670-800 kg/m 3 b) Destrucción de la fuerza 25- 55 N/mm c) Rango de presión de prensado 14- 21 MPa 3. Saphlor a) Volumen de peso 760- 890 Kg/m 3 b) Destrucción de la fuerza 40-70 N/mm c) Rango de presión de prensado 37- 43 MPa 4. Acadera a) Volumen de peso 800- 860 Kg/m 3 b) Destrucción de la fuerza 45- 70 N/mm c) Rango de presión de prensado 42- 45 MPa 5. Sorgo a) Volumen de peso 800- 870 Kg/m 3 b) Destrucción de la fuerza 40- 60 N/mm c) Rango de presión de prensado 31- 35 MPa 6. Reed alpiste a) Volumen de peso 600- 840 Kg/m 3 b) Destrucción de la fuerza 10-35 N/mm c) Rango de presión de prensado 14-21 MPa
7. Knotweed a) Volumen de peso 760-800 Kg/m 3 b) Destrucción de la fuerza 45- 80 N/mm c) Rango de presión de prensado 40- 45 MPa 8. Paja de Cebada a) Volumen de peso 650- 730 Kg/m 3 b) Destrucción de la fuerza 6.13 N/mm c) Rango de presión de prensado 29-34 MPa 9. Colza paja a) Volumen de peso 800- 860 Kg/m 3 b) Destrucción de la fuerza 24-40 N/mm c) Rango de presión de prensado 35- 40 MPa La presión de prensado son dad por la estructura de la biomasa, influenciado por la resistencia del material desarrollado en la matriz de la maquina de prensado
Conclusión
Es muy factible la realización e implementación de Briqueteadora de biomasa en las pequeñas empresas, ya que reduce los costos que generaría esta en comparación con las grandes empresas. De igual manera reduce el impacto ambiental, ya que se evita hacer uso de las energías complementarias, reutilizando en dichas maquinas los residuos en empresas donde se trabaja con madera, minimizando de esta manera la tala indiscriminada de árboles.
Bibliografía
[1].Roque calero Pérez, José Antonio carta González, Fundamento de Mecanismo y máquinas para ingenieros; Editorial Mc Graw Hill; Pag 1-2 [2] Francisco Marcos Martin; Pélets y Briquetas; Ideas Previas. [3] FAO- Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación; Métodos simples para fabricar carbón vegetal ISBN 92-5301328-1 [4] D. PLÍŠTIL, M. BROŽEK, J. MALAŤÁK , A. ROY, P. HUTLA; Mechanical characteristics of standard fuel briquettes on biomass basis; RES. AGR. ENG., 51, 2005 (2): 66 –72
