Informe

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UNIVERSIDAD TCNICA FEDERICO SANTA MARASEDE VIA DEL MAR JOS MIGUEL CARRERA

DISEO DE SISTEMA PARA LA OBTENCIN DE BRIQUETAS DE CARBN VEGETAL CON EL FIN DE REDUCIR EL USO DE COMBUSTIBLES FSILES

Trabajo de Titulacin para optar al Ttulo de Ingeniero de Ejecucin en MECNICA DE PROCESOS Y MANTENIMIENTO INDUSTRIAL

Alumno:Kenneth Aballay Bombal

Profesor Gua:Ing. Claudio Olgun Bermdez

2013RESUMEN

Keywords:diseo, cilindros prensadores, carbn vegetal, briqueta.

El objetivo principal del presente trabajo es disear una mquina para la obtencin de briquetas, para lo cual se han analizado ciertos parmetros o criterios de construccin para su realizacin. Entre ellos destacan: diseo innovador, fcil construccin y operacin de la misma. El diseo busca a su vez optimizar el uso de carbn vegetal, que es la materia prima en la cual se bas el estudio del trabajo, disminuyendo as, el consumo de energa no renovable. Para su realizacin, fue necesario recurrir al estudio de la biomasa presente en nuestro pas, especficamente forestal, adems de indagar en informacin terica como prctica del proceso de briquetado. A partir de estos anlisis, se generan las bases para la fabricacin y confeccin de la mquina y su principio compactador, el cual ser de cilindros prensadores. Posterior a esto se realizan los diseos y clculos correspondientes de los distintos elementos mecnicos que la formarn. Tambin se llevar a cabo el clculo de los componentes, los que posteriormente sern elegidos a travs de catlogos para su requisicin. Cabe sealar que se realiz un estudio acabado del diseo de una mquina compactadora de carbn vegetal, la cual entregar materia prima que se utilizar como reemplazo de algn combustible fsil y as, en cierta medida, disminuir el impacto medio ambiental. De diseo factible, porque es totalmente desarmable y de fcil fabricacin como tambin de transportar. Tambin, si se requieren briquetas de menor dimetro, masa, o tipo, se pueden cambiar los cilindros prensadores por otros que tengan las semiesferas con los dimetros y volmenes requeridos. Adems presenta un llamativo retorno de inversin, por lo que es de suma factibilidad su realizacin. Finalmente, este diseo se ha realizado, utilizando los conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera universitaria, por lo tanto, este trabajo ser de gran utilidad, para las siguientes generaciones que deseen realizar estudios o trabajos sobre este tema.

NDICE

RESUMENSIMBOLOGAINTRODUCCINOBJETIVOSOBJETIVO GENERALOBJETIVOS ESPECFICOS

CAPTULO 1: ANTECEDENTES GENERALES.1. ANTECEDENTES GENERALES.1.1 POTENCIAL DE BIOMASA DE CHILE.1.2 BIOMASA FACTIBLE DE EXPLOTAR EN CHILE.

CAPTULO 2: PROCESO DE BRIQUETADO.2. PROCESO DE BRIQUETADO2.1 BRIQUETADO2.1.1. Briqueta2.2 CARACTERISTICAS ENERGETICAS DE LAS BRIQUETAS2.3 PROCESO PARA LA OBTENCIN DE BRIQUETAS2.4 MATERIA PRIMA APROPIADA PARA BRIQUETAR2.4.1Humedad2.4.2 Tamao de las partculas2.4.3 Presin y temperatura2.4.4 Aglutinante2.4.4.1. Tipos y propiedades de los aglutinantes2.5 MQUINAS BRIQUETADORAS

CAPTULO 3: DISEO DETALLADO DEL SISTEMA DE COMPACTACIN DE RESIDUOS DERIVADOS DEL CARBN MINERAL3. DISEO DETALLADO DEL SISTEMA DE COMPACTACIN DE RESIDUOS DERIVADOS DEL CARBN MINERAL3.1 PROCEDIMIENTO PARA EL DISEO DE LA MQUINA.3.2 ELECCIN DEL PRINCIPIO MECNICO DE LA MAQUINA A DISEAR3.3 REQUERIMIENTOS DEL DISEO3.3.1. Requerimientos deseables.3.4 DISEO DE FORMA DE LA BRIQUETADORA.

CAPTULO 4: CLCULO DE LAS PIEZAS QUE FORMARN LA MQUINA4. CLCULO DE LAS PIEZAS QUE FORMARN LA MQUINA4.1. DISEO DE LA ESTRUCTURA4.2. DISEO DE CILINDROS ROTATIVOS PRENSADORES4.3. DISEO DE LA TOLVA DE ALIMENTACION4.3.1. Cubo4.3.2. Reduccin Rectangular Concntrica4.4. DISEO DEL CILINDRO CLASIFICADOR4.4.1. Clculos de la Reduccin Cnica Concntrica4.5. DISEO DE SISTEMA DE AJUSTE PARA CALIBRACION DE CILINDROS4.5.1. Clculo de los pernos sujetadores4.5.1.1Clculo de las cargas resultantes en cada perno.4.6. ELEMENTO ASEGURADOR4.7. DISEO DE LOS ACOPLES

CAPTULO 5: CLCULO DE LOS COMPONENTES QUE INTEGRARN LAS PIEZAS DE LA MQUINA5. CLCULO DE LOS COMPONENTES QUE INTEGRARN LAS PIEZAS DE LA MQUINA5.1 CLCULO DE LOS CILINDROS ROTATIVOS PRENSADORES.5.1.1. CALCULO DE LOS EJES DE LOS CILINDROS5.1.2. CLCULO DE DIMETROS Y CONCENTRACIN DE ESFUERZOS5.2. SELECCIN ANILLO DE SUJECIN PARA EL PION5.3 CLCULO DE LAS CHAVETAS5.4. CLCULO DE LOS ENGRANAJES DE DIENTES RECTOS DE LOS CILINDROS ROTATIVOS.5.4.1. Anlisis y clculo de las cargas en los engranajes.5.4.1.1. Clculo de fallas5.5. CLCULO DE LOS ENGRANAJES DE DIENTES RECTOS DE LA TRANSMISIN (PIN)5.5.1. Clculo de fallas5.6. DISEO DE LOS ALIMENTADORES5.7. CLCULO DE LA POTENCIA DEL MOTOR.5.8. CLCULO DEL REDUCTOR.5.9. CLCULO DE LOS RODAMIENTOS.5.10. SELECCIN DE POLEAS Y CORREAS.5.11. CLCULO DE SOLDADURA.5.12. SISTEMA ELCTRICO DE FUNCIONAMIENTO.

CAPTULO 6: ANLISIS DE LOS COSTOS ASOCIADOS A LA FABRICACIN DE LA MQUINA COMPACTADORA6. ANLISIS DE LOS COSTOS ASOCIADOS A LA FABRICACIN DE LA MQUINA COMPACTADORA6.1. Presupuesto de componentes y accesorios6.2. Presupuesto General6.3. Evaluacin econmica de retorno inversin.

CONCLUSIONESBIBLIOGRAFA ANEXOSANEXO 1: CATLOGO DE PERFILES CINTAC.ANEXO 2: CATLOGO DE MOTORES ELCTRICOS LUREYE.ANEXO 3: CATLOGO DE REDUCTOR LUREYE.ANEXO 4: CARACTERSTICA DE RODAMIENTO SELECCIONADO, OBTENIDO DE CATLOGO SKF. ANEXO 5: CATLOGO DE POLEAS Y CORREAS DUCASSE.ANEXO 6: CATLOGO DE ACOPLAMIENTOS REXNORD-FALK.ANEXO 7: PLANOS DE DESPIECE Y CONJUNTO DE LA MQUINA.

NDICE DE FIGURAS

Figura 1-1.Imagen de selva Valdiviana. Figura 1-2.Grfico de combustible usado en la generacin de energia elctrica. Figura 1-3. Grfico comparativo del consumo de biomasa segn sector energtico. Figura 1-4. Ilustracin del consumo de pellets o briquetas a nivel mundialFigura 2-1. Imagen de distintos tipos de briquetasFigura 2-2. Imagen de la secuencia para la obtencin de briquetas.Figura 2-3. Ilustracin de desechos generados en la industria forestal. Figura 2-4.Mquina briquetadora de viruta metlica. Figura 2-5. Esquema de prensa cilndrica rotativa.Figura 2-6. Esquema de prensa hidrulica plana.Figura 2-7. Esquema de matriz de extrusado.Figura 3-1.Imagen de la mquina compactadora. Primera secuencia.Figura 3-2.Imagen de la mquina compactadora. Segunda secuencia.Figura 3-3.Imagen de la mquina compactadora. Tercera secuencia.Figura 4-1. Vista frontal de la mquina, que permite visualizar las distintas acciones de los elementos y los esfuerzos a los que estn sometidos.Figura 4-2.Diagrama fuerzas de estructura.Figura 4-3.Diagrama carga distribuida de estructura.Figura 4-4.Bosquejo del cubo.Figura 4-5. Bosquejo de la pirmide truncada.Figura 4-6. Bosquejo de la tolva de almacenamiento.Figura 4-7. Bosquejo cilindro clasificador.Figura 4-8. Bosquejo sistema calibracin de cilindros prensadores.Figura 4-9. Diagrama fuerzas de pin asegurador.Figura 4-10. Bosquejo del sistema de acoplamiento.Figura 5-1. Diagrama de fuerzas del eje.Figura 5-2. Diagrama de fuerza y torque en el eje.Figura 5-3. Diagrama de fuerza cortante del eje.Figura 5-4. Diagrama de momento flector del eje.Figura 5-5. Bosquejo de los engranajesFigura 5-6. Diagrama de fuerzas que actan en los engranajesFigura 5-7. Dimensiones del diente del pin segn norma AGMA.Figura 5-8. Bosquejo de un alimentador.Figura 5-9. Diagrama de fuerzas que actan en los rodamientos.Figura 5-10. Bosquejo de posicionamiento del filete de soldadura.Figura 5-11. Esquema del perfil circular y punto crtico.Figura 5-12. Esquema del circuito elctrico que dispondr la mquina.

NDICE DE TABLAS

Tabla 2-1. Cuadro comparativo de las caractersticas fsicas y qumicas.Tabla 2-2. Tabla comparativa de las ventajas del producto contra las ventajas ambientales.Tabla 3-1. Resumen de los requerimientos del diseo.Tabla 3-2. Requerimientos especficos de la mquina.Tabla 5-1. Factor de sensibilidad a la muesca en los aceros. Tabla 5-2. Factor de concentracin de esfuerzos de una ranura a flexinTabla 5-3. Factor de concentracin de esfuerzos de una ranura a torsin. Tabla 5-4. Tabla de relacin entre dimetro de eje (flecha) y chaveta (cua).Tabla 5-5. Mdulos mtricos estndar. Tabla 5-6. Especificaciones de dientes AGMA de profundidad total. Tabla 5-7. Factor de W. Lewis. Tabla 5-8. Factor dinmico. Tabla 5-9. Factor de distribucin de cargaTabla 5-10. Factor de aplicacin de carga. Tabla 5-11. ndice de calidad. Tabla 5-12. Tabla coeficiente elstico. Tabla 5-13. Materiales para engranes. Tabla 5-14. Resistencia Sfb. Tabla 5-15. Fatiga Superficial (S fc). Tabla 5-16. Factor de servicio K. Tabla 5-17. Recomendaciones de vida para rodamientos. Tabla 5-18. Valores mnimos de seguridad S0.Tabla 5-19.Propiedades de la soldadura. Tabla 5-20. Esfuerzos permisibles para la soldadura. Tabla 5-21. Resumen de las caractersticas tcnicas del diseo.Tabla 6-1. Lista de materiales.Tabla 6-2. Lista de accesorios.Tabla 6-3. Lista de mano de obra.Tabla 6-4. Tabla de presupuesto general.Tabla 6-5.Tabla comparativa de un producto del retail.Tabla 6-6.Tabla representativa de producto obtenido.

SIMBOLOGA

h: HectreaKcal: KilocaloraMJ: Mega JouleMh: Mega HectreaMW: Mega WattKw: Kilo WattKJ: Kilo JouleMPa: Mega PascalBr: BriquetasV: Volumen: Densidadm: Metromm: Milmetrocm: CentmetroHrs: horasmin: Minutosseg: SegundosRev: Revoluciones +: Mas /: Dividido En%: Porcentaje$: Peso Chileno pulg: PulgadaF: FuerzaH: AlturaKg: Kilogramo.N: Factor de seguridadSy: Resistencia mnima de fluenciaSu: Resistencia mnima de tensinM: Momento Flector: Esfuerzo Normal.L: Longitud: ngulo de Presind: Dimetro menorD: Dimetro mayorSp: Resistencia mnima de prueban: Nmero de pernosFA: Fuerza PrimariaFA: Fuerza Secundaria: Esfuerzo CortanteAs: rea CortantePi: Precarga del pernoAt: rea de esfuerzoSt: rea de esfuerzo a tensinT: TorqueKs: Factor de Servicio: Coeficiente de FriccinDBC: Dimetro Centro de AgujerosDbr: Dimetro de las Briquetasmbr: Masa de las BriquetasPer: PermetroEs: Espacio entre agujerosTpr: Total de produccinSe: Lmite de resistencia a la fatigaCs: Factor de acabado superficialCt: Factor de tamaoCT: Factor de temperaturaCr: Factor de confiabilidadCc: Factor de cargaKf: Concentracin de esfuerzosKT: Factor de sensibilidad a la muescaRv: Relacin de Velocidadm: MduloPd: Paso diametralDext: Dimetro ExteriorDp: Dimetro PrimitivoDint: Dimetro internoPc: Paso circunferencialPb: Paso basePd: Paso diametralC: Distancia entre centrosmp: Razn de contactoZ: Longitud de accinL: Longitud del dienteFT: Fuerza TotalFt: Fuerza TangencialFr: Fuerza RadialVt: Velocidad TangencialJ: Factor geomtrico de AGMAKv: Factor DinmicoKm: Factor de distribucin de cargaKa: Factor de aplicacin de cargaKs: Factor de tamaoKI: Factor de engrane intermedioKB: Factor de espesor de ruedaQV: ndice de calidadWg: Revoluciones del engranajeWp: Revoluciones del pinCp: Factor elsticoCF: Factor de acabado superficial: Radios de curvaturaSFb: Resistencia a la Fatiga por FlexinKL: Factor de correccin de vidab: Factor de Seguridad a Flexinc: Factor de Seguridad SuperficialVb: Volumen de la briquetaVc: Volumen del cilindroPot: Potencia del MotorI: Relacin de Velocidades de los Reductoresn1: Revolucin de entradan2: Revolucin de SalidaL10h: Vida nominal bsica en horasCr: Capacidad dinmica de cargaCo: Capacidad esttica de cargaSo: Factor de seguridadJ: Momento de Inercia Polar unitarioI: Mdulo Resistente a Flexin unitario

INTRODUCCIN

Uno de los principales problemas que enfrenta la sociedad a nivel global es el agotamiento de las fuentes de energas fsiles, que de acuerdo a estudios realizados por expertos, alcanzar la mxima produccin en las dos primeras dcadas, con una cada posterior de manera sostenida. Nuestro pas, para sustentar su crecimiento econmico, necesita disponer de magnitudes crecientes de energa, las cuales provienen principalmente de importaciones de petrleo y gas. La disponibilidad energtica de las fuentes de energa renovable es mayor que las fuentes de energa convencionales, sin embargo su utilizacin es escasa. El desarrollo de la tecnologa, el incremento paulatino de la exigencia social y los costos ms bajos de instalacin y rpida amortizacin, estn impulsando un mayor uso de las fuentes de energa renovable en los ltimos aos. De igual modo, el cuestionamiento del modelo de desarrollo sostenido y su cambio hacia un modelo de desarrollo sostenible, implica una nueva concepcin sobre la produccin, el transporte y el consumo de energa. En este modelo de desarrollo sostenible, las energas de origen renovable, son consideradas como fuentes de energa inagotables, y con la particularidad de ser energas limpias, con las siguientes caractersticas: suponen un nulo o escaso impacto ambiental, su utilizacin no tiene riesgos potenciales aadidos, indirectamente suponen un enriquecimiento de los recursos naturales y son una alternativa a las fuentes de energa convencionales, pudiendo sustituirlas gradualmente. El proyecto a realizar est enfocado en el desarrollo de una mquina para la obtencin de briquetas de biomasa, diseada en este caso, para obtener briquetas de carbn vegetal, aunque tambin se pueden obtener briquetas de aserrn de madera y corteza de arroz. El proceso est enfocado principalmente en el aprovechamiento de residuos de la industria forestal y agrcola, los cuales constituyen medios de contaminacin en miras de una aplicacin energtica. La biomasa incluye la madera, plantas en crecimiento rpido, algas cultivadas, restos de animales, etc. Es una fuente de energa procedente, principalmente, del sol, y es renovable siempre que se use adecuadamente. La biomasa puede ser usada directamente como combustible. Alrededor de la mitad de la poblacin mundial sigue dependiendo de la biomasa como fuente principal de energa. El problema es que en muchos lugares se est quemando la madera y destruyendo los bosques a un ritmo mayor al que se reponen, por lo que se estn causando graves daos ambientales: deforestacin, prdida de biodiversidad, desertificacin, degradacin de las fuentes de agua, etc. Los biocombustibles son una alternativa sustentable en el tiempo, en un mundo donde cada vez el uso de combustibles fsiles es menos accesible por su tendencia al agotamiento y limitaciones crecientes, debido al aumento progresivo en su costo. Un factor adicional es el aspecto ambiental, que en los ltimos aos ha tenido una relevancia muy importante debido a los efectos en el cambio climtico, el cual se ha empezado a sentir en cualquier lugar del mundo. La contaminacin ambiental generada debido a la combustin de los productos fsiles est incrementando a unos niveles sin precedentes en la atmosfera, por ejemplo, el dixido de carbono (CO2; gas que produce efecto invernadero). Con los biocombustibles se podra mitigar en parte este efecto nocivo para el medio ambiente, el CO2 generado por los biocombustibles previamente, ha sido fijado por las plantas a travs del proceso de fotosntesis, lo que indica que se estara reciclando el CO2 emitido a la atmsfera. Gran cantidad de investigaciones y desarrollo relacionado con el tema de los Biocombustibles comienza a florecer a nivel internacional, y ya se estn viendo sus verdaderos frutos. Evidentemente, la biomasa al quemarse produce anhdrido carbnico (CO2) y agua (H2O); ambos elementos presentes en la composicin de la atmsfera terrestre. Sin embargo, los constantes ciclos a que estn sometidos estos componentes les permiten volver a pasar a materia vegetal en el proceso de crecimiento de las plantas, es decir, se trata de un proceso cclico en el que la composicin de la atmsfera se mantiene dentro de valores constantes. Los combustibles extrados de la biomasa presentan un muy bajo contenido de azufre, no forman escorias en su combustin y tienen bajo contenido en cenizas. A diferencia, los combustibles fsiles emiten grandes cantidades de CO2, ya que no formaban parte de la dinmica de la biosfera, contribuyendo a elevar la proporcin de este gas en la atmosfera y, consecuentemente, a la produccin del llamado efecto invernadero(calentamiento por retencin de la radiacin solar reflejada), y a la generacin de otros problemas ambientales, tales como lluvia cida o el deterioro de la capa de ozono, debido a la produccin de elementos extraos a la atmosfera(xidos de; azufre, carbono y nitrgeno; partculas; hollines; metales pesados).

OBJETIVOS

OBJETIVO PRINCIPAL

El objetivo principal es disear una mquina para la obtencin de briquetas, la cual ser de diseo innovador, de fcil construccin y operacin, con el fin de optimizar el uso de carbn vegetal, disminuyendo as, el consumo de energa no renovable.

OJETIVOS ESPECFICOS

Estudiar y determinar las caractersticas significativas del carbn vegetal, aserrn de madera y corteza de arroz para la fabricacin de briquetas. Evaluar alternativas de compresin de carbn en briquetas en la cual se considere un diseo de fcil fabricacin, operacin y mantenimiento. Disear y confeccionar los planos de construccin de la mquina compactadora. Realizar un anlisis tcnico financiero asociado a la fabricacin de la mquina compactadora.

CAPTULO 1: ANTECEDENTES GENERALES.

1. ANTECEDENTES GENERALES.

1.1 POTENCIAL DE BIOMASA DE CHILE.

En la actualidad, en el pas la utilizacin de la biomasa como fuente de energa es baja. A nivel nacional se registran algunas inversiones como la empresa Energa Verde, la cual utiliza desechos forestales para producir energa para grandes aserraderos, especficamente en la VII Y VIII regiones. En la VI regin, la compaa tiene un contrato a largo plazo con la Papelera del Pacfico, que genera desechos de aserraderos y residuos agrcolas. La razn por la cual es poco utilizada la biomasa, responde a factores tecnolgicos y econmicos, especficamente a una baja competitividad respecto de otras fuentes energticas tradicionales. Adems su utilizacin a gran escala se encuentra sujeta a la legislacin vigente, la cual no hace distinciones reglamentarias ni econmicas respecto del tipo de recurso usado en la generacin de energa, por lo que el uso de la biomasa en la generacin de energa presenta desventajas competitivas en trminos de su produccin econmicamente factible. Dada la disponibilidad de biomasa en el sector forestal, y la existencia de reas para nuevas plantaciones, permiten indicar que todava existe un potencial para generar energa, permitiendo con ello, la sustitucin de los combustibles fsiles, y generando de paso un mayor crecimiento econmico y laboral, junto a una menor contaminacin ambiental.

Fuente: www.Infor.cl.

Figura 1-1.Imagen de selva Valdiviana.

1.2 BIOMASA FACTIBLE DE EXPLOTAR EN CHILE

Dentro de los tipos de biomasa factibles de explotar en Chile, se distinguen las siguientes:

Desechos de cereales y otros cultivos energticos:

El ltimo censo agropecuario cuenta de 479 mil hectreas de cereales. Luego, la generacin de residuos se ubica en el rango de 150 a 320 kg/h/mes, segn el tipo de cereal. Y respecto a su poder energtico, resulta variable. Por ejemplo, por cada tonelada de arroz se generan unos 200 kg de desecho de corteza, y cada kilo posee alrededor del orden de 3500 kcal, unos 146 MJ de energa disponible.

Plantaciones forestales:

Existen 2,1 millones de hectreas (Mh) de explotacin forestal, en su inmensa mayora (91,4%) Pino Radiata y Eucaliptus. Debido a que Chile es un pas de tamao moderado, esta cifra no resulta muy impresionante. Sin embargo, nuestra virtud est en la productividad. En Eucaliptus, Chile est en tercer lugar de mejor crecimiento despus de Brasil y Argentina, con ciclos de 10 a 12 aos y rendimientos de 25 a 40 m3/h/ao, segn la especie. En tanto, el Pino Radiata chileno, compite con los mejores rendimientos de la regin y es solo superado por algunas especies subtropicales de Argentina y Brasil, con rendimientos medios de 23 m3/h/ao y ciclos de 18 a 25 aos. Es as como Chile posee una cifra aproximada de 32 millones de metros cbicos anuales de madera seca sin corteza de Pino Radiata, y cerca de 7 millones de m3 de madera de Eucaliptus (nitens y glbulus). Por supuesto, y dada su naturaleza, es sta tambin la fuente ms madura y desarrollada, aunque por ahora, estrictamente en el SIC (sistema interconectado central).Segn datos del SIC se observa que ya existen 11 centrales que utilizan desechos forestales, varias de ella en combinacin con licor negro, y sumando en conjunto la cifra de 322 MW instalados.

-Bosque nativo:

De acuerdo a los resultados obtenidos por la CONAF-CONAMA, un 20,7% de las 75,6 millones de hectreas del territorio nacional estaban a la fecha cubiertas por bosque, es decir, 15,6 Mh. Esta superficie est compuesta mayoritariamente por bosque nativo, con 13,4 Mh. De sta, la mayor proporcin la ocupa el tipo forestal siempre verde con 4,1 Mh, seguidas de la austral lenga (3,4 Mh), coige de Magallanes (1,8 Mh) y roble-raul-coige (1,4 Mh).Suponiendo conservadoramente una productividad media 7 m3/h/ao (ya que buena parte corresponde a especies australes de lento crecimiento), existe un potencial bruto suficiente para obtener sustentablemente (cosechando solo el crecimiento) unas 94 millones de m3 al ao de madera nativa. Por supuesto, buena parte de esta cifra corresponde a terrenos de difcil acceso en la desmembrada Patagonia chilena.

1.3 CONSUMO Y MANIPULACION DE BIOMASA

En los estudios estadsticos realizados, se puede apreciar que el mayor porcentaje de combustible utilizado no procede de biomasa ni menos que esta haya sido procesada. En el grafico a mostrar se aprecian el porcentaje de consumo versus energas no renovables. En Chile la generacin elctrica a partir de fuentes renovables no convencionales (hidrulicas pequeas, biomasa y energa elica) representan solo el 2,4% de la capacidad instalada de la generacin elctrica total del pas, es decir 294 MW de un total de 2,326 MW, donde la biomasa solo ocupa el 1,3% del total.

Fuente: www.Infor.cl.

Figura 1-2.Grfico de combustible usado en la generacin de energa elctrica.

Ahora el consumo final est destinado principalmente determinado por la agrupacin de 6 grandes sectores: Transporte, Industria, Minera, Comercial Pblico, Residencial y Energtico. El sector industrial es el de mayor demanda con 39% del consumo.

Fuente: www.Infor.cl.

Figura 1-3. Grfico comparativo del consumo de biomasa segn sector energtico.

La biomasa en el pas se procesa directamente desde su procedencia, es decir desde su estado natural o en forma de residuo, sin dar lugar a algn proceso de manufactura o valor agregado como producto, disminuyendo as las potencialidades que ella puede entregar, como tambin de una optimizacin ms acabada. A modo de ejemplo estn los pases europeos, que basan su potencial elctrico domstico en pellets o briquetas con miras a un futuro prximo.

Fuente: www.Infor.cl.

Figura 1-4. Ilustracin del consumo de pellets o briquetas a nivel mundial.

En la ilustracin se puede apreciar que el consumo europeo segn datos de AEBIOM (Asociacin Europea de Biomasa), dados a conocer en la tercera AEBIOM (European Bioenergy Conference 2012 celebrada en Berln). Europa consume ya 14 millones de toneladas de pellets. Del total, 7 millones corresponden a consumo industrial, mientras que los otros 7 proceden del mbito domstico.Es por esta razn, que hay que hacer nfasis en una proyeccin a futuro en cuanto a cmo generar la energia, ya que como pas tendremos a corto plazo una demanda no satisfecha en cuanto al consumo energtico debido al acceso, costo y agotamiento de las energas no renovable.

CAPTULO 2: PROCESO DE BRIQUETADO.

2. PROCESO DE BRIQUETADO

2.1 BRIQUETADO

Una de las aplicaciones bsicas de la madera, como lo descrito anteriormente, es su uso como combustible. Sin embargo, en los ltimos tiempos el aprovechamiento directo de los mismos presenta grandes dificultades de empleo, almacenamiento y transporte, por lo que han provocado la retraccin del mercado consumidor, satisfecho a la vez por otros productos que no tienen dichos inconvenientes. Es por esto que la transformacin a carbn vegetal resulta favorable, ya que disminuye el volumen y a la vez aumenta el poder calorfico 29000 a 35000 kJ/kg (la madera es de 12000 a 21000 kJ/kg), pero que a su vez genera partculas o residuos. Una de las soluciones posibles, es la aglomeracin de estos residuos formando piezas, llamadas briquetas, para facilitar su manipulacin y mejorar su presentacin. La fabricacin de briquetas es una de las soluciones que se les presenta a las fbricas que hoy tienen enormes cantidades de desperdicios casi sin valor y que solo sirven de estorbo. Es preciso, transformar la madera, dndole cualidades competitivas. Los aserraderos, las carpinteras, las fbricas de envases, etc., son las que pueden completar sus instalaciones con una pequea planta de transformacin de desperdicios. En la industria forestal productora de carbn vegetal, se afronta un creciente problema, econmico y ecolgico, provocado por el cisco (pequeos trozos) de carbn producido durante la manipulacin del producto. El proceso de briquetado consiste en prensar y secar la mezcla de dicho cisco y, junto con aglutinante, otorgar un producto con caractersticas fsico- mecnicas ms uniforme.En las industrias se realiza el briquetado de muchos materiales, adems de la biomasa, en donde se briquetan desperdicios de metales, en especial con aplicacin de la pulvimetalurgia y cermicos.

Fuente es.wikipedia.org

Figura 2-1. Imagen de distintos tipos de briquetas.

2.1.1. Briqueta.

La briqueta se obtiene mediante la compactacin o densificacin de residuos (de origen lignocelulsico u otros materiales).Se fabrican bajo la aplicacin de grandes presiones y temperaturas elevadas que provocan la auto aglomeracin de sus partculas, o mediante bajas y medianas presiones con ayuda de alguna sustancia aglomerante para lograr su compactacin. Frecuentemente son utilizadas en el sector domstico e industrial para la generacin de calor o produccin de energa, ya sea en estufas, chimeneas, cocinas, hornos, calderas, gasificadores, etc. Es un producto 100% ecolgico y renovable, catalogado como bioenerga slida, presentndose usualmente en forma cilndrica (dimetros mayores a 30 mm) o de bloques, siendo un sustituto del carbn y la lea y con una alta densidad. El termino briqueta puede ser a veces confuso, por la variedad de materiales que pueden ser usados y la forma que pueden tener al ser compactada. Entre la materia prima de una briqueta combustible se encuentran generalmente residuos de industrias forestales (procedente de aserraderos, fbricas de puertas, muebles, tableros, etc.), agrcolas o ganaderos (cascaras de caf, coco, cascarilla de arroz, etc.), residuos slidos urbanos, carbn vegetal, o una mezcla de todos ellos. Los motivos por los cuales han sido desarrolladas, son para revalorizar un conjunto de residuos slidos orgnicos que producen calor en combustin, aumentar la densidad de ciertos biocombustibles que tienen un elevado costo de transportacin debido al bajo valor de los mismos, generando en cierta medida, el sustituir los combustibles slidos fsiles. Para satisfacer las condiciones de fabricacin de las briquetas, la materia prima debe estar de acuerdo con porcentajes de humedad y granulometra aceptable. Entre las caractersticas se destacan su resistencia al aplastamiento, friabilidad y poder calorfico. La caracterstica fundamental es el poder calorfico de la briqueta, que es la cantidad de calor que entrega un kilgramo, o un metro cbico, de combustible al oxidarse en forma completa; puede ser superior o inferior. El superior, se refiere cuando el vapor de agua contenido en los gases de la combustin se condensa, en el inferior este vapor no condensa.

2.2 CARACTERISTICAS ENERGETICAS DE LAS BRIQUETAS

Las principales caractersticas fsicas y qumicas que influyen en el comportamiento energtico de las briquetas son las siguientes:

Tabla 2-1. Cuadro comparativo de las caractersticas fsicas y qumicas.

Caracterstica FsicasCaractersticas Qumicas

-Forma-Composicin qumica elemental

-Tamao-Composicin qumica por compuestos

-Aspecto (color y brillo)-Poder calorfico

-Densidad (Kg/m3)

-Porcentaje de humedad

-ndice de friabilidad

En forma resumida se muestra a continuacin un listado con los pasos a seguir en el proceso de briquetado:

Figura 2-2. Imagen de la secuencia para la obtencin de briquetas.

2.3 PROCESO PARA LA OBTENCIN DE BRIQUETAS

La compactacin, densificacin o briquetacin representa a todo un conjunto de tecnologa para la conversin de la materia residual, presentando ventajas de manejo, transporte, almacenamiento del material, etc.Las tecnologas empleadas para la fabricacin de briquetas se puede clasificar en

De alta presin de compactacin, mayores a 100MPa De medianas presiones de compactacin con dispositivos de calentamiento, entre 5 y 100MPa De bajas presiones de compactacin con el uso de aglutinantes, menores a 5MPa

Por efecto de la presin, las partculas de la materia tienden a comportarse como slidos frgiles o material fibroso dependiendo del caso, acomodndose progresivamente y fracturndose hasta que los fragmentos sean capaces de soportar la presin externa aplicada. El progreso de la compactacin, implica el flujo de carbonizado entre los intersticios debido al movimiento de los fragmentos que siguen una fractura. Esto conduce a varias capas horizontales compactadas que se presionan unas a otras, desarrollando fuerzas de compresin laterales dentro del compactado. Al final de la etapa de alta presin en el briquetado, se alcanza un cuasi equilibrio, en el cual el compactado soporta la presin externa y el aglutinante, si est presente, distribuido estticamente dentro del compacto. Cuando se elimina la presin este equilibrio se altera y la materia comprimida se expande y puede ocurrir algn ligero desplazamiento del aglutinante, adems de producirse un efecto de relajacin, motivo por el cual los volmenes de las briquetas crudas son algo mayores que las correspondientes bajo presin en el molde.

2.4 MATERIA PRIMA APROPIADA PARA BRIQUETAR

En las combinaciones de los elementos constituyentes de la briqueta, se debe obtener una mezcla, cuyas caractersticas importantes sean lograr porcentajes de aglomerantes mnimos para la briquetacin, en funcin de la cantidad de materia prima granulada, que garantice un bajo costo de fabricacin, adems que el aglomerante deber ser combustible y amigable con el medio ambiente.La materia prima apropiada debe tener las condiciones adecuadas determinada por ciertos parmetros como:

Humedad Tamao de las partculas (granulometra) Tipos de aglutinantes y porcentajes para la mezcla Presin y temperatura

Fuente: es.wikipedia.org

Figura 2-3. Ilustracin de desechos generados en la industria forestal. 2.4.1Humedad

La mezcla adecuada debe tener humedades mayores a 20% para las briquetas fabricadas en forma artesanal, del 15 al 20% para las fabricadas de forma semindustrial y del 5 al 15% para las producidas por mtodos industriales, basndose adems en la tcnica tradicional empleada en los ensayos para arenas de fundicin, que consiste en dar a la mezcla el agua necesaria para que sta obtenga una consistencia til para ser moldeada. Esta mezcla hmeda no debe adherirse al recipiente que la contiene, ni tampoco debe desprenderse luego de someterle una ligera presin con la mano, si esto ocurre es debido a que la mezcla est muy hmeda o muy seca, refirindose para el mtodo artesanal y semindustrial, recordando que para el industrial no se necesita aglomerante, ya que la materia prima se autoaglomera por el aumento de la temperatura durante el compactado.

2.4.2 Tamao de las partculas

Puesto que en la mayor parte de la materia se dificulta su compactacin de forma directa, es necesario que las partculas del material tengan un tamao adecuado, que permita una adecuada ubicacin de las partculas entre los intersticios de la estructura, obtenindose una mejor compactacin y acabado de la briqueta. El mejor aspecto exterior de briquetas se obtiene cuando las fracciones de las partculas de carbn son inferiores a 3 mm. De forma general, el material a briquetar idealmente deber contener partculas largas y cortas. La longitud inicial de la partcula depender del material, lo cual influye notablemente en el tipo de proceso que se vaya a emplear, seleccionar un dimetro adecuado del dado (pistn de la briquetadora) y del tipo de equipo empleado. Mientras mayor sea la mquina y el dado, mayor podr ser la partcula, por ejemplo en las extrusoras para dados de 125mm de dimetro, las partculas ms grandes sern de 15 mm, y mientras ms pequea sea la mquina y el dado, ms pequeas debern ser las partculas del material, es por eso que en este ltimo caso se necesita moler previamente el material para mejorar su manejo.

2.4.3 Presin y temperatura

La presin y temperatura son factores muy importantes sobre todo cuando se requiere compactar material sin aadir aglomerante, por lo tanto en la compactacin ocurren los siguientes fenmenos: presin, friccin entre partculas, deformacin, rompimientos micro estructurales y adherencia entre partculas vecinas. Debido a la presin, las superficies del carbn entran en contacto interno reblandecindose trmicamente permitiendo la adherencia entre las mismas.La temperatura, dependiendo de la briquetadora, se relaciona con la presin debido a la friccin entre las partculas y con la pared del dado.Tamin se podran usar fuentes externas de calor (se calienta el dado en su seccin de entrada) para conformar briquetas.

2.4.4 Aglutinante

En la briqueta la misin del aglutinante es mantener unidas las partculas durante su almacenamiento y posterior uso sin presentar problemas de desmenuzamiento.Los aglutinantes, ligantes o aglomerantes son sustancias que son capaces de generar fuerzas para unir fragmentos, partculas de una o varias sustancias o materiales para dar cohesin al conjunto, mediante mtodos fsicos, qumicos o trmicos. Tienen mucha importancia, particularmente en la industria aeronutica, en la construccin, en lugares donde se necesita fiabilidad de las uniones. El aglomerante para la fabricacin de briquetas de carbn debe cumplir, los siguientes aspectos:

-Fcil preparacin-Fcil aplicacin-Fcil obtencin-Costo relativamente bajo-No debe ser contaminante durante la combustin-Facilidad de mezclado con la materia prima-Buenas propiedades de adhesin-Buena resistencia mecnica

2.4.4.1. Tipos y propiedades de los aglutinantes

Los aglutinantes o aglomerantes se elaboran a partir de resinas fenlicas, de los almidones provenientes de los vegetales (en algunos casos modificados) y de las arcillas. Los aglomerantes como las resinas presentan mejores propiedades de flexibilidad y resistencia en las operaciones de corte o desbaste que los aglomerantes vitrificados, los aglomerantes que provienen de vegetales presentan mejores propiedades de cohesin para compactar el carbn. Los aglomerantes se pueden clasificar en combustibles y no combustibles. Son combustibles las resinas naturales y sintticas, alquitrn, estircol animal, manteca, aguas servidas, residuales o barro, papel, restos y residuos de pescado, algas y almidones, etc. Entre los no combustibles estn el limo, arcilla, barro, cemento, cal, etc. Tambin se pueden clasificar en orgnicos e inorgnicos. Son orgnicos los albuminatos, alcoholes, almidones, alquitranes, azucares, breas, casena, cola, dextrina, gelatinas, humatos, melazas, papel, aserrn, resinas, turba, etc. Son inorgnicos el alumbre, arcillas, bentonina, silicato de sodio, slice y yeso. De los aglutinantes mencionados no todos son adecuados para la fabricacin de briquetas combustibles por diversos factores, generalmente los ms comunes para este fin son:

-Resinas (cola blanca)-Melaza-Parafina-Arcillas -Alquitrn

2.5 MQUINAS BRIQUETADORAS

Las mquinas briquetadoras transforman los materiales granulados o previamente triturados en briquetas de alta densidad, dando grandes beneficios como:

-Reduccin en el transporte por la reduccin de volumen- La reduccin del costo de manipulacin-Reduccin de reas disponibles para el material

Dentro de las maquinas briquetadoras ms representativas se encuentran las siguientes:

-Briquetadora a pistn: La compactacin y densificacin del material se consigue mediante el golpeteo de un pistn sobre la biomasa, accionado a travs de un volante de inercia. Las densidades conseguidas suelen estar entre 1000 y 1200 kg/m3.-Briquetadora de tornillo: La compactacin de la biomasa se realiza por extrusin. Se trata de un sistema basado en la presin ejercida por un tornillo sinfn especial, que hace avanzar el material hasta una cmara que se estrecha progresivamente (forma cnica). Este tipo de equipos permite realizar briquetas con orificios interiores que favorecen su combustin. Con este sistema se pueden obtener briquetas de mayor densidad que con el sistema de impacto. Las densidades obtenidas estn entre 1300 y 1400 kg/m3, aunque los consumos energticos y costos de mantenimiento son notablemente ms elevados.

-Briquetadoras hidrulicas o neumticas: Son mquinas que disponen de dos rodillos que en las superficies tienen una serie de rebajes, donde se aloja el producto a ser compactado, quedando densificado al ser sometido a la accin del otro rodillo. Se utilizan cuando el producto final sea de bajas densidades, como por ejemplo las briquetas de carbn vegetal.

Fuente: www.directindustry.es.

Figura 2-4.Mquina briquetadora de viruta metlica.

2.5.1. Briquetadoras de carbn vegetal disponibles en el mercado internacional

Para el propsito del presente trabajo, que es de una mquina briquetadora de baja presin de compactacin, comparada con las industriales, se elige tomando en consideracin que la materia a briquetar sern finos de carbn vegetal. De manera general, se conocen tres tipos de equipos para el proceso de briquetado de carbn vegetal, los cuales son: de prensa cilndrica rotativa, de prensa hidrulica plana y de matriz de extrusado.

2.5.2 Briquetadora de prensa cilndrica rotativa

Figura 2-5. Esquema de prensa cilndrica rotativa.

Partes principales:

1. Banda de alimentacin2. Trampa para metales3. Tolva de alimentacin4. Cilindros prensadores5. Engranajes de sincronizacin y transformacin de potencia6. Banda transportadora de briquetas

Funcionamiento

El principio de funcionamiento de la mquina es relativamente sencillo. La materia prima es transportada por la banda superior hasta la tolva de alimentacin; la tolva tiene una abertura graduada para realizar la dosificacin hacia el rea de contacto entre las dos ruedas o cilindros compactadores. Dichos cilindros, giran en sentido contrario de forma sincronizada y a una misma velocidad, haciendo coincidir la matriz de briquetado, de tal forma que el material a briquetar se conjunta entre ambas cavidades a la vez que es comprimido se reduce la distancia entre los moldes. La briqueta obtenida cae sobre la banda inferior hasta donde es llevada a la seccin de secado. Finalmente, la nica funcin de la trampa para metales es librar a los cilindros compactadores de algn metal, con el fin de evitar sobrepresiones a los cilindros.

2.5.3 Briquetadora de prensa hidrulica plana

Este tipo de briquetadora no est desarrollado al mismo nivel que las de prensa de cilindro rotativo o las de matriz extrusado, debido a que el proceso de produccin es intermitente, a diferencia de las otras briquetadoras en las que se tiene un flujo continuo en la fabricacin de briquetas.

Figura 2-6. Esquema de prensa hidrulica plana.

Partes principales

1. Plato superior de presin2. Bloque de molde3. Placa de pistn4. Pistn5. Cilindro hidrulico6. Mesa estndar7. Partes del molde

Funcionamiento

Al igual que el caso anterior, este prototipo de mquina briquetadora necesita que la alimentacin se realice en forma manual. Una vez que se ha llenado el bloque de moldes, se desliza la placa superior de presin hasta tapar la seccin del mismo. Despus se acciona el pistn hidrulico que suministra la presin necesaria para el comprimido y consecuente formado de las briquetas. Las piezas obtenidas en cada prensada son retiradas de los moldes por el operador.

2.5.4 Briquetadora de matriz de extrusado

Existen dos tipos de briquetadora de matriz de extrusado: las de pistn hidrulico y las de sinfn. Este proceso es muy similar al utilizado por las industrias de cermica de alta presin.

Figura 2-7. Esquema de matriz de extrusado.Partes principales

1. Cilindro2. Matriz extrusado3. Tolva de alimentacin4. Pistn de presin5. Sinfn de presin

Funcionamiento Ambos prototipos de mquinas briquetadoras tienen un principio de funcionamiento muy similar. La mezcla de material es alimentada a travs de la tolva o sinfn segn corresponda, los cuales suministran una presin que obliga al material a salir por los orificios de la matriz de extrusado. Finalmente el producto obtenido es troceado en dimensiones homogneas, teniendo como resultado briquetas de forma cilndrica.

2.5.5 Aplicaciones y Ventajas de las briquetas de carbn vegetal

El uso principal que se les da a las briquetas de carbn vegetal es para uso domstico (combustible).El uso domstico es variado, ya sea para cocina en el patio de la casa o para preparar carnes en un da de campo. Las briquetas pueden ser utilizadas en la industria siderrgica, gracias a que la reactividad que representa la briqueta es menor que la del carbn vegetal, lo que las hace apropiadas para ser utilizadas en los altos hornos. El mercado esa amplio para las briquetas orgnicas, como se puede mencionar en panaderas y pizzeras (combustible), como tambin en medicina y hoteles (sahumerios y calefaccin aromtica respectivamente)

Tabla 2-2. Tabla comparativa de las ventajas del producto contra las ventajas ambientales.

Ventajas del productoVentajas ambientales

Mayor poder calorfico Energa limpia no contaminante.

Fcil y rpido encendido Fuente renovable.

Baja humedad Fabricados con residuos forestales contribuye a la limpieza del medio ambiente.

Homogneas 100% reciclado evitando la tala de rboles.

Ocupa menos espacio Sin conservantes, qumicos ni aditivos.

Alta densidad Natural, no txico.

Limpias Menos ceniza.

Fcil manipulacin Un ahorro econmico

Sin olores, humos ni chispas Ecolgicamente correcto.

Menor porcentaje de cenizas Sustentable.

Sin aglutinantes ni aditivos CO2 neutro.

100 % ecolgicas y naturales Evita el efecto invernadero, cambio de clima y calentamiento global.

CAPTULO 3: DISEO DETALLADO DEL SISTEMA DE COMPACTACIN DE RESIDUOS DERIVADOS DEL CARBN MINERAL

3. DISEO DETALLADO DEL SISTEMA DE COMPACTACIN DE RESIDUOS DERIVADOS DEL CARBN MINERAL

3.1 PROCEDIMIENTO PARA EL DISEO DE LA MQUINA.

En este captulo, se realizar el diseo de la briquetadora y de sus partes, para despus realizar los clculos respectivos y la seleccin de sus componentes. El procedimiento para el diseo de sta ser el siguiente:

Determinar los parmetros necesarios para el diseo: caractersticas fsicas del material a briquetar, fuerza de compresin, produccin por horas, forma de la briqueta, peso, etc.

Realizar bosquejos de la mquina que se quiere fabricar.

Realizar bosquejos de los componentes y partes de la mquina.

Hacer los clculos de los cilindros rotativos prensadores, determinando el dimetro de las briquetas y las dimensiones de los cilindros.

Hacer los clculos de los ejes de los cilindros, determinando las dimensiones y el material apropiado para su construccin.

Hacer los clculos de los engranajes, determinando sus dimensiones y el material apropiado para su construccin.

Hacer los clculos de la velocidad del motor-reductor y de la potencia del motor.

Hacer los clculos, la seleccin de los rodamientos y descansos.

Hacer los clculos de la soldadura que se va aplicar en toda la mquina.

Realizar los planos generales de la mquina y los planos de detalle de sus partes con las medidas ya calculadas, dejando as listo los planos para su construccin.

Realizar el anlisis de los costos de fabricacin de la mquina.

3.2 ELECCIN DEL PRINCIPIO MECNICO DE LA MAQUINA A DISEAR

Las mquinas briquetadoras pueden ser de varios tipos: manuales, hidrulicas, mecnicas, etc. Para escoger una briquetadora depende de varios factores:

El volumen de material a transformar en briquetas La forma requerida de la briqueta El propsito con las briquetas Briqueta para uso industrial o uso domestico El tipo de material, madera agrcola, polvo metalrgico, alimento para animales, o residuos de carbn en este caso.

3.3 REQUERIMIENTOS DEL DISEO

Los requerimientos tienen el mismo grado de importancia entre s, por lo que si alguno de ellos no satisface plenamente, el diseo ser deficiente, ya que todos ellos son indispensables para obtener una mquina diseada correctamente.

Tabla 3-1. Resumen de los requerimientos del diseo.

RequerimientosCaractersticas

1. Econmicos

-Bajo costo de adquisicin-Bajo costo de operacin-Bajo costo de mantenimiento preventivo y correctivo-Rentabilidad

2. Aspectos tcnicos

-Produccin de 500 ton/ao-Produccin de calidad comercial

3. Operacin

-Fcil alimentacin de la mezcla-Facilidad en la descarga del producto-Buena confiabilidad-Seguridad para el operario

4. Energa

-Bajo consumo de energa

5. Aspectos fsicos

-Lo ms compacta posible-Lo ms ligera posible

6. Construccin

-Construida con elementos de fabricacin nacional-Procesos de maquinado sencillos

7. Durabilidad de la maquina

-Uso de materiales durables y resistentes

8. Normativos

-Atencin a normas y leyes de diseo y operacin

9. Ecolgicos

-Nula o baja contaminacin por ruido, polvo, vibracin y residuos txicos, entre otros.

3.3.1. Requerimientos deseables.

Los requerimientos deseables son los que complementan a la funcin sustantiva del producto por disear, pero que tienen menos influencia en su desempeo.

Tabla 3-2. Requerimientos especficos de la mquina.

RequerimientosCaractersticas

1. Aspectos tcnicos

-No daar fsica o mecnicamente el producto elaborado-Fcil instalacin y desinstalacin sin personal capacitado-Diseo ergonmico

2. Operacin

-Prensado automtico

3. Construccin

-Uso de herramientas y mquinas convencionales

4. Durabilidad de la maquina

-Repuestos disponibles en el mercado nacional-Mecanismos de seguridad y proteccin de la maquina-Facilidad de mantenimiento preventivo y correctivo sin personal calificado

3.4 DISEO DE FORMA DE LA BRIQUETADORA.

La imagen representa a la mquina compactadora.

Figura 3-1. Imagen de la mquina compactadora. Primera secuencia.

Esta mquina tiene un motor elctrico que transmite una fuerza y una velocidad a un reductor. La fuerza es transmitida por medio de ejes y engranajes a los cilindros rotativos prensadores (alveolos), que son los que tienen los moldes semiesfricos que formarn las briquetas. La alimentacin es de forma continua, ya que tiene una tolva que almacena y alimenta de biomasa a los cilindros prensadores.

Figura 3-2. Imagen de la mquina compactadora. Segunda secuencia.

Tambin consta de un clasificador de briquetas, el cual separa las briquetas defectuosas que caen por gravedad desde los cilindros. Con esta mquina se obtiene una fuerza constante, la cual permitir obtener briquetas bien compactadas. La mquina a disear tendr este principio, es decir, ser una mquina briquetadora de cilindros rotativos prensadores.

Figura 3-3.Imagen de la mquina compactadora. Tercera secuencia.

CAPTULO 4: CLCULO DE LAS PIEZAS QUE FORMARN LA MQUINA

4. CLCULO DE LAS PIEZAS QUE FORMARN LA MQUINA

Para realizar los clculos, se han considerado todas las fuerzas y reacciones existentes en el mecanismo y como stas interactan entre s. Esto no hubiese sido posible sin la ayuda de una visualizacin grafica de la misma.

Figura 4-1. Vista frontal de la mquina, que permite visualizar las distintas acciones de los elementos y los esfuerzos a los que estn sometidos.

De los antecedentes recopilados se tiene que:

-La densidad de la briqueta de carbn vegetal, Br=0.8 gr/cm3-La presin de compactacin es de 50 Kg/cm2

Se requiere tener como resultado del proceso de compactacin, una briqueta de 30 gr de peso en forma de esfera. Por lo tanto el volumen de la briqueta es:

V===37.5cm3

El volumen de la esfera es V=

De esta manera, se obtiene el dimetro de la briqueta.

d==4.15cm

Para determinar la fuerza de compactacin, se considerar la presin de compactacin (50 Kg/cm2) y el rea proyectada donde ser aplicada en el molde semiesfrico.

El rea proyectada es:

A==13.52cm2

F=PxA=676 Kg

Una imagen de la mquina y mostrando en ella las fuerzas, cargas y dimensiones que apoyan el clculo

4.1. DISEO DE LA ESTRUCTURA

Una vez bosquejada la briquetadora, se realiza el esquema de la estructura, es decir, de la base que soportar las partes y los componentes que forman la mquina. Se recomienda observar el plano de la estructura.Esta estructura, ser construida con plancha de 6 mm de espesor y perfiles L de 80x80x5 mm que soportar la fuerza aproximada de 1500 kg; por lo tanto, como son 4 apoyos, la fuerza se divide para cuatro, obteniendo 375 kg (3675 N) para cada uno y se calcula el perfil apropiado de la siguiente manera:

Diagrama de fuerzas.

Figura 4-2.Diagrama fuerzas de estructura.

Clculos.

+ Fy=0

R1+R2-F=0

R2=F-R1

+MR1=0

R2x1.2-3675x0.6=0

Se obtienen las reacciones: R1=1837.5 N, R2=1837.5 N

M=1837.5x0.6=1102.5 Nm

El material es de acero ASTM A36; Sy=36000 psi = 250000 kN/m2

N=, entonces = =125000 kN/m2

Su= = 8.82 cm3

Con este valor se va a la tabla de los perfiles, y se obtiene que el ms aproximado es de Sr= 9.8 cm3 que corresponde a un perfil L 80x80x6 mm cuyas caractersticas son:

m=7.29 kg/m=71.44 N/m

A=9.3 cm2

I=8 cm2

Ahora se realiza el anlisis con respecto al peso del perfil para ver si falla.

Diagrama de fuerzas.

Figura 4-3.Diagrama carga distribuida de estructura.

Clculos

W=xL=71.44 N/m x 1.2 m =85.73 N

+ Fy=0

R1-W+R2=0

R1=W-R2

+M R1=0

R2x1.2-Wx0.6=0

Las reacciones son: R1=42.86 N; R2=42.86N

M: Momento flector para carga distribuida

M==12.86 Nm

Spp= = =0.10288 cm3

Su= 8.82 cm3

SR= 9.8 cm3

Analizando; SRSu+Spp; 9.88.92288 Por lo tanto no falla.

4.2. DISEO DE CILINDROS ROTATIVOS PRENSADORES

Estos son los que cobijarn los moldes semiesfricos, que por medio de una fuerza transmitida por los engranajes, forman las briquetas. Su dimetro ser de 400 mm y un ancho de 50 mm, de manera que el semicilindro que alojar la materia prima se pueda alojar en l. Cabe sealar que esta descripcin corresponde al cilindro prensador macho, ya que el cilindro prensador hembra presentar una especie de brida externa que actuar como gua ante algn desajuste o juego de los cilindros prensadores. (Ver plano 3) Estos cilindros pueden ser construidos de Acero AISI 4340, que es un material resistente al desgaste, o de cualquier otro acero de similares propiedades. Los clculos y dimensionamiento de los cilindros, se realizarn en la seccin de los clculos de los componentes.

4.3. DISEO DE LA TOLVA DE ALIMENTACION

Esta tolva es la que almacenar y alimentar de carbn vegetal a los cilindros alveolos. Tendr una capacidad mxima de almacenamiento de 45 kg (100 lb aprox).A su vez, ser construida con planchas galvanizadas, ya que no requiere de mayores esfuerzos. A continuacin, se realizar el dimensionamiento de la tolva.Para los clculos, la tolva se construir en 2 partes; un cubo y una pirmide truncada; tambin, se asume que el cubo almacenar los 2/3 del volumen y la pirmide el 1/3 restante. Primero se calcula el volumen equivalente a 30 kg, teniendo como dato la densidad del carbn vegetal sin briquetar (=0.5 kg/cm3), aunque puede ser menor.

= Donde:

V=0.06 m3

V1/3=0.02 m3

V2/3=0.04 m3

4.3.1. Cubo:

Se asume unas dimensiones aproximadas, tomando en cuenta las dimensiones de la estructura, quedando el cubo, con las siguientes dimensiones: a=60 cm; b=30cm, quedando como incgnita c, que es la altura del cubo y ste se calcular con la relacin de porcentaje de volumen a ocupar.

Figura 4-4.Bosquejo del cubo.

Vc=a x b x c=V2/3

c=

c== 0.222m=22.2 cm

Para que la tolva tenga facilidad de almacenamiento, se dejar el cubo con una altura de 27 cm.

4.3.2. Reduccin Rectangular Concntrica

Las dimensiones de la reduccin se obtendrn de la siguiente forma: como la parte superior debe coincidir con la base del cubo, por lo tanto, las dimensiones son las mismas: e=30 cm; f=60 cm y las medidas de la parte inferior se asumen segn el requerimiento del diseo, quedando por calcular la altura h, que de igual forma ser calculada con relacin al porcentaje del volumen de carbn vegetal.

Figura 4-5. Bosquejo de la reduccin rectangular concntricaVpt=x (A1+A2+)

Vpt=V1/3=0.02m3

h==24.29cm

Se considerar h=24 cm

Clculo de los ngulos

tg ()=; = 58

tg ()=; =62.5

El ngulo de reposo del carbn vegetal est entre 30 y 50 dependiendo de las caractersticas del flujo, es decir, que la tolva diseada tenga ngulos donde la materia prima se pueda deslizar con normalidad, sin producir ninguna aglomeracin. Con estos clculos, la tolva queda diseada para una capacidad de almacenamiento mximo de 60 dm3 (60000cm3), quedando con las siguientes dimensiones:

Figura 4-6. Bosquejo de la tolva de almacenamiento.

4.4. DISEO DEL CILINDRO CLASIFICADOR

Este cilindro es el que separar a las briquetas de carbn vegetal sin briquetar y las conduce a un almacenador. Este cilindro constar de un eje giratorio y una malla clasificadora que estar sostenida por platinas, que estarn soldadas al eje.Para observar su forma y ubicacin se recomienda observar el plano de detalle en el anexo. El cilindro clasificador puede construirse de los siguientes materiales: el eje de acero de transmisin, la malla electro soldada lisa: ASTM A 185-94 (malla cuadrada de 1cm de separacin). Las dimensiones se las ha establecido segn las dimensiones de la estructura, de la ubicacin de los cilindros y de los engranes, ya que estn relacionados con estos.

4.4.1. Clculos de la Reduccin Cnica Concntrica

Por el diseo, se tiene un cono de dimetro mayor de 30 cm y un dimetro menor de 15 cm. Por lo que se calcula las dimensiones que deber tener la malla para formar el cono truncado.

Figura 4-7. Bosquejo de reduccin cnica concntrica.

R=15cm; r=7.5 cm

G===40.69 cm

Clculo de las longitudes de arco.

S=xD=3.1416x30=94.24 cm

A=xd=3.1416x15=47.12 cm

Con estos datos, se tiene trazada la malla que se necesita para construir la reduccin.

4.5. DISEO DE SISTEMA DE AJUSTE PARA CALIBRACION DE CILINDROS

Este sistema ajustar y calibrar al cilindro prensador que no recibir la transmisin directa, de tal manera que los moldes semiesfricos coincidan, formando las briquetas de manera uniforme. Este sistema consiste en una base que estar sujetada al eje del cilindro por medio de una chaveta y se sujetar al engrane por medio de 2 pernos sujetadores que se deslizan por unas guas, para ubicar al engrane en la posicin apropiada. Estos pernos sern los que transmitan el movimiento del engrane al eje. Esta base tiene 2 pernos que sern el seguro en caso de que fallaran los pernos sujetadores y estarn ubicados de la siguiente forma:

Figura 4-8. Bosquejo sistema calibracin de cilindros prensadores.

Las dimensiones son las siguientes: la base es una plancha de acero ASTM A 36 de 19 mm de espesor, con un dimetro exterior de 15 cm y un dimetro interior de 5 cm.Los pernos aseguradores sern de x 2 (pulg) de largo. Los pernos sujetadores y el elemento asegurador se calcularn a continuacin.

4.5.1. Clculo de los pernos sujetadores

Se hace un anlisis de fuerzas para calcular los dimetros que deben tener estos pernos para que resistan la fuerza que transmiten los engranesDatos:

El material es AISI A36

Ssy=125 MPa

F=V=9800 N

N=5 (Factor de seguridad)

RA=RB=97mm; d=20 mm

n=2 (nmero de pernos)

L=200 mm = 0.2 m

4.5.1.1Clculo de las cargas resultantes en cada perno.

Para el clculo de las fuerzas resultantes, se debe calcular las fuerzas primarias y secundarias que actan en cada perno, respecto a la fuerza externa y a su centroide.

FA=FB=

Fuerzas primarias.

FA=FB= = = 6615 N= 6.615 kN

Fuerzas secundariasFA=FB= = = =13639 = 13.64 N

Donde M=VxL

M=13230x0.2

M=2646 Nm

La magnitud de las fuerzas resultantes est dada por:

FA=FB== 15.158 kN

Carga mxima en cada perno.

= = = 48249412 Pa = 48.25 MPa

El rea cortante es: AS = = = 3.14x10-4 m2

Esfuerzo de aplastamiento mximo.

= = = 39889473 Pa = 39.89 MPa

Ab=t x d = 19x20= 380 mm2; t es el espesor 19 mm

Anlisis del cortante por friccin.

Datos:

FA=FB=6615 kN

f=0.25 (coeficiente de friccin)

N= 2 (factor de seguridad)

Se escoge de la tabla perno grado 5.8

Sp=380 MPa

= 0.75

Precarga del perno:

Pi= = = 26.46 kN

Tensin inicial en el perno:

Fi = NxPi = 2 x 26.46 = 52.92 kN

Fi = x Sp x At

Donde At es el rea de esfuerzo, entonces:

At= = = 1.857x10-4 m2 = 185.7 mm2

Con este dato se escoge el dimetro del perno segn el rea de esfuerzo de tensin, el cual es de dimetro 20 mm con St = 245 mm2

Par de torsin.

T= K x Fi x d

Donde K es el factor del par de torsin

T= K x Fi x d

T= K x x Sp x At x d

T= 0.2 x 0.75 x 380 x106x245 x 20 ()

Por lo tanto los pernos tendrn un ajuste de T= 279.3 Nm

Y estos sern de d=20 mm de grado 5.84.6. ELEMENTO ASEGURADOR

Este elemento forma parte del sistema de calibracin y su funcin es transmitir la fuerza a travs de dos pernos aseguradores, en caso de que los pernos sujetadores fallaran. Los pernos aseguradores sern de d=1/2 pulg y de largo 2 pulg. A continuacin se realizar un anlisis del elemento asegurador para ver si falla, ya que se ha tomado con las mismas dimensiones que los pernos sujetadores.

Diagrama de fuerzas

Figura 4-9. Diagrama fuerzas de elemento asegurador.

Datos:

F= 13230 N

L= 297 mm = 0.297 m

d= 20 mm

Material Acero ASTM A36

Ssy=125000 kN/m2

Sy=36000 psi = 250000 kN/m2

Momento flector:

M= F x L= 13230 x 0.297= 3929.31 Nm

Flexin:

N= ? 1

= , entonces N=

= = = =42112.4 kN/m2

N= = = 5.9 1 ; No falla por flexin.

Cortante:

=

Donde Ssy= = 125000 kN/m2

N=

= =

N= = 2.96 1 ; No falla por cortante.

Por lo tanto, el elemento asegurador ser de dimetro 20 mm y de 38 mm (1 pulg) de largo.

4.7. DISEO DE LOS ACOPLES

Estos acoples son los que unen al eje del reductor de velocidad con el eje del cilindro. Para que sea transmitida la fuerza, estos sern de dos bridas y pernos de sujecin. sta ser su forma:

Figura 4-10. Bosquejo del sistema de acoplamiento.

Estos acoples pueden ser construidos de acero ASTM A36 o tambin, pueden ser seleccionados segn los catlogos de fabricantes. En estos acoples, los puntos crticos de esfuerzos estarn en los pernos, los cuales se calcularn a continuacin:

El par nominal es el factor principal para seleccionar los acoples. El par nominal a transmitir est en funcin de la potencia a transmitir y de la velocidad de rotacin:

C=

C= =37800 lb pulg = 4270.83Nm

La eleccin de un acoplamiento con el tamao correcto es muy importante. Para hacerlo, es necesario conocer no slo la potencia y velocidades requeridas, tambin la severidad del servicio que debe absorber, es decir, ser necesario aplicar un factor de correccin (K) de potencia o de servicio, y este se obtiene de la tabla de factores para acoples segn el tipo de aplicacin, donde para una prensa es igual a K=1.5.Luego se multiplica este factor por el torque nominal y se obtiene el torque que se transmite de acople a acople.

Tt= C x K= 37800 x 1.5= 56700 lb pulg = 6406.24 Nm

Con este torque se escoge el tamao de los acoples segn las tablas y se obtienen los acoples 1045G/GC.

Luego, se seleccionar el tipo de acople segn la utilizacin en el catlogo de REXNORD-FALK, donde se escoge el tipo G82.Con este tipo y con el tamao se obtienen las dimensiones.

Con estos datos se calcular el nmero de pernos y el dimetro, de tal manera que el acople resista el torque que se quiere transmitir.

Se escogen pernos de acero SAE de grado 5 con Sy=92000 psi= 634.32 MPa. Revisando la tabla de pernos se procede a calcular el dimetro con la siguiente formula:

d=

Donde Nc= y =

Nc=3 y Ssy=

Para calcular el dimetro de los pernos, se necesita la fuerza transmitida en un acople, en donde se utiliza la siguiente frmula:

Ft= ; de donde T es el torque que requiere la mquina y Dbc= 5.875 pulg es el dimetro que pasa por el centro de los pernos de los acoples, por tanto la fuerza ser:

Ft= = 3992.6 lb= 17760 N

El dimetro es:

d= 0.575 pulg= 14.62 mmPara calcular el nmero de pernos, se utiliza la siguiente frmula:

T= N x x Ft

Donde

T es el torqueN el nmero de pernos

F y A son dimetros de los acoples)

Segn tablas D=F= 7 pulg, d=A= 4.98 pulg y =0.15 (coeficiente de friccin); por tanto, el nmero de pernos es:

N = =6.54 =7 pernos.

Por tanto, los pernos necesarios son: 7 pernos de 7/16 UNC por 2 pulg de largo.

Pero esto sera en caso de seleccin de acoples, pero como se va a construir, se utilizan estas medidas para hacer una aproximacin de medidas reales, que tendrn nuestros acoples, ya que se debe dejar suficiente espacio para la soldadura, la misma que se establece de la siguiente manera:

D= 7 in; DBC= 5.5in; d=A = 4in y =0.15 (coeficiente de friccin),

Para calcular el dimetro de los pernos, se necesita la fuerza transmitida en un acople, donde se usa la siguiente frmula:

Ft= = 4264.83

El dimetro es:

d=

Donde Nc= y = Nc=3 y Ssy=

d= 0.595 pulg = 15.11 mm

Para calcular el nmero de pernos se utiliza la siguiente frmula:

T= N x x Ft

Recalculando el nmero de pernos se obtiene:

N = =6.6 =7 pernos.

Por tanto, se puede observar, que los cambios de dimensiones afect en cantidades despreciables, quedando el dimetro y el nmero de pernos antes seleccionados y son 7 pernos de 7/16 UNC por 2 pulg de largo.

CAPTULO 5: CLCULO DE LOS COMPONENTES QUE INTEGRARN LAS PIEZAS DE LA MQUINA

5. CLCULO DE LOS COMPONENTES QUE INTEGRARN LAS PIEZAS DE LA MQUINA

En este captulo se realizan los clculos de los componentes, para luego hacer la seleccin y realizar los planos de cada componente, como de la mquina en general, ac se ha utilizado el libro de Diseo en ingeniera mecnica de Shigley Mischke como referencia. Adems, debido al sistema de unidades utilizados en las fuentes de informacin, no se ha requerido el sistema internacional en los clculos, pero los resultados finales se han convertido al sistema internacional.

5.1 CLCULO DE LOS CILINDROS ROTATIVOS PRENSADORES.

Una vez realizado el diseo de forma de los Cilindros, se escoge el material, que para este caso ser un Acero AISI 4340, pero sin tratamiento trmico, ya que es un material resistente al desgaste, luego se realizan los clculos para obtener sus dimensiones.

Datos:

DBr=41.5 mm = 0.415 m

MBr=30 gr = 0.03 kg

Espacio entre agujeros Es=5 mm

Numero de agujeros N=27

Clculo para encontrar el dimetro del cilindro

Per= x D= (DBr x N) + (N + Es)

D== 400 mm = 40 cm

Con este cilindro se obtienen 27 briquetas por revolucin, el cual gira a 5 rpmAnalizando, se obtiene una produccin total de:

Tpr=27 Br/Rev x 5 Rev/min x 60 min/hr.

Tpr=8100 briquetas/hora

5.1.1. CALCULO DE LOS EJES DE LOS CILINDROS

Los ejes de los Cilindros deben ser diseados; de tal manera, que soporten la fuerza que realizan los engranes y la vibracin que generan los Cilindros, en el momento de la compresin del carbn vegetal. A continuacin se realizarn los clculos respectivos, para obtener las dimensiones, el material y saber si el eje diseado pueda o no fallar segn la especificacin.

Diagrama de fuerzas

Figura 5-1. Diagrama de fuerzas del eje.

Se asume una longitud de 45 cm, como tambin una fuerza de 1352 kg, que genera un torque T=2650 Nm (23455.6 pulg), por lo que se utiliza un acero SAE 4140, que es apropiado para ejes que contienen engranajes, cuyas propiedades son:

Sy=61000 psi=420.58 MPa

Sut=95000 psi=655.01 MPaFactor de seguridad n=3

Sumatoria de fuerzas y momentos.

+ Fy=0

R1+R2-F-F=0

R1=2F-R2

+MR1=0

-13250x7.5+ R2x15- 13250x24=0R2=27825 N; entonces R1=-1325 N

Diagrama de fuerzas y momentos.

Figura 5-2. Diagrama de fuerza y torque en el eje.

Figura 5-3. Diagrama de fuerza cortante del eje.

Figura 5-4. Diagrama de momento flector del eje.

Vmx= 13250 N

Mmx= 1192.5 Nm= 10555.46 lb pulg

Clculo del dimetro del eje por medio de los esfuerzos de flexin y torsin.

x= ; xy=

Mediante el crculo de Mohr

mx

Reemplazando x y xy

mx ; en base a la teora de fallas

Ssy= , entonces =

Al despejar el dimetro se obtiene

d= (() ((10555.48)2 + (23455.6)2)1/2)1/3

Esfuerzo de flexin

=

= = 8179.79 psi=56.40 MPa

Esfuerzo de torsin

= ; donde T=676 kg x 9.8 N/kg x 0.2 m = 1325 Nm = 11728.3 lb pulg= 1325.12 Nm

= = 4544.32 psi= 31.33 MPa

Anlisis de falla

N= > 1

= = 8179.79 psi

Datos:

d= 2.36 pulg

Sy= 61000 psi

Sut= 95000 psi

Se= CT x Cs x Cr x Cc x Ct x Se

Lmite de resistencia a la fatiga (Se)

Se = 0.504 x Sut (para Sut 212 kpsi)

Se = 0.505 x 95000

Se = 47880 psi= 330.12 MPa

Factor de acabado superficial (Cs)

Cs = a x ( Sut)b ; para superficies maquinadas a=2.7, b= -0.265

Cs = 2.7 (95) -0.265

Cs = 0.807

Factor de tamao ( Ct )

Ct = 0.879 x d 0.265 ; para 0.11 d 2 pulg

Ct = 0.879 x (2.36) 0.107

Ct = 0.802

Factor de temperatura ( CT )

CT 1

Factor de confiabilidad ( Cr )

Cr = 1 0.08 x Za ; para una confiabilidad del 90 % Za = 1.288

Cr = 0.897

Factor de carga ( Cc )

Cc =1

Entonces Se = 0.802 x 0.807 x 0.897 x 1 x 1 x 47880

Se = 27796.78 psi= 191.65MPa

N = = = 3.39 > 1 No falla.

5.1.2. CLCULO DE DIMETROS Y CONCENTRACIN DE ESFUERZOS

Para disminuir las concentraciones de tensiones en los cambios de seccin del eje, se han redondeado los bordes con un 1/8 pulg. Para la conexin del engrane y el cilindro al eje, se ha previsto de chaveteros con terminacin curva, para reducir la concentracin de tensiones.

DA= 60 mm

DB= 72 mm

Datos:

Material: Acero AISI 4140

Sy=61000 psi

Sut = 95000 psi

M = 10555.48 lb pulg = 8179.79 psi

Se = 27796.78 psi

Si el dimetro A es 2.36 pulg y se asume un radio r= 1/8 pulg , entonces

DB > 2.36 + 0.125

DB > 2.485

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Tabla 5-1. Factor de sensibilidad a la muesca en los aceros.

Concentracin de esfuerzos.

Kf = 1 + q (Kt 1)

r = 0.125

Para 95 kpsi y r= 0.125 ; se tiene que q = 0.85

Para obtener Kt se aplica lo siguiente

Kt = A ()b

De la tabla se obtiene que para D /d = 1.2; Con A = 0.97098 y b = -0.21796

Kt = 0.97098 ()-0.21796 = 1.84

Entonces Kf = 1 + 0.85 x (1.84 -1)

Kf = 1.714

Kt > Kf Por lo que no falla.

Entonces como D/d = 1.2, se obtiene el dimetro B

DB/DA = 1.2

Entonces DB = DA x 1.2 = 2.83 pulg

Se calcula el factor de seguridad que debe ser mayor que uno para que no falle.

N= > 1

= x Kf = 8179.79 x 1.714 = 14020.15 psi=96.66MPa

Obtenemos N = = = 1.98 > 1 No falla.

5.2. SELECCIN ANILLO DE SUJECIN PARA EL PION

En la tabla de anillos de sujecin, se determinar el anillo segn el dimetro del eje y en este caso, es de dimetro igual a 60 mm, por lo que el anillo ser del tipo Anillo Elstico DIN 471 con las siguientes caractersticas:

D int = 55.8 mm

e = 2.5 mm

r = 3mm= 0.118 pulg

Clculo de fallas por concentracin de esfuerzos.

A flexin:

Kf = 1 + q (Kt 1)

Kt = A ()b

Asumiendo que D/d = 1.2 ; A = 0.94681 y b = -0.30582

Entonces d = D/ 1.2 = 2.36 / 1.2

d = 1.967

r = 0.118 pulg

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Tabla 5-2. Factor de concentracin de esfuerzos de una ranura a flexin.

Kt = 2.238

q = 0.86

Kf = 1+ 0.86 x (2.238 -1)

Kf = 2.064

Obtengo que Kt > Kf , por lo tanto no falla por flexin.

A torsin.

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Tabla 5-3. Factor de concentracin de esfuerzos de una ranura a torsin.

Para D/d = 1.2, A = 0.90182 y b= -0.22334

Kt = A ()b

Kt = 0.90182 () -0.22334

Kt = 1.69

Entonces Kf = 1 + 0.86 x (1.69 -1)

Kf = 1.5934

Se obtiene que Kt > Kf , por lo tanto no falla por torsin.De estos ejes se construirn 2 para los cilindros prensadores, pero el segundo no tendr el mismo largo, ya que no se unir con acople, pero si se colocar una polea para la transmisin del movimiento al cilindro clasificador. Estos detalles se pueden observar en los planos de los ejes.

5.3 CLCULO DE LAS CHAVETAS

Para el pin. Se determinar el tamao de la chaveta segn el dimetro de eje, en este caso est entre 2 y 2 pulg, que da un espesor w=5/8 x 5/8 pulg. El material para la chaveta es acero AISI 1020 extruido en frio que tiene Sy= 51000 psi, y como el material del pin es AISI 4340 con Sy= 230000 psi, el material menos resistente es el de la chaveta. Al aplicar la siguiente ecuacin:

L =

Donde:

T = 1325 Nm = 11728.3 pulg

D = 60 mm

W = 5/8 pulg (espesor)

Sy =51000 psi

N = 3

Entonces

L = = 1.87 pulg = 47.5 mm

Por lo tanto, las dimensiones de la chaveta para el pin son de 5/8x5/8x1.87pulg (15.88x15.88x47.5mm).

Fuente: MOTT ROBERT, Cuarta Edicin, 2006.

Tabla 5-4. Tabla de relacin entre dimetro de eje (flecha) y chaveta (cua).

Para el cilindro.

Como los materiales son los mismos, se aplicar el mismo procedimiento anterior y la misma frmula, quedando de la siguiente manera:

Se escoge el tamao para un dimetro entre 2 y 3 pulg que da un valor de w = x , entonces:

L =

Donde:

T = 1325 Nm = 1728.3 lb pulg

D = 72 mm = 2.832 pulg

W = pulg (espesor)

Sy = 51000 psi

N = 3

Entonces

L = = 1.3 pulg = 33.02 mm

Por tanto, las dimensiones de la chaveta para el cilindro son: x x 1.3 pulg (19 x 19 x 33mm)

Para los acoples.

Debido a que los materiales son los mismos, se realizar el mismo procedimiento, quedando de la siguiente manera:

Se escoge el tamao para un dimetro entre 2 y 2 pulg , que da un valor de w = 5/8 x 5/8 pulg .Adems:

L =

Donde:

T = 1325 Nm = 1728.3 lb pulg

D = 60 mm=2.36 pulg

W = 5/8 pulg (espesor)

Sy =51000 psi

N = 3

Entonces L = = 1.87 pulg = 47.5 mm

Por lo tanto, las dimensiones de la chaveta para los acoples son de 5/8x5/8x1.87pulg (15.88x15.88x47.5mm).Estas chavetas, al igual que las del pin, se construirn 2 de cada una, ya que son dos ejes y dos acoples.

5.4. CLCULO DE LOS ENGRANAJES DE DIENTES RECTOS DE LOS CILINDROS ROTATIVOS.

Los cilindros necesitan de una fuerza para poder compactar el carbn vegetal, y esta fuerza es obtenida de los engranajes, de los cuales se calcular sus dimensiones y caractersticas constructivas.

Datos:

Wg= 5 rpm

= 20 (ngulo de presin)

Dc=dg = 400 mm = 15.74 pulg (igual que el dimetro del cilindro)

Adems se considerar como valor de mdulo m=4 y relacin de velocidad Rv = 4.

Con los datos se calcular el nmero de dientes que tendr el engranaje:

m=

Ng= = 100 dientes

De la tabla obtenemos el paso diametral

Pd = 6.35 pulg -1

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Tabla 5-5. Mdulos mtricos estndar.

Clculo de los dimetros.

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Figura 5-5. Bosquejo de los engranajes.

Dext = M x (N + 2)

Dext = Dp + 2 m

Engrane:

Dext = 4 x (100+ 2)= 408 mm

Dpg = De- 2m

Dpg = 408 2x4 = 400 mm

Razn de engrane:

mg = = = 4

La razn de engrane cumple con la ley fundamental de ste, que dice:

/mg/ = /mv/ 1

Paso circunferencial

Pc=

Pc= 12.57 mm = 0.494 pulg

Paso base

Pb= Pc x cos ()

Pb= 11.81 mm = 0.464 pulg

Paso diametral

Pd= = = 6.35 pulg-1

Adems:

C: Distancia entre centros

C= rg + rp

C= = 250 mm = 9.8375 pulg

Clculo de las dimensiones del diente segn la norma AGMA

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Tabla 5-6. Especificaciones de dientes AGMA de profundidad total.

Altura de cabeza y raz (a) y (b)

a = = = 0.157 pulg = 4 mm

b = = = 0.197 pulg = 5 mm

Holgura

c = b a= 0.197 0.157 = 0.04 pulg = 1mm

Altura total

ht = a + b = 4 + 5 = 9 mmmp=

Donde:

Z: Longitud de accin

Pb: Paso base

: ngulo de presin, =20

Z= + C sen

Z= + 9.8375sen 20

Z=0.803 pulg = 20.41 mm

Entonces, mp= = = 1.73

Se encuentra en el rango de la razn de contacto vlido: 1.4 mp 2

Ancho mnimo de la cresta superior (A)

A= = = 0.0393 pulg = 1mm

Longitud del diente (L)

Se tiene que: L (1.259 L 2.519)

Como el material es resistente, se asume L = 1.5 pulg

5.4.1. Anlisis y clculo de las cargas en los engranajes.

Se tiene como dato que la carga total de compresin es de 676 kg. Tambin el ngulo de presin, que es igual a 20.Diagrama de fuerzas.

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Figura 5-6. Diagrama de fuerzas que actan en los engranajes.

Datos:

FT= 676 kg=6625 N

r = 0.2 mm

= 20

El torque es T = FT x r = 6625 x 0.2 = 1325 Nm = 11728.3 lb pulg

Ft = cos x FT

Ft = 6225.46 N

Sen =

Fr = sen x Ft

Fr = 2265.89 N

Velocidad

Vt= wg x rg

Vt = 5 x 7.87 = 39.35(rev/min x pulg)(1 ft/ 12 pulg)(2/ 1 rev)=20.76 ft/min= 0.1046 m/seg

5.4.1.1. Clculo de fallas

Esfuerzos por flexin ( fatiga):

Se calcular los esfuerzos respectivos que se realizan en el diente del engranaje, se utilizar la ecuacin de W. Lewis.

= x x Ks x K B x KI

Tablas de diferentes factores

J = Factor geomtrico de AGMA

J = Y = factor de Lewis

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Tabla 5-7. Factor de W. Lewis.

Con Jp = 0.38, Jg = 0.44Kv = Factor dinmico

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Tabla 5-8. Factor dinmico.

Km = Factor de distribucin de carga

Km = 1.6

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Tabla 5-9. Factor de distribucin de carga.

Ka: Factor de aplicacin de carga

Ka = 1

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Tabla 5-10. Factor de aplicacin de carga.

Ks: Factor de tamao = 1.25

KI: Factor de engrane medio (Si hay engrane intermedio es 1.42, si no lo hay es 1, por lo tanto es igual a 1)

KB: Factor de espesor de rueda (Como no tiene vaciado es igual a 1)

Qv: Factor de calidad

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005

Tabla 5-11. ndice de calidad.

Qv = 7 (entre 5 y 7)

Anlisis de fallas:

Datos:

Ft = 6225.46 N

Fr = 2265.89 N

Wg = 5 rpm

Wp = 20 rpm

T = 1325 Nm

Factor dinmico

Kv = ( )B

Donde:

A = 50 + 56 x (1-B) = 65.12

B = ((12 Qv)2/3)/4) = ((12 7)2/3)/4) = 0.73

Vt: Velocidad de la lnea de paso

Vt= (A + (Q-3))2

Vt= 4777.57 ft/min

Entonces Kv= ) 0.73 = 0.59

Km = 1.6

Ka= 1 (impacto uniforme)Ks= 1.25

KI= 1

KB= 1

Wt = Ft = 6225.46 N

Entonces

= x x Ks x K B x KI

= x x 1.25 x 1 x 1

bg = 45643.68 psi=314.70 MPa

Esfuerzo superficial

c = Cp

Datos:

Material: Acero SAE 4340. 540 HB con tratamiento superficial.

Cp: Factor elstico.

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Tabla 5-12. Tabla coeficiente elstico.

Cp= 2300 psi1/2

Cf: Factor de acabado superficial

F = L = 1.5 pulg

Ca = Km = 1.6

Cv= Kv = 0.59

Cs = Ks = 1.25

Cm = 1

Cf = 1

Dimetro de paso del pin

dp = 3.935 pulg = 100 mm rp= 1.9675 pulg

dg = 15.74 pulg = 400 mm rg = 7.87 pulg

Wt = 1399.5 lb

Pd = 6.35 pulg-1

C = 9.8375 pulg

Factor geomtrico de superficie ( I )

I=

Radios de curvatura p y g

p = )-xcos

p = )-xcos20

p =

g = C sen p

g = 9.8375 sen20 0.582

g = 2.782

Entonces I== 0.1149

Por lo tanto

cg= 2300

cg = 96182.33 psi= 663.15MPa

Resistencia a la fatiga por flexin(SFb) Sfb =xSfb

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Tabla 5-13. Materiales para engranes.

Por la tabla se escoge como material un Acero AISI 4340 por su grado de dureza 540 HB, luego se realiza el clculo correspondiente.

Sfb = 108.6 HB + 15890

Datos:

Kt = 1

Kr = 1

R = 99%Asumiendo una vida til de 10 aos, trabajando 8 horas diarias 5 veces a la semana

Vida= N = 10 aos x

N = 4.89 x 109 ciclos (revoluciones)

Sfb = 108.6 x 540 + 15890 =74534 psi= 513.89 MPa

KL: Factor de correccin de vida.

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Tabla 5-14. Resistencia Sfb

KL=1.3558 N -0.0178

KL=1.3558 (4.86x109) -0.0178

KL=0.911

Por lo tanto S fb= x S fb =67900.47 psi= 468.15 MPa

Fatiga superficial ( S fc)

S fc = x S fc

Ct=1

Cr=1

Ch=1(relacin de fuerza)

Cl=1.4488N -0.023

Cl=0.87

Sfc=349(HB)+34300

Sfc=349x540+34300

Sfc=222760 psi

Entonces S fc= x 222760

S fc= 193801.2 psi

Comprobacin

Los factores de seguridad deben ser mayores a 1

Flexin ( b)

b = = = 1.49

Superficial ( c)

c= )2 = ()2=4.05

Por lo tanto no fallan.

5.5. CLCULO DE LOS ENGRANAJES DE DIENTES RECTOS DE LA TRANSMISIN (PIN)

Con la relacin de velocidad (Rv) se encuentra el nmero de dientes del pin(Np).

Pd=6.35 pulg-1

Rv= =

Np=

Np= = 25 dientes

Con el paso diametral (Pd) se calcular el dimetro del pin (dp)

Pd=

dp= = 3.937 pulg = 100 mm

Clculo de la velocidad angular del pin

. =

Wp=

Wp=20 rpm

Clculo de los dimetros

Pin

Dext =M x (N +2)

Dext =4 x (25 +2) Dpp=De 2m

Dpp=100 mm

Clculo de las dimensiones del diente segn la norma AGMA

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Figura 5-7. Dimensiones del diente del pin segn norma AGMA.

Altura de cabeza y raz (a) y (b)

a= = 0.157 pulg = 4 mm

b= = 0.197 pulg = 5 mm

Holgura

c= b a = 0.197 0.157 = 0.04 pulg = 1 mm

Altura totalht = a+b = 0.157 + 0.197 = 0.354 pulg = 9 mm

Razn de contacto

mp=

Donde

Z: Longitud de accin

Pb: Paso base

: ngulo de presin, =20

Z= + C sen

Z= + 9.8375sen 20

Z=0.803 pulg = 20.41 mm

Entonces

mp= =

Pb = Pc cos = 0.494cos20 = 0.464 pulg

mp= = = 1.73

Se encuentra en el rango de la razn de contacto: 1.4 mp 2

Longitud del diente (L)

Se tiene que: L (1.259 pulg L 2.519 pulg)

Como el material es resistente, se asume L = 1.5 pulgVelocidad

Vt = wp x rp

Vt= 20 rpm x 1.9675 pulg

Vt=39.35 (rev/min x pulg) (1 ft/12 pulg) (2/ 1 rev) = 20.6 ft/min= 0.1046 m/seg

5.5.1. Clculo de fallas

Esfuerzos por flexin (fatiga)

Se calcularn los esfuerzos respectivos que se realizan en el diente del pin, utilizando la ecuacin de W. Lewis. Tambin se utilizar el wt reducido en un 50%, ya que no hace el esfuerzo que hace el engrane.

= x x Ks x K B x KI

Datos:

wg = 5 rpm

wp= 20 rpm

Torque, T= 1325 Nm

F tp= 3112.73 N = 699.8 lb

F rp= 1132.95 N = 254.7 lb

Factor dinmico

Kv = ( )B

Donde:

A = 50 + 56 x (1-B) = 65.12

B = ((12 Qv)2/3)/4) = ((12 7)2/3)/4) = 0.73

Vt: Velocidad de la lnea de paso

Vt= (A + (Q-3))2

Vt= 4777.57 ft/min

Entonces Kv= ) 0.73 = 0.59

Km = 1.6

Ka= 1 (impacto uniforme)

Ks= 1.25

KI= 1

KB= 1

Wt = Ft = 3112.73 N

Wt= 699.75 lb

Entonces

= x x Ks x K B x KI

= x x 1.25 x 1 x 1

bp = 26425.29 psi=182.19 MPa

Esfuerzo superficial

c = Cp

Datos:

Material: Acero SAE 4340. 540 HB con tratamiento superficial.

Cp: Factor elstico.

Cp= 2300 psi1/2

Cf: Factor de acabado superficial

F = L = 1.5 pulg

Ca = Km = 1.6

Cv= Kv = 0.59

Cs = Ks = 1.25

Cm = 1

Cf = 1

Dimetro de paso del pin

dp = 3.935 pulg = 100 mm rp= 1.9675 pulg

dg = 15.74 pulg = 400 mm rg = 7.87 pulg

Wt = 699.8 lb

Pd = 6.35 pulg-1

C = 9.8375 pulg

Factor geomtrico de superficie ( I )

I=Radios de curvatura p y g

p = )-xcos

p = )-xcos20

p =

g = C sen p

g = 9.8375 sen20 0.582

g = 2.782

Entonces I== 0.1149

Por lo tanto

cp= 2300

cp = 136027 psi=937.87 MPa

Resistencia a la fatiga por flexin(SFb)

Sfb =xSfb

Por tabla se determinar como material un Acero AISI 4340 por su grado de dureza 540 HB, luego se realiza el clculo correspondiente.

Sfb = 108.6 HB + 15890

Datos:

Kt = 1

Kr = 1

R = 99%

Asumiendo una vida til de 10 aos, trabajando 8 horas diarias 5 veces a la semana

Vida= N = 10 aos x

N = 4.89 x 109 ciclos (revoluciones)

Sfb = 108.6 x 540 + 15890 =74534 psi=513.89 MPa

KL: Factor de correccin de vida.

KL=1.3558 N -0.0178

KL=1.3558 (4.86x109) -0.0178

KL=0.911

Por lo tanto S fb= x S fb =67900.47 psi=468.15 MPa

Fatiga superficial ( S fc)

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Tabla 5-15. Fatiga Superficial (S fc)

S fc = x S fc

Ct=1

Cr=1

Ch=1(relacin de fuerza)

Cl=1.4488N -0.023

Cl=0.87

Sfc=349(HB)+34300

Sfc=349x540+34300

Sfc=222760 psi=191.65MPa

Entonces S fc= x 222760

S fc= 193801.2 psi=1336.21 MPa

Comprobacin

Los factores de seguridad deben ser mayores a 1

Flexin ( b)

b = = = 2.57

Superficial ( c)

c= )2 = ()2=2.03

Por lo tanto no fallan.

5.6. DISEO DE LOS ALIMENTADORES

Figura 5-8. Bosquejo de un alimentador.

Las caractersticas del diente son similares a la de los engranajes. El dimetro externo del alimentador ser igual al dimetro externo del pin, entonces dext alimentador= 100 mm, sujeto con un eje de dimetro 1 1/2 pulg (38 mm) al igual que el pin, con un chavetero de 3/8 x 3/8 pulg (9.5 mm) y largo 30 mm.

H: Ancho del alimentador, el cual ser igual al ancho del cilindro prensador, entonces:

H= 50 mm

El alimentador poseer unos canales de separacin, los cuales cobijarn el volumen de material a compactar, el que posteriormente se entregar a los cilindros prensadores.

El volumen de la briqueta es V = Sabiendo el dimetro de la briqueta, d=4.15 cm (41.5 mm), sabemos que su volumen es 3.75 cm3.

Al compactar se reduce el volumen original (el proporcionado por el alimentador) en 35% aproximadamente.

Entonces el volumen que proporciona el alimentador es:

X 100%

37.5 cm3 65%

X=57.7 cm3

El volumen del material a compactar es igual al volumen del semicilindro que forma el alimentador.

= 57.7 cm3

Ahora cada alimentador debe proveer 57.7 cm3/2 = 28.85 cm3 a cada semiesfera que es igual al volumen del semicilindro que forma el alimentador.

V= 28.85=

Con r = = 1.92 cm

Como el alimentador tiene 100 mm de dimetro, se calcular cual ser el permetro, y esa cantidad se divide por la medida del canal y la separacin de stas, que dando de la siguiente forma:

Permetro= x D

Permetro= 3.14 x 100 = 314 mm

N de canales = = = 13 canales

Por lo tanto, se tiene un alimentador con 13 canales y 13 separaciones.

5.7. CLCULO DE LA POTENCIA DEL MOTOR.

Con los clculos que se han realizado, se obtiene la velocidad angular que requiere el eje de los cilindros, la potencia para mover los engranes y con esto la fuerza para compactar. Calculando la potencia requerida, se tiene que:

FT = 1352 kgf= 13250 N

Ft=FT x cos20

Ft= 12451 N = 2800 lb

Vt=39.35 rev/min x pulg = 20.6 ft/min= 0.1046 m/seg

Pot=

Pot= = 1.72 Hp= 1.2826 Kw

Esta sera la potencia terica requerida, pero se tiene que considerar un factor de servicio (K), por cualquier sobre carga de la mquina, para hacer la seleccin del motor.

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Tabla 5-16. Factor de servicio K. En la tabla, segn el nmero de horas a trabajar y el tipo de maquina se tiene que K es igual a 1,5, por lo que la potencia del motor ser:

P=Pot x KP= 2.62 Hp 3 Hp= 2.2371 Kw

Con esta potencia se seleccionar el motor, el cual ser del tipo SIEMENS 1LA 7, que se encuentra disponible con la potencia requerida y que cumple con caractersticas adecuadas para el mecanismo (ver catlogo), distribuido a nivel nacional por MOTORES LUREYE.

5.8. CLCULO DEL REDUCTOR.

Los reductores de velocidad son utilizados en mltiples diseos de mquinas, con el fin de satisfacer las siguientes funciones primordiales: recibir potencia de un motor mediante un eje o poleas, transmitir la potencia mediante elementos de mquina apropiados, generalmente engranes, que reduzcan la velocidad hasta un valor apropiado y entregar la potencia, con velocidad menor, a otro eje que la reciba y ejecute una accin determinada.

Datos:

Potencia del motor= 3 Hp= 2.2371 Kw

Velocidad angular necesaria= 5 rpm

Velocidad de entrada = 900 rpm

La relacin de velocidades est dada por:

i = = 180

Con esta relacin, se seleccionar un reductor de velocidad tipo SITI COAXIAL, el cual est disponible para la relacin de velocidad 180:1 y que tambin cumple con caractersticas adecuadas para el mecanismo( ver catlogo), el cual es distribuido en el pas por la empresa MOTORES LUREYE.

5.9. CLCULO DE LOS RODAMIENTOS.

Al seleccionar los ejes de los cilindros, se obtienen los dimetros con los cuales se calcular y se seleccionarn los rodamientos, los cuales deben soportar las cargas y permitirn un normal movimiento de los ejes. La seleccin de estos se har con los catlogos de rodamientos SKF.

Analizando las fuerzas, se tiene que solo existen fuerzas radiales, por lo que se calcular la fuerza radial total que se ejerce sobre el eje, y es la que se utilizar para el clculo de los rodamientos.

Diagrama de fuerzas.

Figura 5-9. Diagrama de fuerzas que actan en los rodamientos.

Datos:

n= 5 rpm

p=10/3 (rodamiento de rodillos cnico)

D=2.36 pulg = 60 mm

Clculo de reacciones+ Fy=0

R1+R2 - 26500=0

R2= F R1

+M R1=0

-13250x7.5 + R2x15 13250x24=0

R2=27850 N

R1=-1325 N

Se calcular la vida nominal bsica para el rodamiento ms exigido, que es donde se aplica la fuerza R2.

Vida nominal bsica en horas.

Para R2= 27825 N

L10= () P

En la tabla, se tienen las vidas segn el tiempo de trabajo de las mquinas y se escoge un servicio de 8 horas, que se utiliza por completo y se tiene de 20.000 a 30.000 h, por lo que se escoge el intermedio de 25.000 h.

L10=25000 h

Fuente: SHIGLEY - MISCHKE, Sexta Edicin, 2005.

Tabla 5-17. Recomendaciones de vida para rodamientos.

Teniendo la vida nominal y las cargas, se calcula la capacidad dinmica d