Optimización transporte neumatic

7/23/2019 Optimización transporte neumatic

http://slidepdf.com/reader/full/optimizacion-transporte-neumatic 1/62

“Implementación de tobera para optimizar la alimentación de materiales a granel en un Sistema de Transporte Neumático”

Tabla de Contenidos

i Í NDICE DE FIGURAS ……………………………………………..…………………………..…..………..2ii Í NDICE DE TABLAS……………………………………………………..……………….………………....3iii R ESUMEN………………………………………………………………………...……………….………4

iv ABSTRACT………………………………………………………….…………………………………..…51 Introducción.............................................................................................................................. 6

1.1 I NTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 6 1.2 OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 7 1.3 NOMENCLATURA.............................................................................................................................. 8

2 Definiciones ............................................................................................................................... 9

2.1 TRANSPORTE NEUMÁTICO ............................................................................................................... 9 2.2 MATERIAL SÓLIDO A GRANEL ......................................................................................................... 9 2.3 TIPOS DE SISTEMAS DE TRANSPORTE NEUMÁTICO.......................................................................... 11 2.4 VELOCIDAD DE TRANSPORTE ......................................................................................................... 12 2.5 CAÍDA DE PRESIÓN TOTAL ............................................................................................................. 14

2.6 DIAGRAMA DE ESTADO.................................................................................................................. 16 2.7 DIAGRAMA DE FASE....................................................................................................................... 19

3 Descripción del Sistema de Transporte Neumático Utilizado ............................................ 20

3.1 SISTEMA DE TRANSPORTE NEUMÁTICO.......................................................................................... 20 3.2 ELEMENTO MOTRIZ ....................................................................................................................... 21 3.3 ZONA DE ALIMENTACIÓN............................................................................................................... 22 3.4 ZONA DE ACELERACIÓN ................................................................................................................. 24 3.5 TUBERÍA DE TRANSPORTE .............................................................................................................. 25 3.6 ZONA DE SEPARACIÓN.................................................................................................................... 26

4 Implementación ................................................................................................................... 27

4.1 TOBERAS........................................................................................................................................ 27 4.2 CAÍDA DE PRESIÓN DE LAS TOBERAS ............................................................................................. 33 4.3 PLACA DOSIFICADORA................................................................................................................... 36

5 Experimentación..................................................................................................................... 38

5.1 METODOLOGÍA............................................................................................................................... 38 5.2 PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN ...................................................................................................... 42 5.3 CURVA DEL SISTEMA PARA AIRE SÓLO.......................................................................................... 43 5.4 CARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL UTILIZADO.............................................................................. 44

6 Resultados ............................................................................................................................... 47

6.1 E NSAYOS SIN TOBERA.................................................................................................................... 47 6.2 E NSAYOS CON TOBERA 25 [MM] ................................................................................................... 48 6.3 E NSAYOS CON TOBERA 30 [MM] .................................................................................................... 49 6.4 E NSAYO CON TOBERA SIN DIFUSOR ............................................................................................... 50 6.5 E NSAYO CON PLACA DEFLECTORA ................................................................................................ 51 6.6 A NÁLISIS DE LOS R ESULTADOS ...................................................................................................... 52

7 Conclusiones............................................................................................................................ 61

8 Referencias .............................................................................................................................. 62

9 Anexos……………………………………....…………………………………………………63

U.T.F.S.M.1




Índice de Figuras

2.1 DIAGRAMA DE ESTADO ESQUEMATIZADO……………………………………………………………182.2 DIAGRAMA DE FASE Y CORRESPONDIENTES FLUJOS………………………………………….………19

3.1

ESQUEMA ISOMÉTRICO DE SISTEMA DE TRANSPORTE NEUMÁTICO......................................................203.2 MOTOR Y TURBOSOPLADOR …………………………………………………………………………..213.3 VARIADOR DE FRECUENCIA………………………………………………………………….……….223.4 COMPONENTES DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN……………………………………………………243.5.A CODO Y TRAMO RECTO CON SUS RESPECTIVOS SOPORTES………………………....………………….253.5.B TRAMO RECTO HORIZONTAL Y SOPORTES…………………………………………………….………253.6.A CICLÓN TANGENCIAL………………………………………………………………………..……….263.6.B CICLÓN SIN TAPA……………………………………………………………………………………..264.1 ESQUEMA TOBERA CONVERGENTE-DIVERGENTE………………………….…………………………284.2 ESQUEMA DE TOBERA CONVERGENTE-DIVERGENTE UTILIZADA………….……….……….………...294.3 R EPRESENTACIÓN DE LA INSTALACIÓN DE LA TOBERA………………………………….….………...304.4 ESQUEMA TOBERA SIN DIFUSOR ……………………………………………………….……………..314.5 COMPORTAMIENTO DE UN FLUIDO EN UN CAMBIO DE SECCIÓN BRUSCO……………….………...…...31

4.6 TOBERA SIN DIFUSOR ……………………………………………………………….….……………..324.7 VISTA ISOMÉTRICA PLACA DEFLECTORA………………………………………….....................…….324.8 ESQUEMA PLACA DEFLECTORA………………………………………………......................…. ..…..334.9 DIFERENCIA EN LA CAÍDA DE PRESIÓN DE LAS TOBERAS……………………………………...………344.10 CONSTANTE K DE TOBERAS……………………………………………………...…………………....354.11 CAÍDA DE PRESIÓN DE LAS TOBERAS…………………………………………………………....……364.12 VISTA SILO DE ECUALIZACIÓN……………………………………………………………….....……374.13 PLACAS DOSIFICADORAS UTILIZADAS PARA VARIAR EL FLUJO DE SÓLIDOS…………………..……...375.1 PLACA ORIFICIO PARA MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD DEL AIRE……………………………..……..…385.2 MICROMANÓMETRO Y TUBO PITOT………………………………………………………………..…395.3 MANÓMETROS DE COLUMNA DE AGUA………………………………………….………………...…405.4 MEDICIÓN DE FLUJO MÁSICO DE MATERIAL…………………………………….………….……...…415.5 CURVAS SISTEMA PARA AIRE SOLO CON DISTINTAS TOBERAS…………………….…………...…...…435.6 TAMICES…………………………………………………………………….……………….…..……445.7 BALANZA ELECTRÓNICA…………………………………………………………………….……..…445.8 DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA……………………………………………………………………456.1 DIAGRAMA DE ESTADO PARA SISTEMA SIN TOBERA………………………………..………………...476.2 DIAGRAMA DE FASE PARA SISTEMA CON TOBERA DE 25 [MM]…………………….…………………486.3 DIAGRAMA DE FASE PARA SISTEMA CON TOBERA DE 30 [MM]………….……………………………496.4 DIAGRAMA DE FASE PARA SISTEMA CON TOBERA SIN DIFUSOR ……………...………………………506.5 DIAGRAMA DE FASE PARA SISTEMA CON PLACA DEFLECTORA…………………..………………..…516.6 A NÁLISIS DIAGRAMA DE ESTADO PARA SISTEMA SIN TOBERA………...…………………….……….526.7 A NÁLISIS DEL DIAGRAMA DE FASE TOBERA 25 [MM]………………………….…..…………………536.8 A NÁLISIS DEL DIAGRAMA DE FASE TOBERA 30 [MM]…………………….………..…………………546.9 A NÁLISIS DEL DIAGRAMA DE FASE TOBERA SIN DIFUSOR …………………………………………....556.10 A NÁLISIS DEL DIAGRAMA DE FASE PARA PLACA DEFLECTORA…………………………..…….…….566.11 CUADRO COMPARATIVO DE INCIDENCIA DE LAS TOBERAS EN EL FLUJO MÁSICO………...……………57

6.12 COMPORTAMIENTO DEL FLUJO MÁSICO DE SÓLIDOS EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD DEL AIRE PARAPLACA DOSIFICADORA DE 16 [MM]……………………………………………………………….…58

6.13 COMPORTAMIENTO DEL FLUJO MÁSICO DE SÓLIDOS EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD DEL AIRE PARA

PLACA DOSIFICADORA DE 16 [MM]……………………………………………..........................…….59

U.T.F.S.M.2




Índice de Tablas

TABLA 1 CÁLCULO TEÓRICO DE TOBERAS UTILIZADAS…………..……….…………………………30TABLA 2 CONSTANTES K OBTENIDAS………………………….………….……………………..……35TABLA 3 A NÁLISIS HUMEDAD………………………….…….…………….………………………...45TABLA 4 DIÁMETROS PLACAS DOSIFICADORAS……………………………….…………...………...57

TABLA 5 CUADRO RESUMEN……………………………………………….…………………………59

U.T.F.S.M.3




Resumen

Esta investigación busca solución a una dificultad que restringe el uso de los

Sistemas de Transporte Neumático: los pulsos, variaciones del flujo másico de sólidos en el

sistema, generados principalmente por la válvula rotatoria. Esto se logró a través de la

implementación de Toberas y Placas Dosificadoras en el punto de alimentación. El diseño e

implementación de cuatro modelos de toberas permitió estudiar el comportamiento del flujo

de sólidos y de aire para cada una. Se midieron los principales parámetros relevantes,

Presión Total, Velocidad del Aire y Flujo Másico de Sólidos, a través de un procedimiento,

con los que se elaboraron los Diagramas de Estado y de Fase respectivos. En estos

diagramas se muestran los tipos de flujos existentes en el sistema para los distintos puntos

de operación gracias a la existencia de tuberías de acrílico que permiten la observación delas condiciones de flujo para Gritz de Maíz, el cual posee características óptimas para

realización de las mediciones: fácil escurrimiento, no tóxico ni nocivo.

Este estudio fue realizado en el “Centro de Investigación y Desarrollo para el

Transporte de Materiales Sólidos a Granel”, CITRAM dependiente del Departamento de

Mecánica de la Universidad Técnica Federico Santa Maria.

U.T.F.S.M.4




Abstract

This research looks for the solution to a difficulty which limits the use of Pneumatic

Conveying System: the pulses generated mainly by the rotatory valve. This was achieved

by placing a nozzle and dosage plate at the feeding point. The design and implementationof four nozzle models allowed the study of the behaviour of the solid’s and air flow for

each one. The main relevant parameters were measured, total pressure, air speed and

solid's mass flow, through a procedure with which were elaborated the state diagrams and

phase diagram. In these diagrams we show the types of flows existing in the system for the

different operating points, thanks to the existence of acrylic pipes which allow the

observation of the flow conditions for “Corn Gritz”, which has excellent characteristics for

measurement, easy flowing, non toxic.

This study was done at the “Research and technical development center for

transport of Bulk Materials” CITRAM which belongs to the Mechanical Engineering

Department of the Universidad Técnica Federico Santa Maria.

U.T.F.S.M.5




1 Introducción

1.1 Introducción

La necesidad de transportar los materiales de un lugar a otro para poder realizar los procesos productivos, es un problema que existe y existirá en la industria. Es por esto quela creación y operación de sistemas que faciliten este proceso requieren de estudios y perfeccionamientos.

En la actualidad existe una serie de sistemas de transporte de materiales, de loscuales los de mayor importancia son: correas transportadoras, elevadores de capachos,sistemas de transporte neumático, camiones, vagones de tren, entre otros. Estos sistemasson los que actualmente solucionan el problema del transporte en la industria.

La elección de un sistema en particular es realizada según las características del

material a transportar, las condiciones en que se requiere transportar el material, lacapacidad de transporte, la distancia a la que es necesario transportar el material, entreotros.

El transporte de materiales es un campo en donde el avance del conocimiento no hasido suficiente, es por esto que constantemente se pueden apreciar problemas en la industriaen que los sistemas no funcionan correctamente o no se logra los resultados esperados.

Los sistemas de transporte neumático son aquellos que utilizan gas para eldesplazamiento de sólidos a granel desde un punto a otro por el interior de una tubería.Estos se utilizan de forma importante en la industria para el transporte de una diversa gama

de materiales. Ejemplos de esto son la industria minera, la cementera, la alimenticia, laforestal, entre muchas otras. Cada una de estas posee distintas características en donde lossistemas de transporte neumático deben acondicionarse para satisfacer las necesidades decada una.

Las ventajas que posee este sistema de transporte en particular son, que al sersistemas cerrados permiten un muy buen control de las emisiones de materiales a laatmósfera, lo que permite transportar materiales peligrosos o nocivos. Además estossistemas se pueden adecuar a las condiciones de espacio disponible en las plantasindustriales, así también tener un bajo costo de mantención y ser de fácil automatización.

Las desventajas que posee el sistema neumático son, que no es posible transportar latotalidad de los materiales, dado que solo permite transportar materiales secos, finos(tamaño menor a 12 [mm]), no cohesivos y que posean un fácil escurrimiento libre porgravedad. La corta distancia de transporte en comparación a otros sistemas y un bajo flujomásico son otras limitantes a tener en consideración al escoger este sistema.

Un problema común en los sistemas de transporte neumático es la aparición de pulsos en las líneas o cañerías, las cuales no permiten un flujo continuo y homogéneo de

U.T.F.S.M.6




material. La eliminación de esos pulsos es una de las principales tareas de este trabajo. Esto permite optimizar la alimentación de sólidos y así lograr una mayor utilización de estossistemas en la industria.

Un ejemplo en donde el ingreso del material al sistema es crítica, es la alimentación

de carbón en calderas, ésta deber ser lo más homogéneo posible para, asegurar laestabilidad de la llama y eficiencia de la combustión. Otro ejemplo es la inyección decarbón en un convertidor, en donde un flujo continuo asegura una buena reducción.

1.2 Objetivos

Los objetivos de este trabajo son los siguientes:

• Diseñar, construir y utilizar diversas toberas de alimentación para optimizar laalimentación de materiales a granel en un Sistema de Transporte Neumático.

• Estudiar el comportamiento del sistema neumático con la implementación detoberas en la zona de alimentación.

• Estimar los parámetros relevantes del Sistema de Transporte Neumáticoexistente, con la implementación de las toberas y válvula rotatoria.

•

Obtener los Diagramas de Estado y de Fase para el sistema con laimplementación de la tobera y válvula rotatoria para distintas condiciones deflujo.

U.T.F.S.M.7




1.3 Nomenclatura

A: Área normal al flujo [m2]d p: Diámetro medio de partícula [m]

d p* : Diámetro crítico de partícula [m]f g: Factor de fricción del gas [-]g: Aceleración de gravedad [m2/s]K: Constante de la placa Orificio.K s: Coeficiente de fricción de sólidosL: Largo de cañería [m]∆P: Caída de presión [Pa]Qg: Caudal de gas [m3/s]Re: Número de ReynoldsRe p: Número de Reynolds de partículaUg: Velocidad media del gas [m/s]

Ug crit: Velocidad crítica de transporte [m/s]UgMín: Velocidad mínima de transporte [m/s]Ug op: Velocidad óptima de transporte [m/s]Ug s: Velocidad de depositación [m/s]Uterminal: Velocidad terminal en caída libre de una partícula individual [m/s]Ug ch: Velocidad de atascamiento [m/s]V: Volumen de la partícula [m3]Wg: Flujo de gas [kg/s]Ws: Flujo de sólidos [kg/s]

Simbología Griega

φ : Diámetro interior de la tubería [m]γ : Densidad aparente del material [kg/m3]η : Viscosidad Dinámica [m2/s] υ : Viscosidad Cinemática [kg/m s]µ : Relación de carga [kg sólidos/kg gas]ρg : Densidad del gas [kg/m3]ρ p : Densidad de la partícula [kg/m3]

U.T.F.S.M.8




2 Definiciones

2.1 Transporte Neumático

Según Stoess [6], un Sistema de Transporte Neumático es “El arte de transportarmateriales sólidos a granel a través de una cañería por medio de un flujo de gas a presión,ya sea positiva o negativa”. Si bien es una buena definición, deja fuera muchos aspectosque son fundamentales en la comprensión de un Sistema de Transporte Neumático.

La variedad de soluciones técnicas implementadas para adaptar los sistemas a lasdemandas de la industria hace que la definición sea cada vez más compleja.

2.2 Material Sólido a Granel

Un material sólido a granel es un conjunto de partículas de distinto tamaño y forma,

pero de la misma naturaleza. La característica principal de los sólidos a granel, es quesoportan esfuerzos de corte al estar en reposo, lo que claramente los diferencia de losfluidos. Sin embargo, éstos pueden comportarse como “fluidos” bajo ciertas condiciones, loque permite su utilización en un Sistema de Transporte Neumático.

Los sólidos a granel poseen distintas características las cuales permitendiferenciarlos unos de otros. Una es el tamaño de las partículas y la diferencia entretamaños dentro del mismo material o distribución granulométrica. Otras importantes son ladensidad de partícula, su forma y el contenido de humedad del material. Estascaracterísticas físicas, a definir posteriormente, permiten el correcto manejo,almacenamiento y transporte de los materiales.

Otro tipo de características muy importantes en el comportamiento de los materialessólidos a granel son: Resistencia Cohesiva (fluidez, fricción interna), Fricción de Pared,Compresibilidad (densidad aparente), Permeabilidad, Retención de Aire y Fluidización.

Las características físicas del material al ser transportado son las siguientes:

• El tamaño de partícula.• La forma de partícula.•

La densidad de partícula.• Contenido de humedad.

Estas características determinan el tipo de flujo que se desarrolla en la cañería, eldiámetro que ésta requiere, la velocidad mínima de transporte y la caída de presión en lalínea. Estos conceptos son utilizados comúnmente en el transporte neumático de sólidos agranel.

En general los materiales que poseen partículas uniformes, esféricas y suaves sonmás fáciles de transportar que materiales con una distribución de partículas dispersa, deformas irregulares y rugosas. Este quiere decir, una velocidad mínima de transporte menor,

U.T.F.S.M.9




una baja pérdida de carga en la línea, lo que demanda requerimientos inferiores para elsoplador y para el motor, permitiendo un mayor flujo másico de material que el mismosistema trabajando con un material de características no tan favorables.

2.2.1 Características físicas de un material sólido a granel

2.2.1.1 Tamaño de partícula

Para conocer el tamaño de partícula de un sólido a granel es necesarioutilizar un procedimiento de tamizado el cual por medio de mallas granulométricaso tamices se obtiene un histograma que se genera al conocer el porcentaje másico dematerial que es retenido en una malla. Esto a su vez entrega el tamaño de partícula.Un ejemplo de esto es la norma ASTM E-11-87, la cual especifica el procedimiento.

El tamaño de partícula y la distribución granulométrica son lascaracterísticas más importantes y definen las principales dimensiones de lossistemas que los manejan. Para el caso de los sistemas de transporte neumático sedebe cumplir que el diámetro de cañería de la línea debe ser a lo menos 5 a 8 vecesel diámetro mayor de partícula [3].

2.2.1.2

Densidad de partícula

En el procedimiento para determinar la densidad de partícula se utiliza unvaso graduado o probeta, donde se introduce un porcentaje del volumen total con

un fluido, y luego se incorpora una masa conocida de material a medir el cualdesplaza un volumen y este volumen con la masa entrega la densidad de partícula.El procedimiento se estipula en la norma NCH 1532 Of.80. Para partículas menoresa 5 [mm].

Este parámetro determina la velocidad mínima de transporte y la caída de presión en una línea de un Sistema de Transporte Neumático.

2.2.1.3 Forma de la partícula

Los materiales sólidos a granel por lo general no son regulares en su forma,es decir, no son siempre, esféricos o cúbicos. Por lo general, son irregulares en suforma con aristas o puntas sobresalientes o hendiduras pronunciadas. La mediciónde la forma de partícula se realiza según un coeficiente de esfericidad al compararlas partículas a medir con una esfera. Se define como el cuociente entre el áreasuperficial de una esfera que tenga el mismo volumen que la partícula sobre el áreasuperficial de la partícula. Este procedimiento no es el único, pero se considera elmás adecuado [3].

U.T.F.S.M.10




2.2.1.4

Contenido de humedad

La humedad que se considera es la que se encuentra libre junto con elmaterial y no la intrínseca de éste, tiene mucha importancia para determinar lacohesión y la tensión superficial. Para el transporte neumático es relevante que los

materiales se encuentren secos y/o con un bajo contenido de humedad.

2.3 Tipos de sistemas de transporte Neumático

Debido a la gran cantidad de procesos donde es posible la utilización de un Sistemade Transporte Neumático, no es de extrañar que existan diversos tipos. La principal formade diferenciarlos es por su presión de funcionamiento, aunque además se pueden clasificar por la concentración o carga, por el modo de operación o por los equipos que lo componen.

La existencia de sistemas de baja, media y alta presión y además sistemas de presión positiva o negativa, permite abarcar la mayoría de los requerimientos existentes.

2.3.1

2.3.2

2.3.3

2.3.4

Sistemas de Presión Positiva

Los sistemas de presión positiva son los más utilizados debido a su mayor capacidadde transporte (mayor flujo másico de material). Además permite la descarga en varios puntos, lo que aumenta la variedad de aplicaciones para estos sistemas.

Sistemas de Presión Negativa

Los sistemas de presión negativa o de vacío, se utilizan para el transporte de materiales peligrosos o tóxicos. A diferencia de los sistemas de presión positiva, en éstos se puedealimentar desde varios puntos, pero a distancias pequeñas y a una baja presión.

Sistemas Combinados

Estos poseen las ventajas de ambos sistemas anteriores, ya que pueden alimentarmaterial desde varios puntos y entregarlo a otros a grandes distancias y grandes flujos.

Sistemas Abiertos o Cerrados

Otra posible clasificación es un Sistema de Transporte Neumático abierto o cerrado.El primero se encuentra abierto a la atmósfera, por lo general el gas de transporte es aire, elcual una vez utilizado es liberado a la atmósfera sin partículas. En cambio en los sistemascerrados, el gas una vez utilizado es recirculado sin liberarlo al ambiente. Estos sistemas por lo general utilizan gases distintos al aire.

U.T.F.S.M.11




2.3.5

2.4.1

Concentración de Sólidos

Otra forma de clasificar los sistemas de transporte neumático es según el tipo deflujo que se desarrolla en ellos, dependiendo de la concentración del material dentro de latubería. Esto permite diferenciar dos tipos: el Flujo Denso y el Flujo Diluido.

2.4 Velocidad de transporte

La velocidad de transporte es uno de los parámetros más importantes en elfuncionamiento de un Sistema de Transporte Neumático. Esta corresponde a la velocidadde desplazamiento dentro de la tubería de la mezcla material-gas.

La velocidad del gas es igual o superior a la velocidad del material y está determinada por la capacidad volumétrica del soplador, la sección de la tubería y la perdida de carga delsistema.

Se debe diferenciar entre tramos verticales y tramos horizontales, ya que loscomportamientos del material son muy distintos para cada uno.

Para facilitar la comprensión de los fenómenos que ocurren en un sistema se definenlas siguientes velocidades:

Velocidad Mínima de Transporte

Corresponde a la mínima velocidad del gas que asegura un flujo diluido en el

interior de la tubería. En el flujo diluido no existe depositación de material en la parteinferior de ésta. Un 20% sobre la velocidad de depositación asegura flujo diluido.

gS g U U ⋅≥ 2.1min (1)

Para los tramos horizontales la velocidad mínima de transporte debe ser 3 a 5 vecesmayor que en los tramos verticales para partículas finas. Para partículas gruesas estadiferencia debe ser aún mayor. [2]

2.4.2 Velocidad de Depositación

Se llama así a la velocidad del gas que forma depositaciones de material en la parteinferior de la tubería. El material no logra suspenderse por efectos de la velocidad del gas.[2].

U.T.F.S.M.12




2.4.3 Velocidad Óptima de Transporte

Es la velocidad en la cual la caída de presión Total en el sistema, para lograr untransporte diluido tiene su menor valor. Para determinar esta velocidad se utiliza elDiagrama de Estado, en el cual la parte inferior del diagrama corresponde al punto o

velocidad óptima de transporte. Rizk propuso una expresión para este término [4]: y

gop

xg

U

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⋅⋅=

φ µ

10

1→ y y

x

gop gU

1

10 µ φ ⋅⋅⋅= (2)

Donde:

96.144.1 +⋅= pd x , con en milímetros. pd

5.21.1 +⋅= pd y , con en milímetros. pd

2.4.4 Velocidad Crítica de Transporte

Se define como la velocidad en que todas las partículas en el interior de la tubería seencuentran en movimiento. Esta definición corresponde a la de Shade y la expresión es lasiguiente [3]:

11.0

34.0025.0

µ ρ

ρ φ φ ⋅

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ ⋅

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ ⋅⋅=

g

p

p

gcrit d

gU (3)

2.4.5 Velocidad de Atascamiento

La velocidad de atascamiento corresponde a la mínima velocidad del gas para quelas partículas de material no caigan en tramos verticales de la tubería. Si la partícula cae enel tramo vertical, no puede seguir su camino a través de la línea, por lo que existeacumulación en el tramo vertical, obstruyéndose el sistema. Knowlton y Bachovchin plantearon la siguiente expresión [2]:

( ) 214.0

347.0246.0

Re07.9 p

g

p p

pgch D

d d gU ⋅⋅

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ ⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅⋅⋅= µ

ρ

ρ (4)

Donde:

:gchU Velocidad de atascamiento.

:Re p Número de Reynolds de la partícula.

U.T.F.S.M.13




Al ver la expresión anterior se aprecia que la velocidad de atascamiento aumentacon la relación de carga µ , con la densidad de partícula p ρ , con el tamaño de la partícula

, etc. pd

2.5 Caída de Presión Total

Otro parámetro importante en el funcionamiento de un Sistema de Transporte Neumático es la presión manométrica en la tubería de transporte.

La presión en el sistema disminuye a lo largo de la tubería, por lo que se habla decaída de presión del sistema por unidad de largo.

La caída de presión total permite la elaboración de la curva características delsistema, que representa la pérdida de presión que generan todos los componentes de unSistema de Transporte Neumático, como lo son tuberías rectas, codos, tees, cambio desección, etc. Todas estas caídas de presión determinan los requerimientos mínimos deenergía para el soplador principalmente y los componentes del sistema.

Las principales variables que determinan la caída de presión total de un Sistema deTransporte Neumático son los siguientes:

• Velocidad del gas de transporte.• Largo y altura total de la tubería de transporte.• Carga o flujo másico de material que transporta el sistema.• Diámetro de la tubería de transporte.•

Número y accesorios en el sistema (Filtros, codos, tees, válvulas, etc.).• Características físicas y de fluidez del material a transportar.

La suma de todas las pérdidas que generan estos componentes representa la caída de presión total del sistema. Ésta se expresa de la siguiente forma:

OtrosFiltrosCodosTuberian AceleracióGasTotal p p p p p p p ∆+∆+∆+∆+∆+∆=∆ (5)

Total p∆ : Pérdida total de presión en el sistema [Pa].

Gas p∆ : Pérdida de presión entre el soplador y la zona de alimentación. [Pa].

n Aceleració p∆ : Corresponde a la energía requerida para acelerar el material desde el reposo

a la velocidad de transporte [Pa].

Tuberia p∆ : Disipación de energía por efectos del roce del aire y del material con las

paredes de las tuberías, efecto de la viscosidad del aire, roce y choque delas partículas de material [Pa].

U.T.F.S.M.14




Codos p∆ : Disipación de energía debido al cambio de dirección de la mezcla gas-

material, lo que implica además una nueva aceleración de las partículas. Loscodos provocan esta pérdida [Pa].

Filtros p∆ : Caída de presión que genera la acción restrictiva al flujo del filtro [Pa].

Otros p∆ : Caída de presión producto de accesorios que se pueden introducir en el

sistema. Válvulas y Toberas, por ejemplo [Pa].

Para facilitar el cálculo de la caída de presión en un Sistema de Transporte Neumático en fase diluida, se utiliza la expresión de Weber la cual diferencia entre caída de presión provocada por el gas y caída de presión provocada por el material. La expresión esla siguiente [8]:

MaterialgasTuberia p p p ∆+∆=∆ (6)

2.5.1 Caída de Presión del Gas

La caída de presión que provoca el gas es principalmente por efecto del roce con las paredes de la tubería del sistema, efecto de la viscosidad del gas. Se utiliza la siguienteexpresión para determinar la caída de presión en un sistema con flujo estable ycompletamente desarrollado [5]:

2

2gasgas

gasgas

U

D

L f p

⋅⋅⋅=∆

ρ (7)

Donde:

Largo de la tubería [m].: L

Diámetro de la tubería [m].: D

:gas ρ Densidad del gas [kg/m3].

Velocidad del gas [m/s].:gasU

Factor de fricción.:gas f

U.T.F.S.M.15




El factor de fricción, para tuberías lisas, se puede calcular de las siguientesmaneras:

25.0Re

3164.0=gas f , para Re < 105 (Ecuación de Blasius) [3]. (8)

32.0Re

5.00056.0 +=gas f , Para Re < 106 (Ecuación de Koo) [3]. (9)

Para representar gráficamente la caída de presión producto del gas en un sistema, seutiliza la Curva del Sistema, que representa la pérdida de presión que se genera paradistintos flujos de gas.

2.5.2 Caída de Presión del Material

Para la caída de presión provocada por el material se utiliza la siguiente expresión

[1]:

gasS material pK p ∆⋅⋅=∆ µ (10)

Donde:

: Factor de fricción del material.S K

:µ Relación de carga del sistema.

Una vez calculada la pérdida de presión del sistema y conociendo la velocidad detransporte, es posible la confección del Diagrama de Estado.

2.6 Diagrama de Estado

U.T.F.S.M.16




El diagrama de estado es la forma más simple de mostrar el funcionamiento de unSistema de Transporte Neumático. Se conforma por un gráfico donde se puede apreciar lacaída de presión por unidad de largo de tubería en el sistema, en función de la velocidad delgas en la tubería, para un flujo másico constante de material.

Debido a la imposibilidad de conocer la caída de presión del sistema por tramos, esque se realiza un Diagrama de Estado Modificado en el que la presión corresponde a laPresión Total del sistema, que es medida en el punto de alimentación.

Al observar el diagrama de estado es posible determinar tres zonas principales: la deFlujo Diluido, Flujo Inestable y Flujo Denso Estable.

Para el caso del Flujo Diluido, la presión es proporcional a la velocidad del gas alcuadrado. En el caso del Flujo Denso, la caída de presión es inversamente proporcional a lavelocidad del gas, ya que para este caso se tiene un aumento de la fricción de pared ycolisión entre las partículas de material

Los distintos tipos de flujo que se producen en una tubería, se pueden corroborar al poseer en el arreglo, tuberías de acrílico transparentes, y se definen a continuación:

• Flujo Homogéneo: En el flujo homogéneo se observa que el material se distribuyede forma homogénea por toda la sección de la tubería. Este tipo de flujo se obtienecuando la velocidad del gas dentro de la tubería es elevado y/o la relación de cargaes baja. La alta velocidad del aire implica una pérdida elevada de presión en elsistema, además de un alto nivel de choque entre las partículas.

•

Flujo Estratificado: Este tipo de flujo se produce cuando la velocidad del gas

disminuye, causando una mayor concentración del material en la parte inferior de latubería. Para este flujo se tiene una menor perdida de presión con respecto al flujohomogéneo.

• Flujo Pulsante: Cuando la velocidad del gas es aún menor a los casos anteriores elmaterial se acumula formando dunas las que deslizan a una velocidad menor a la delresto del material. Además de una reducción de la velocidad del gas en la tubería laforma de obtener este tipo de flujo es aumentar la carga del sistema.

• Depositación: La depositación ocurre si la velocidad del gas dentro de la tubería esmenor que la velocidad crítica de transporte, por lo que en la tubería se acumula

material hasta que en algunos puntos se observan partículas detenidas y en reposoen el fondo de la tubería.

La forma en que se distribuyen los tipos de flujo en el diagrama de estado semuestran en la Figura 2.1

U.T.F.S.M.17




Figura 2.1 Diagrama de Estado Esquematizado.

El Diagrama de Estado debe ser contrastado con la curva del soplador lo que permite determinar el punto de operación del Sistema de Transporte Neumático.

U.T.F.S.M.18




2.7 Diagrama de Fase

El Diagrama de Fase muestra el flujo másico de aire en el eje de la Abscisa y elflujo másico de material en la Ordenada, dejando como variable libre a la presión del

sistema.Al ver el Diagrama de Fase de la Figura 2.2 se aprecian las condiciones del flujo

para los distintos puntos en el diagrama. Para el punto 1 en donde se tiene flujo diluidohomogéneo, la relación de carga µ es baja, ya que el flujo másico de aire es alto, pero el desólidos es bajo. Para el punto 4 se tiene una alta relación de carga, es decir alto flujomásico de sólidos y bajo flujo másico de aire, el flujo es estratificado y con dunas [7].

Figura 2.2 Diagrama de Fase y correspondientes flujos [7].

U.T.F.S.M.19




3 Descripción del Sistema de Transporte NeumáticoUtilizado

Debido a la gran cantidad de equipos que componen un Sistema de Transporte Neumático, se realiza una división en subsistemas, los cuales son: un elemento motriz, unazona de alimentación, línea de transporte y zona de separación Gas-Material. Cada una deestas zonas se detalla a continuación para el sistema existente en CITRAM (Centro deInvestigación y Desarrollo Tecnológico para el Transporte de Materiales), utilizado en el presente estudio:

3.1 Sistema de Transporte Neumático

El sistema utilizado es el que se muestra en la Figura 3.1

Figura 3.1 Esquema Isométrico de Sistema de Transporte Neumático.

U.T.F.S.M.20




3.2 Elemento Motriz

El elemento motriz se compone por un motor trifásico, un turbosoplador y unvariador de frecuencia, los cuales se encargan de entregar la energía cinética al aire que

transportará el material a través de la línea. El motor, Figura 3.2, tiene las siguientescaracterísticas:

• Potencia: 3.5 [hp].• Velocidad: 2885 [rpm].• Conexión: Trifásica.

El turbosoplador posee una caja multiplicadora de revoluciones que permiteaumentar la velocidad de giro del rodete. Las características del equipo son:

• Marca: Sunflo.

•

Modelo: B-1000.• Velocidad: 34000 [rpm]• Potencia 10 [hp]• Presión de descarga: 47000 [Pa]• Relación de velocidad: 1:12

Figura 3.2 Motor y turbosoplador.

El variador de frecuencia, Figura 3.3 permite cambiar la velocidad de giro delmotor, lo cual hace posible mediciones para distintos valores de presión y caudal de aire.Las características son:

U.T.F.S.M.21




• Marca: Eurotherm Driver.• Modelo: 650.• Potencia: 1.5 [kW]• Rango 10-90%.

Figura 3.3 Variador de Frecuencia.

3.3 Zona de Alimentación

La zona de alimentación es donde se produce la mezcla entre la corriente de aireque viene por la tubería y el material que se encuentra en el silo de alimentación.

El silo es el encargado de almacenar el material que ingresa al sistema, por lo quedebe poseer una capacidad adecuada que permita la medición en estado estable de todas lasvariables. Para ello, es necesario que el silo permita la descarga del material con flujomásico.

Otro equipo que se encuentra en esta zona es el alimentador, que es quien dosifica laentrada del material al sistema, lo que permite controlar el flujo másico que se transporta.

Para el estudio de un Sistema de Transporte Neumático, es de gran importanciaconocer el flujo másico que ingresa al sistema, ya que con esto es posible confeccionar los

Diagramas de Estado.Los equipos que componen el subsistema de alimentación son los siguientes y se

muestran en la Figura 3.4:

U.T.F.S.M.22




3.3.1

3.3.2

3.3.3

3.3.4

Silo de alimentación

El silo de alimentación es el encargado de almacenar el material que debe ingresaral sistema.

•

Diámetro: 310 [mm]• Capacidad: 31[dm3]• Material: Acrílico y acero inoxidable• Angulo de Tolva: 20º

Válvula Rotatoria

La válvula rotatoria controla el material que ingresa al sistema de transporteneumático. Ésta permite, a través de un motor, determinar el momento en que comienza aingresar el material.

Originalmente la válvula regula el flujo másico que ingresa al sistema, pero debidoa la poca regulación que ésta permite, solo se utiliza como válvula de paso, además degenerar un sello que evita que el aire ingrese al silo de alimentación.

• Motor: WG5539.• Velocidad: 64 [rpm].• Tensión: 12 [V] variable.

Placas Dosificadoras

Las Placas Dosificadoras permiten establecer el flujo másico que ingresa al sistema.

Esto se logra a través de una restricción del paso de material que impulsa la válvularotatoria.

Las placas son anillos con una perforación concéntrica de diferentes tamaños paralograr distintos flujos másicos de material. Se aprovecha un rebaje que posee la Tee deensamble para el ajuste de las placas.

Las medidas de las placas son 18, 16, 14, 12, 10 y 8 [mm] para la perforación.

Tobera de Alimentación

En la zona de alimentación se introduce una tobera, la cual aumenta la velocidad delaire en el primer tramo de la zona de aceleración. Esto permite aumentar a su vez elarrastre sobre las partículas de material, mejorando el desarrollo del flujo en la tubería,además de disminuir la presión en la zona alimentación, lo que permite un cambio en elflujo másico (Ws) de material.

Al aumentar la velocidad del aire en el inicio de la zona de alimentación, el materiales acelerado en un menor largo de tubería, por lo que la mezcla material-aire se estabiliza

U.T.F.S.M.23




más rápidamente y se requiere menor longitud para homogenizar la mezcla. Pero esteaumento de velocidad trae como consecuencia una mayor caída de la presión del sistema.Este efecto producido por la tobera se verá más adelante.

Figura 3.4 Componentes del Sistema de Alimentación.

3.4 Zona de aceleración

La zona de aceleración es un punto fundamental en el diseño óptimo de un Sistemade Transporte Neumático. Debido a la inercia de las partículas, es necesario un tiempomínimo para lograr que las partículas de material logren la velocidad de transporte, lo quese consigue con una longitud determinada del tramo de aceleración.

Lograr un flujo desarrollado y estable en el primer tramo del sistema, reduce la pérdida de carga a lo largo del resto del sistema.

Según Klinzing, el largo de aceleración recomendado está determinado por la

siguiente expresión [2]:

( ) 06.0434.0

11.2165.0

8 Re11005.6 −

−−

⋅+⋅⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ ⋅

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ ⋅⋅= µ

ρ

ρ φ

φ g

p

p

naceleració

d

L (11)

Una forma de simplificar la determinación del largo de aceleración es con laexpresión 12, la cual tiene una aplicación práctica para confirmar “en terreno” el largo deaceleración óptimo.

U.T.F.S.M.24




( ) φ ⋅−= 200100naceleració L (12)

Buscar formas de reducir este largo permite ahorro de espacio, lo que es muyimportante en la instalación de los sistemas de transporte neumático en terreno.

3.5 Tubería de transporte

La tubería de transporte es la que lleva el material desde un punto a otro, siguiendoel tendido que sea necesario.

El sistema se compone de tuberías para los tramos rectos, codos, coplas y tees paralas posibles variaciones que pueda tener el trayecto, lo que implica una caída en la presióndel sistema.

Se utilizan tuberías de acrílico transparente para permitir la visualización de losfenómenos que ocurren en el interior. Ver Figura 3.5.a y 3.5.b

Las características de la tubería son las siguientes:

• Material: Acrílico transparente.• Diámetro interior: 57.5 [mm].• Largo Total: 22 [m].

Figura 3.5.a Codo y tramo recto con sus respectivos soportes.

Figura 3.5.b Tramo recto horizontal y soportes.

U.T.F.S.M.25




3.6 Zona de separación

Una vez transportando el material éste ingresa a la zona de separación, donde seextrae los sólidos de la mezcla gas-sólido. Para lograr esto, se dispone de un Ciclón y unFiltro de Mangas, Figura 3.6.a y 3.6.b. El principio de funcionamiento es la decantación del

particulado por efectos de la pérdida de energía cinética dentro del Ciclón y posteriorretención de las partículas finas en una manga de tela.

Dimensiones del filtro:

• Diámetro: 310 [mm].• Altura: 280 [mm].

Figura 3.6.a Ciclón Tangencial. Figura 3.6.b Ciclón sin tapa.

U.T.F.S.M.26




4 Implementación

4.1 Toberas

La incorporación de accesorios que mejoren el comportamiento del Sistema deTransporte Neumático para distintos puntos de operación, son una necesidad para mejorarla eficiencia de este tipo de sistemas o para aumentar su rango de utilización.

El punto de alimentación es uno de los subsistemas más importantes de un Sistemade Transporte Neumático. Es aquí donde la incorporación de un dispositivo que mejore eldesempeño del sistema es relevante.

La utilización de una tobera que aprovecha el efecto de Venturi para mejorar laalimentación de material a la línea de transporte, es una incorporación simple que no

requiere de equipos anexos ni auxiliares. Con este dispositivo, el aire es acelerado en lazona de alimentación, lográndose un mayor arrastre sobre las partículas.

Una tobera es un dispositivo que producto de un cambio de área, provoca unaaceleración del fluido que pasa por ella. Este aumento de velocidad produce unadisminución de la presión total, lo que es aprovechado, además, para mejorar la descargadel material desde el silo de alimentación.

Las toberas convergentes son un conducto el cual sufre una disminución de susección hasta un área mínima denominada garganta, que es donde la velocidad del aire esmáxima. Las condiciones del flujo en una tobera son las siguientes:

• Flujo incompresible, la densidad del aire dentro de la tobera es constante paravelocidades bajo el número de Mach.

•

La capa límite es despreciable en relación a la sección de la tobera, lo que hace losefectos de viscosidad irrelevantes.

• El perfil de velocidad dentro de la tobera es uniforme y paralelo a la dirección delflujo.

• Se aplica las ecuaciones de Bernoulli y Continuidad entre secciones de la tobera.

La ecuación de Continuidad y la de Bernoulli permiten calcular la velocidad y la presión en un punto del sistema, al conocer la velocidad y la presión en otro punto. Un

esquema de una tobera se muestra en la Figura 4.1.

U.T.F.S.M.27




Figura 4.1 Esquema tobera Convergente-Divergente.

Para el Sistema de Transporte Neumático utilizado, se conoce la presión y la

velocidad en el punto anterior a la zona de alimentación, por lo que se utiliza este puntocomo referencia para la estimación de velocidad y presión en la garganta de la tobera.

La zona de máxima velocidad es relevante en el comportamiento del sistema,debido a que está ubicado en la zona de alimentación de los sólidos, por lo que conocer ocalcular la presión y velocidad que se tiene en ese punto es fundamental para elentendimiento del fenómeno.

Las ecuaciones de Continuidad y de Bernoulli son las siguientes:

222111 gg U AU A ρ ρ ⋅⋅=⋅⋅ (13)

22

22

21

1

12

1

22 gz

pU gz

pU ++=++

ρ ρ (14)

Para facilitar el cálculo, se utiliza la siguiente expresión que corresponde a laecuación (13) simplificada. Esta, muestra una relación de área entre la sección de la tuberíay la zona de máxima velocidad de la tobera.

2122

21 U U =⋅

φ

φ (15)

Como la tobera se introduce en la línea de flujo alterando las condiciones del aire al poseer una restricción de área, está provoca una caída de la presión total en el sistema. Estacaída de presión debe ser sopesada con el aumento en el flujo másico o, la aceleración delos sólidos en el primer tramo. La reducción de presión es proporcional a la reducción deárea de la tobera y a la geometría de ésta, esto quiere decir: largo, rugosidad superficial,forma, etc.

U.T.F.S.M.28




Se construyeron toberas de diversas geometrías con las cuales se realizaron las pruebas y se determinaron los efectos de éstas sobre el sistema.

4.1.1 Tobera con Garganta

La tobera con garganta es la utilización de una tobera convergente- divergente, lacual posee una sección de área mínima denominada garganta. En este punto, la velocidaddel aire es máxima, lo que reduce la presión y facilita el ingreso de material a la zona deaceleración.

El diseño de la tobera sitúa el punto de alimentación en la garganta de la misma.Con ello se logra que coincida el punto de menor presión con la sección de descarga de lossólidos.

Para construir las toberas se utiliza Polipropileno, el cual es mecanizado según los

planos entregados en el anexo VI.Se fabricaron dos toberas de este tipo, de las cuales sólo se varía su diámetro en la

garganta. Un plano esquemático de la tobera se muestra en la Figura 4.2.

Figura 4.2 Esquema de Tobera Convergente-Divergente utilizada.

La posición de la tobera en la zona de alimentación es la que muestra la Figura 4.3la cual se introduce dentro de la Tee con un ajuste adecuado para evitar filtraciones.

Es importante que la zona divergente de la tobera tenga un ángulo no mayor a 11º para evitar la separación del flujo y evitar la formación de vórtices.

U.T.F.S.M.29




Figura 4.3 Representación de la instalación de la tobera.

Para lograr distintas velocidades y presiones en la zona de alimentación, se varía eldiámetro de la garganta de la tobera. Los diámetros utilizados y los resultados obtenidos

para la velocidad y la presión en el punto de alimentación, son los que se muestran en laTabla 1.

Tabla 1 Cálculo Teórico de Toberas Utilizadas.

DiámetroGarganta [mm]

Velocidad enla tubería [m/s]

Velocidad en laGarganta* [m/s]

PresiónTotal [Pa]

Presión en laGarganta** [Pa]

25 17 72 4894 156430 17 53 2716 1200

* La velocidad en la garganta es la calculada utilizando la ecuación de continuidad .** La presión es la calculada utilizando la ecuación de Bernoulli.

Los valores obtenidos en el cuadro anterior son calculados en base a las ecuacionesde Continuidad y Bernoulli de la sección 4.1. En él se puede ver el aumento de la velocidadque sufre el aire al ingresar a la garganta y la disminución de presión, consecuencia delaumento de velocidad. Los valores de velocidad en la tubería y presión total corresponden avalores medidos en el laboratorio.

4.1.2 Tobera sin Difusor

Otra opción de diseño utiliza una tobera que no cuenta con Difusor, sino tan sólouna reducción del área de salida del aire que ingresa a ella. Esta reducción provoca unaaceleración del aire en la zona de alimentación la que se puede explicar con la ecuación decontinuidad.

Un esquema de la tobera se muestra en la Figura 4.4, donde se puede ver que latobera consta de un cilindro, el cual posee una tapa en 45º la que restringe el paso del airedisminuyendo el área de salida del aire a la mitad del área de entrada.

U.T.F.S.M.30




La simplicidad de su diseño facilita su construcción, lográndose sin embargo, una buena aceleración de las partículas de material. La relación de área que posee esta tobera esde 2:1 lo que implica un aumento en la velocidad del aire de transporte en un factor 2.

Figura 4.4 Esquema Tobera sin Difusor.

La aplicación de la ecuación de Bernoulli no es posible, debido a que en ella el flujono se desarrolla de forma adecuada. Su forma irregular y con cambios de sección bruscogenera vórtices en el interior de la tobera y recirculación de material en la zona dealimentación, lo que es visible al observar su funcionamiento, un esquema de estefenómeno se observa en la Figura 4.5. Estos vórtices y recirculación de material implicauna pérdida de energía lo que aumenta la caída de presión y hace ineficiente sufuncionamiento. La recirculación de material a la salida de la tobera se puede explicardebido a la ausencia de una zona divergente o difusor que permita a las líneas de flujoordenarse de forma adecuada. El cambio brusco de sección genera una componente verticalascendente a la salida del la tobera lo que se transforma en choque del material con latubería.

Figura 4.5 Comportamiento de un fluido en un cambio de sección brusco.

U.T.F.S.M.31




La tobera sin Difusor se muestra en la Figura 4.6

Figura 4.6 Tobera sin Difusor.

4.1.3 Placa deflectora

Un último diseño es la utilización de una placa deflectora la que se muestra en laFigura 4.7, la cual redirecciona el flujo de aire dentro de la zona de aceleración delmaterial. El principio de funcionamiento es similar a la tobera sin Difusor, sin embargo, lafabricación de esta corresponde a una Tee de alimentación de PVC a la cual se le introduceuna placa de latón en un ángulo de 45º como se muestra en la Figura 4.8. Esta placadisminuye el área de salida del aire que pasa a través de la Tee a la mitad de la de entrada.El aumento de la velocidad corresponde al doble de la velocidad antes de la placa, según laecuación de continuidad.

Figura 4.7 Vista isométrica Placa Deflectora.

U.T.F.S.M.32




La pérdida de presión generada por la placa deflectora es la menor de todas como seve en la Figura 4.9. Esto se debe a que la restricción del área para el paso del aire es lamenor de todas las toberas utilizadas, lo que además implica una menor velocidad en lazona de alimentación.

En cuanto al desarrollo del flujo en la zona de aceleración se tiene un caso similar alde la tobera sin Difusor. Esto es, una distribución de partículas en el tramo de aceleraciónno homogéneo, la aparición de una componente vertical de la velocidad del aire en la zona posterior al punto de alimentación, debida a la falta de un difusor.

Esta tobera se implementa debido a la simplicidad de su fabricación y reducidocosto.

Figura 4.8 Esquema Placa Deflectora.

4.2 Caída de Presión de las Toberas

Para la medición de la caída de presión que provocan las toberas en el Sistema deTransporte Neumático, se realizan mediciones de la presión total en el punto dealimentación.

Para aislar la influencia de todo el sistema en la caída de presión y sólo medir la quegenera la tobera, se desconecta el sistema en el primer codo, lo que deja sólo el tramo deaceleración y luego libera el aire al ambiente. Esto no causa problemas de derrame dematerial, ya que la medición se realiza exclusivamente con aire.

En la Figura 4.9 se muestra las caídas de presión de las distintas toberas y se puedeobservar que al disminuir el diámetro de la garganta de la tobera, la caída de presión esmayor, ya que el sistema debe aumentar la presión para estabilizarse. Además se observaque para el caso de la placa deflectora, ésta casi no causa pérdida de presión ya que la curvadel sistema con Placa Deflectora se encuentra en su gran mayoría sobre la curva del sistemasin tobera.

U.T.F.S.M.33




0

500

1000

1500

20002500

3000

3500

4000

4500

5000

0 5 10 15 20 25 30Ug [m/s]

∆ p T o t a

l [ P a ]

Sin Tobera [Pa] Tobera 25 [Pa] Tobera 30 [Pa]

Placa Deflectora Tobera Sin Garganta

Figura 4.9 Diferencia en la caída de presión de las toberas.

Debido al método de medición utilizado, se debe eliminar la influencia en la pérdidade presión del tramo de tubería recta. Se deben diferenciar los aportes en caída de presión por la tobera y por la tubería. Para esto se utiliza la siguiente expresión:

TuberiaToberaTotal PPP ∆+∆=∆ (16)

Despejando el término de la tobera y reemplazando se tiene:

22

22gg

Total

gg U L f P

U k

⋅⋅⋅−∆=

⋅⋅

ρ

φ

ρ (17)

La determinación de la constante permite una comparación objetiva entre lastoberas y permite un cálculo de la caída de presión generada para cualquier velocidad delaire.

k

El número de Reynolds para el fluido en la tubería es menor a 10 5 por lo que se

utiliza la ecuación de Blasius para el cálculo del factor de fricción . [5] f

Según Blasius el factor esta determinado por: f

25.0

25.025.003854.03164.0

Re3164.0 −⋅=

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅⋅== g

g

U U

f

υ

ρ φ (18)

U.T.F.S.M.34




Por lo tanto

(19)275.1 661.1]1776.2)([ −⋅⋅⋅−∆= gggTotal U U U Pk

De esta forma se obtiene el valor de k en función de la velocidad del aire en el

rango de velocidades usado.gU

Los resultados obtenidos con esta expresión para el valor de k se muestran en la

Figura 4.10 para las cuatro toberas ensayadas.

0,0

2,0

4,0

6,0

8,010,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0

Ug [m/s]

k

k Tobera 25 [mm] k Tobera 30 [mm]

k Placa Deflectora k Tobera sin Garganta

Figura 4.10 Constante k de toberas.

La Tabla 2 muestra los valores de para todas las toberas utilizadas:k

Tabla 2: Constantes k obtenidas

Tobera ensayadas Constante k Tobera 25 [mm] 17.1Tobera 30 [mm] 5.2Tobera sin Difusor 7.2Placa Deflectora 0.2

Con los valores de , es posible el cálculo de la pérdida de carga generadaexclusivamente por la tobera. Los resultados se muestran en la Figura 4.11. Se observaclaramente la mayor pérdida de presión que provoca la tobera de menor diámetro y ademásque la tobera de 30 [mm] posee una caída de presión menor que la tobera sin Difusor. La placa deflectora genera una caída de presión despreciable con respecto al resto de lastoberas.

k

U.T.F.S.M.35




0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

0 5 10 15 20 25 30

Ug [m/s]

P r e s i ó n [ P a ]

Pérdida Tobera 30 [Pa] Pérdida Tobera 25 [Pa] Placa Deflectora Tobera sin Garganta

Figura 4.11 Caída de presión de las Toberas.

4.3 Placa Dosificadora

La forma de alimentar el flujo de sólidos, es a través de la válvula rotatoria, la quegenera pulsos en el sistema provocados por el vaciado de los espacios entre paleta y paletade la válvula. La eliminación de estos pulsos es muy importante, ya que permite una mejordosificación del material, el cual al ser continua, consigue un mayor número deaplicaciones para los sistemas de transporte neumático.

La utilización de placas que restringen el paso de material desde la válvula rotatoriaa la zona de aceleración, permiten la reducción de estos pulsos al crear un pequeño “silo”de ecualización que reduce las variaciones en la entrega de sólidos en el sistema, la Figura4.12 muestra los detalles. Estas placas son anillos con una perforación concéntrica, la quecambia de diámetro para disponer de distintos flujos másicos de sólidos.

Una segunda función de estas placas consiste en dosificar el flujo másico de sólidosal sistema variando el diámetro de la perforación o área de descarga. Se construyeron placas de 8, 10, 12, 14, 16 y 18 [mm], las cuales entregaron valores de flujos másicos desólidos representativos. Las placas se muestran en la Figura 4.13.

U.T.F.S.M.36




Figura 4.12 Vista Silo de Ecualización.

Figura 4.13 Placas Dosificadoras utilizadas para variar el flujo de sólidos.

Para materiales de tamaños de partículas muy grandes o altamente cohesivas, lautilización de placas de pequeño diámetro, es decir 8, 10 y 12 [mm] provocan la formación

de arcos cohesivos y/o arcos por interlocking, los cuales impiden el flujo de sólidos alsistema. Esto hace que la utilización de placas dosificadoras esté sujeta a las condicionesdel material o a las prestaciones del sistema de alimentación, como se verá más adelante. Elmaterial fino corresponde a un material cohesivo. La acumulación de éste tipo de materialen el sistema es provocado por el método de medición, se debe recordar que se está ante unsistema experimental en donde la recirculación del material y consecuente atrición generaun aumento en la cantidad de finos a lo largo de las mediciones.

U.T.F.S.M.37




5 Experimentación

La obtención del Diagrama de Estado o Diagrama de Fase es uno de los principalesobjetivos que se plantea. Para conocer el diagrama de estado se requiere medir la velocidad

del aire la cual se obtiene con la caída de presión en la placa orificio y la presión total quese tiene en el sistema. Estos parámetros deben ser medidos para los distintos flujos másicos, por lo que la medición de esta variable es muy importante.

Para la elaboración del diagrama de fase es necesaria la medición del flujo másicode aire y el flujo másico de material. Las metodologías utilizadas para medir estas variablesse explican a continuación.

5.1 Metodología

El Sistema de Transporte Neumático disponible en CITRAM permite la mediciónde las principales variables que existen en un Sistema de Transporte Neumático.

La presión absoluta en la línea, el caudal de aire que ingresa al sistema, el flujo desólidos, la velocidad del aire y las condiciones del flujo (Diluido, Estratificado, Denso, etc.)son las variables más importante que se pueden determinar.

5.1.1 Medición de la velocidad del aire

Para la medición de la velocidad del aire se utiliza una Placa Orificio, como seobserva en la Figura 5.1, la cual utiliza una caída de presión para calcular la velocidad de

un gas en una tubería. A través de la ecuación de Bernoulli es posible el cálculo de lavelocidad, al medir la caída de presión generada en la placa. Para la medición de la caída de presión se utiliza un manómetro de columna de agua.

Figura 5.1 Placa Orificio para medición de la velocidad del aire.

U.T.F.S.M.38




La ecuación utilizada para el cálculo de la velocidad es la siguiente:

g

Placa

Acrilico

PVC g

PK U

ρ φ

φ ∆⋅⋅⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ =

22

(20)

La placa orificio debe ser calibrada para conocer su constante característica ( ).

Para ello se utilizó un método de medición directa de la velocidad. El tubo Pitot permite lamedición de velocidad de gases en tubería utilizando un micromanómetro, el cual semuestra en la Figura 5.2. Al contrastar las mediciones obtenidas con el tubo Pitot y elmanómetro de columna de agua, es posible conocer la constante K

PlacaK

Placa de la placa. Unaregresión lineal entregó el valor de 0.4529. Los valores de la calibración se muestran en elAnexo II.

Figura 5.2 Micromanómetro y Tubo Pitot.

El flujo másico de aire es calculado al medir la velocidad del aire, el área de latubería y la densidad del aire relacionándolos con la siguiente expresión:

ggg AU W ρ ⋅⋅= ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

s

kg (21)

La densidad del aire se considera constante al utilizar la siguiente expresión:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅+⋅++⋅=

30

][760101325101325

º27320273

m

kg

mmHg

PP

T gnormalg ρ ρ (22)

Debido a que la temperatura del aire en el sistema no cambia en gran medida (30 ºCaproximadamente), la presión de trabajo es baja y la altura del sistema es casi a nivel del

U.T.F.S.M.39




mar. Con esto se asume una densidad constante del aire a lo largo de todo el sistema igual a

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

3204.1

m

Kgg ρ

5.1.2 Medición de la Presión Total

La presión total en el sistema, antes del punto de alimentación es medida a través deun manómetro de columna de agua, de rango suficiente para la presión existente en elsistema, el cual se muestra en la Figura 5.3. Este manómetro entrega el valor de la presiónen milímetros de columna de agua, por lo que es necesario transformarla a la unidadinternacional de presión llamada Pascal [Pa].

Figura 5.3 Manómetros de Columna de Agua.

5.1.3 Medición del Flujo Másico

Una forma directa de medir el flujo másico que ingresa al sistema es imposible conla instrumentación disponible en el laboratorio, por lo que necesario un método alternativo.

La medición del tiempo que se emplea en descargar una masa conocida del silo dealimentación, es un método lo suficientemente bueno para determinar el flujo másico desólido que ingresa al sistema.

U.T.F.S.M.40




El procedimiento utilizado para lograr una medición de flujo másico de materialconfiable es el siguiente:

1.

Llenado del cono del silo de alimentación hasta el comienzo de la zonacilíndrica de éste. Se debe abarcar una pequeña sección cilíndrica del silo.

2.

Se introduce al silo una masa conocida de material que será la masa a medir.La sección del silo donde se realizará la medición, debe ser totalmentecilíndrica, como lo muestra la Figura 5.4.

3. Es necesario la incorporación de una masa de material en la parte superiorque permita un tiempo de estabilización del sistema para comenzar lamedición.

4. Es posible la incorporación de una segunda masa conocida para larealización de otra medición consecutiva. Es necesario la incorporación deuna nueva masa en la parte superior para asegurar la estabilidad del sistemaal comenzar la medición.

Figura 5.4 Medición de Flujo Másico de material.

La serie de mediciones de la presión total, velocidad del aire y flujo másico dematerial, se realiza variando la velocidad de giro del motor del soplador con el variador de

frecuencia, en un rango establecido. Se utiliza para la medición una placa dosificadora, lacual es cambiada por una de distinto diámetro cuando se ha abarcado todo el rango develocidades.

U.T.F.S.M.41




5.2 Procedimiento de Medición

La obtención de los parámetros para la elaboración de los Diagramas de Estado y deFase, requiere de un procedimiento para la obtención de resultados objetivos.

Previo a las mediciones, se realiza un análisis del material utilizado, para lo cual selleva a cabo el procedimiento descrito a continuación:

1. Del material disponible para las mediciones, se extrae una muestra testigo, lacual es almacenada para su posterior análisis y comparación con el materialutilizado para las pruebas, después de transcurridas todas las mediciones. Esto permite verificar el efecto sobre el material del proceso de transporte.

2. Extracción de muestra para el análisis granulométrico del material. Se extraeuna muestra representativa, utilizando el procedimiento de cuarteo respectivo.Los resultados se entregan en el punto 5.4.1.

3. Extracción de muestra para la medición de la humedad y la densidad del

material. Los resultados se entregan en el punto 5.4.2.

Con el resto de material se realiza las mediciones, para lo cual se implementa elsiguiente procedimiento:

1. Ingreso del material al Sistema de Transporte Neumático en el silo dealimentación según el procedimiento de la sección 5.1.3.

2. Verificación de que todos los sellos y juntas se encuentren aseguradas paraevitar derrames.

3.

Puesta en marcha del motor del soplador, el cual se lleva al máximo valor develocidad. Para este caso corresponde a 46% de la velocidad del motor.

4.

Puesta en marcha del motor de la válvula rotatoria, lo que da comienzo a lamedición.5. Medición simultánea flujo másico de material, presión total, caída de presión en

la placa orificio y características del flujo en la tubería.6. Detención de la válvula rotatoria y del motor del soplador para la preparación

del sistema para una nueva medición con un valor de velocidad menor. Ladisminución de la velocidad del giro del motor es de 2% para cada medición,comenzando en 46 % y terminando en 20%.

Este procedimiento se repite para cada placa dosificadora disponible, siempre que elsistema lo permita.

Al medir los parámetros de todas las placas dosificadoras, se realiza el cambio detobera para comenzar nuevamente el procedimiento. Los resultados obtenidos se muestranen el Capítulo 6.

U.T.F.S.M.42




5.3 Curva del Sistema para Aire Sólo

Conocer las características del Sistema de Transporte Neumático es fundamental.Una de las características más importantes es la restricción que genera al paso de aire através del sistema. La herramienta utilizada comúnmente para establecer la caída de presión

es la obtención de la curva del sistema para aire sólo.

La obtención de los valores de presión total en el sistema para distintos flujos deaire permite la elaboración de la curva. Esta curva representa la pérdida de presión quegeneran todos los componentes del Sistema de Transporte Neumático, como son tuberías,codos, válvulas, toberas, filtros, etc.

La medición de la presión total se realiza con el manómetro de columna de aguamostrado en la Figura 5.3, que muestra la presión en la zona anterior al punto dealimentación. Se varía la velocidad del motor a través del variador de frecuencia paracambiar la velocidad del aire dentro de la tubería.

Se realizan saltos en la velocidad del variador de 2%, desde 20% como mínimo,hasta 46% como máximo.

Se grafica la presión total en el sistema en función de la velocidad del aire. Estaoperación se repite para todas las toberas existentes y se muestra en la Figura 5.5

Al comparar las curvas obtenidas se ve claramente la presencia de una tobera en lazona de alimentación. Al disminuir el diámetro de la garganta de la tobera se tiene unaumento en la caída de la presión total del sistema. Se aprecia, para la tobera sin Difusor,que la caída de presión se encuentra entre ambas toberas con garganta y la placa deflectora

casi no genera una caída de presión.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0

Ug [m/s]

∆ p T o t a l [ P a ]

Tobera Sin Garganta Tobera 25 Tobera 30 Placa Deflectora Sin Tobera

Figura 5.5 Curvas Sistema para aire solo con distintas toberas.

U.T.F.S.M.43




5.4 Características del Material Utilizado

El material utilizado en los ensayos es Gritz de maíz debido a sus adecuadas propiedades de fluidez, además de no ser tóxico ni agresivo al medio ambiente.

Para comenzar las mediciones es necesario conocer las características físicas y las propiedades de fluidez del material utilizado en los ensayos.

5.4.1 Granulometría

Para la medición de la granulometría se utiliza una serie de mallas granulométricaso tamices y una balanza electrónica, los que se muestran en las Figuras 5.6 y 5.7

Figura 5.7 Balanza Electrónica.

Figura 5.6 Tamices.

Los resultados de la medición de granulometría de las muestras de material utilizadose observan en la Figura 5.8. Los valores medidos se muestran en el Anexo I.

U.T.F.S.M.44




1,3 2,7

12,1

42,7 41,2

0,01,3 4,0

16,1

58,8

100,0 100,0

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,060,0

70,0

80,0

90,0

100,0

Inferior nº 100 nº 50 nº 30 nº 18 nº 10

Malla

% R

e t e n c i

ó n

Porcentaje Retención Porcentaje Acumulado

Figura 5.8 Distribución Granulométrica del Gritz de Maíz utilizado.

5.4.2 Humedad

El porcentaje de humedad que posee un material es muy importante, pues se deberecordar que los sistemas de transporte neumático operan de preferencia con materialessecos, por lo que una medición de la humedad es crucial para el correcto funcionamientodel sistema.

La medición de la humedad se realiza con una muestra de material representativa enuna balanza de alta resolución y con un horno eléctrico.

Se introduce en el horno eléctrico una muestra de masa conocida por un período de120 minutos a 105 [ºC]. Luego se mide nuevamente la masa y la diferencia en la medicióncorresponde a la masa de agua evaporada. Se expresa el resultado en porcentaje como se veen la Tabla 3.

Tabla 3: Análisis Humedad

Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3Masa inicial [gr] 9,45467 8,94876 8,89513Masa Final [gr] 8,28136 7,83614 7,78655Humedad [gr] 1,17331 1,11262 1,10858% Humedad 12,4 12,4 12,5

Con estos resultados se tiene un 12.4 % de humedad en el material a utilizar.

El procedimiento fue realizado en el Laboratorio de Termodinámica delDepartamento de Mecánica.

U.T.F.S.M.45




5.4.3

5.4.4

5.4.5

Densidad Aparente

La densidad aparente del material utilizado corresponde al volumen que ocupa unamasa de material. Para la medición se utiliza una balanza electrónica, Figura 5.7 y una probeta graduada. La densidad aparente del material es de 749 [kg/m3].

Densidad Real o de Partícula

La densidad de partícula corresponde a la masa de una partícula de material dividida por el volumen de esa partícula.

Según el procedimiento establecido el resultado de la medición de la densidad reales de 1407 [kg/m3].

Propiedades de Fluidez

Se realiza un análisis descriptivo de las propiedades de fluidez del Gritz de maíz, elcual posee un muy buen escurrimiento, una baja resistencia cohesiva cuando el tamaño de partícula no disminuye demasiado, además de no ser tóxico ni nocivo.

Las propiedades de fluidez no se ven afectadas en mayor medida por el contenidohumedad. Sin embargo, la recirculación del material en el sistema, implica un aumento enla proporción de finos debido a la atrición sufrida, por lo que la formación de arcoscohesivos se hace cada vez más frecuente y las propiedades de fluidez se ven afectadas.

U.T.F.S.M.46




6 Resultados

Luego de realizados los ensayos y mediciones según los procedimientosestablecidos en la sección 5.2, a continuación se entregan los resultados obtenidos para el

proceso de transporte neumático de Gritz de maíz, para cada tobera el Diagrama de Faserespectivo y para el sistema sin tobera el Diagrama de Estado. Los resultados de lasmediciones se entregan en el Anexo V.

6.1 Ensayos sin Tobera

El Diagrama de Estado obtenido para esta medición se muestra en la Figura 6.1.Como se puede apreciar, el sistema opera en fase diluida. La obtención de una fase

densa es imposible de lograr con el sistema disponible. La reducida presión de salida no permite el transporte de material en fase densa.

Las condiciones de flujo para velocidades bajo los 12 [m/s] son de acumulación dematerial en el sistema, formación de dunas y pulsos. Una particularidad es la formación dedunas en el tramo de aceleración, por el bajo arrastre sobre las partículas en éste tramo.

Se logra un flujo uniforme en la descarga para todas las placas dosificadoras sobre14 [mm]. Para la placa de 12 [mm] de diámetro se producen arcos cohesivos en el rango bajo de velocidad, los cuales impiden el ingreso de material, atascando el sistema. Estoexplica que para un flujo másico de 0.015 [Kg/s] la curva se encuentra incompleta.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0Ug [m/s]

∆ p T o t a l [ P a ]

Ws = 0,059 [Kg/s] Ws = 0,043 [kg/s] Ws = 0,029 [Kg/s] Ws = 0,015 [Kg/s] Aire Sólo

Figura 6.1 Diagrama de Estado para Sistema sin Tobera.

U.T.F.S.M.47




6.2 Ensayos con Tobera 25 [mm]

Para la representación de los resultados obtenidos al utilizar las toberas dealimentación, se utiliza el Diagrama de Fase, el que se muestra en la Figura 6.2.

Las condiciones del flujo en el sistema son las siguientes: Para las placasdosificadoras de 8 y 10 [mm], se tiene flujo diluido homogéneo en la mayoría del rango develocidades. Para las placas dosificadoras de 12 y 14 [mm] se tiene flujo estratificado en lazona de alta velocidad de aire (hasta 10 [m/s]). En la zona de baja velocidad se tieneformación de dunas. Para las placas restantes se tiene formación de dunas y pulsos en lalínea para todo el rango de velocidades.

La caída de presión que genera la tobera de alimentación provoca que, para lamayoría de los flujos másicos, no se obtenga flujo diluido. Para conocer las condiciones delflujo de sólidos más detalladamente, ver anexo VII.

La aceleración del material en el primer tramo es fuertemente influenciado por latobera, donde para un gran rango de velocidades se tiene que el material se distribuye deforma homogénea en la tubería.

0,000

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0,060

0,070

0,080

0,090

0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060

Flujo Másico Aire [Kg/s]

F l u j o M á s i c o S ó l i d o [ K g / s ]

Placa 8 [mm] Placa 10 [mm] Placa 12 [mm] Placa 14 [mm] Placa 16 [mm] Placa 18 [mm]

Figura 6.2 Diagrama de Fase para Sistema con Tobera de 25 [mm].

U.T.F.S.M.48




6.3 Ensayos con Tobera 30 [mm]

Para la tobera de 30 [mm] se obtiene el Diagrama de Fase expuesto en la Figura 6.3,el cual tiene las siguientes condiciones de flujo para el material. Para la placa dosificadorade 10 [mm] se tiene un flujo diluido homogéneo para el rango de velocidades del aire más

elevada (20 – 16 [m/s]). En el rango medio de velocidades (16 – 12 [m/s]), el flujo dematerial es homogéneo, pero estratificado. Para el rango bajo de velocidades (12 – 8 [m/s])se tiene formación de dunas y pulsos en el sistema.

Para el caso de la placa dosificadora de 14 [mm], se tiene una disminución en elrango de velocidades, en donde con 18 [m/s] y hasta 16 [m/s] se tiene flujo diluidohomogéneo.

Flujo Diluido Estratificado se tiene en un rango de velocidades entre 16 y 12 [m/s].Para velocidades inferiores, se tiene formación de dunas y acumulación, por lo que elsistema ya no está en un punto de funcionamiento eficiente.

La aceleración de partícula que se logra con esta tobera es similar a la de 25 [mm],la tubería en el trayecto de aceleración se mantiene con una distribución homogénea de partículas para casi todo el rango de velocidades del aire utilizados.

La menor pérdida de presión que provoca esta tobera y la similar aceleración lahacen tener un mejor desempeño que la tobera de 25 [mm].

0,000

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0,060

0,070

0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 0,070

Flujo Másico de Aire [Kg/s]

F l u j o M á s i c o d e S ó l i d o [ K g / s ]

Placa 10 [mm] Placa 12 [mm] Placa 14 [mm] Placa 16 [mm] Placa 18 [mm]

Figura 6.3 Diagrama de Fase para Sistema con Tobera de 30 [mm].

U.T.F.S.M.49




6.4 Ensayos Tobera sin Difusor

Esta tobera genera una pérdida de carga que esta entre la tobera de 25 [mm] y la de30 [mm], como se ve en la Figura 5.5. Esto quiere decir que la pérdida de carga es elevada para el sistema. Esta pérdida de carga implica la aparición de los fenómenos de dunas y

pulsos un mayor rango de velocidades del aire.

La aceleración del material en el primer tramo se ve perjudicado por la falta de unasección divergente, esto provoca recirculación del aire y la creación de vórtices, como seexplica en la sección 4.1.2.

Las condiciones del flujo son las siguientes: para la placa dosificadora de 10 y 12[mm] se tiene flujo diluido homogéneo en el rango alto de velocidad del aire (16 - 19[m/s]). La condición de flujo estratificado y pulsos se tiene para el rango medio develocidades (12 - 16 [m/s]). Para el rango bajo de velocidades (8 - 12 [m/s]) se tieneformación de dunas y pulsos. Con las placas dosificadoras de 14, 16 y 18 [mm] no se tiene

una condición de flujo diluido homogéneo para el rango de alta velocidad, para velocidadesmenores se observa formación de dunas y para el rango bajo de velocidad la acumulaciónen la tubería no permite el transporte de material.

La Tobera sin Difusor mantiene el flujo másico de sólidos en función de lavelocidad del aire lo que entrega el Diagrama de Fase de la Figura 6.4.

0,000

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0,060

0,070

0,080

0,090

0,100

0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 0,070


F l u j o M á s i c o S ó l i d o s

[ K g / s ]


Figura 6.4 Diagrama de Fase para sistema con Tobera sin Difusor .

U.T.F.S.M.50




6.5 Ensayos con Placa Deflectora

Al utilizar la placa deflectora se obtiene el Diagrama de Fase de la Figura 6.5debido a que ésta altera el flujo másico de material al variar la velocidad del aire.

Las condiciones del flujo de sólidos al interior de la tubería es el siguiente: En latotalidad de las Placas Dosificadoras se obtiene flujo diluido homogéneo. Esto se debe a lareducida pérdida de carga que genera la Placa Deflectora. Para la placa de 18 [mm] se tieneflujo homogéneo sobre los 19 [m/s], en cambio para el resto de las placas el flujohomogéneo se mantiene hasta los 16.5 [m/s] aproximadamente. Sólo para la PlacaDosificadora de 10 [mm] no se tiene acumulación en la tubería, esto debido a la bajarelación de carga del sistema.

Para la aceleración se tienen las mismas condiciones que la tobera sin Difusor.

0,000

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0,060

0,070

0,080

0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 0,070 0,080


F l u j o M á s i c o S ó l i d o s [ K g / s ]


Figura 6.5 Diagrama de Fase para sistema con Placa Deflectora.

U.T.F.S.M.51




6.6 Análisis de los Resultados

6.6.1 Sistema sin Tobera

La confección del Diagrama de Estado es posible al mantener el flujo de sólidos enel punto de alimentación constante. Con el sistema sin tobera las condiciones de flujo dematerial se mantienen constantes al variar la velocidad del aire.

Existe una reducida pérdida de carga en comparación a los sistemas con tobera, porlo que las condiciones de flujo son favorables en gran parte del rango de velocidades. Estosignifica que no existe formación de dunas ni se producen pulsos. Sin embargo, en la zonade aceleración, el flujo no se desarrolla completamente y para el rango medio develocidades del aire (15 [m/s]), la acumulación de material en esta zona estanca el sistema yse pierde operabilidad.

Las características del material, alto porcentaje de finos y humedad relativamentealta, son favorables a la formación de arcos cohesivos en el área de descarga de la placadosificadora. Es por esto que el correcto funcionamiento del sistema se ve restringido por elárea de la placa dosificadora, ya que para diámetros menores a 12 [mm] el material no fluyede forma libre.

Las condiciones del flujo y las velocidades óptima y mínima se muestran en elFigura 6.6.

Figura 6.6 Análisis Diagrama de Estado para Sistema sin Tobera.

U.T.F.S.M.52




6.6.2 Sistema con Tobera de 25 y 30 [mm]

Para la representación de las variables medidas en el Sistema de Transporte Neumático con la utilización de tobera de alimentación, se tiene que el Diagrama de Estadousado comúnmente, no satisface los requerimientos mínimos para su confección. Esto es, el

flujo de sólidos no es constante en la entrada del sistema para el rango de velocidadesabarcado. Para solucionar este problema se utiliza el Diagrama de Fase.

Como se puede ver en el Diagrama de Fase de la Figura 6.7, el flujo másico dematerial en el sistema es dependiente de la velocidad del aire que ingresa al sistema. Alaumentar el flujo másico de aire, aumenta el flujo másico de material. Como la densidaddel aire y la sección de la tubería de transporte se mantienen constantes, la velocidad delaire en la tubería es linealmente proporcional al flujo másico de aire.

Figura 6.7 Análisis del Diagrama de Fase Tobera 25 [mm].

El aumento del flujo másico de material al incrementarse la velocidad del aire, seexplica por la diferencia de presión negativa que genera la tobera entre el silo dealimentación y el punto de alimentación, lo que facilita el flujo de los sólidos. La ecuaciónde Bernoulli explica el fenómeno, sección 4.1.

Como se pudo ver en el caso del Sistema de Transporte Neumático sin tobera, laexistencia de arcos cohesivos es un problema que deja fuera de funcionamiento al sistema.Para el caso del sistema con tobera, se utilizan todas las placas dosificadoras, ya que noexiste la formación de arcos cohesivos. Esto se explica por el vacío generado por la tobera,el cual rompe la cohesión de partícula que se genera en el área de descarga, permitiendo elfuncionamiento del sistema para materiales, con una mayor tendencia a la formación dearcos.

U.T.F.S.M.53




La tobera, al generar una pérdida de carga adicional al sistema, no permite eldesarrollo de los flujos en todo el rango de velocidades. Esta pérdida de presión que segenera en el sistema, impide el transporte de material en el rango bajo de velocidades, provocándose acumulación en el sistema y obstruyendo el paso de material.

En la Figura 6.8 se puede ver las condiciones de flujo correspondientes a cada puntode operación del sistema.

Figura 6.8 Análisis del Diagrama de Fase Tobera 30 [mm].

La aceleración del material al ingresar al sistema, se estima visualmente según ladistribución del material en la tubería. Las condiciones de aceleración para el sistema con

tobera son óptimas, debido a que para un gran rango de velocidades, la distribución delmaterial en el tramo de aceleración es homogénea.

Para el sistema sin tobera de alimentación, el flujo es irregular y las partículas no sedistribuyen de forma homogénea. La acumulación de material inmediatamente aguas abajodel punto de alimentación, para velocidades bajas del aire, es un fenómeno que se evita conel uso de toberas.

6.6.3 Tobera sin Difusor y Placa Deflectora

La utilización de la Tobera sin Difusor muestra una dependencia del flujo másico desólidos a la velocidad del aire (flujo másico de aire). Como se explicó anteriormente, elaumento de la velocidad del aire en el punto de alimentación implica una disminución de la presión en este punto con respecto a la presión del silo de alimentación, lo que altera ladescarga del material desde el silo de alimentación, sin embargo, la forma irregular de latobera hace que la aplicación de la ecuación de Bernoulli no sea posible para conocer la presión.

U.T.F.S.M.54




La Figura 6.9 muestra la distribución de los tipos de flujo para el sistema conTobera sin Difusor. Como se puede observar, la mayor cantidad del flujo Estratificado ycon Dunas es un reflejo de la pérdida de carga que implica para el sistema la Tobera sinDifusor, para una relación de carga baja se tiene flujo diluido homogéneo.

Figura 6.9 Análisis del Diagrama de Fase Tobera sin Difusor.

La Placa Deflectora corresponde a una simplificación de la Tobera sin Difusor,solucionando de forma muy simple el problema de la baja velocidad del aire en el punto dealimentación. Sin embargo, el aumento del arrastre sobre las partículas de material logrado

no es el óptimo, la recirculación de material es un fenómeno importante que se observa enlos ensayos con esta tobera. Esto es debido a la irregularidad en el perfil de velocidad en el punto de alimentación. Además al observar la distribución de las partículas en el tramo deaceleración, esta no es homogénea. Como se explicó en la sección 4.1.2 la existencia de uncambio brusco en el área de la tobera provoca la formación de vórtices y estos generanrecirculación.

La Figura 6.10 muestra el Diagrama de Fase para el sistema operando con PlacaDeflectora y los tipos de flujo que se obtiene.

La poca pérdida de carga generada Figura 4.10 implica que la relación de carga que

puede soportar el sistema hasta antes que se produzca acumulación o dunas es mayor que elcaso del sistema con las toberas con difusor o sin Difusor. Se puede observar en la Figura6.10 que el área de flujo Diluido Homogéneo es el más importante y es seguido por el deflujo Estratificado, con lo que se demuestra la baja pérdida de carga de la Placa Deflectora.

U.T.F.S.M.55




Figura 6.10 Análisis del Diagrama de Fase para Placa Deflectora.

Con todo esto se tiene que la velocidad del aire en el punto de alimentación es unavariable de peso al determinar el comportamiento de los Sistemas de Transporte Neumático.

U.T.F.S.M.56




6.6.4 Comparación

Para mostrar las consecuencias de la utilización de las distintas toberas en elSistema de Transporte, se utilizan los gráficos de la Figura 6.11. En éste se muestra el flujomásico de sólidos para cada tobera en distintos caso en donde se utilizan distintas PlacasDosificadoras y la misma velocidad del aire.

Se muestran cuatro casos en donde la velocidad del aire es de 16 [m/s] y las PlacasDosificadoras utilizadas se muestran en la Tabla 4. La velocidad de 16 [m/s] corresponde aun valor referente, ya que la velocidad real es ligeramente diferente.

Tabla 4: Diámetros Placas Dosificadoras

Caso 1 12 [mm]Caso 2 14 [mm]Caso 3 16 [mm]Caso 4 18 [mm]

Para todos los casos se utilizaron la Tobera de 25 [mm], la de 30 [mm], la Toberasin Difusor, la Placa Deflectora y el sistema sin tobera. En el caso 2 no se entrega el valordel flujo másico sin tobera ya que para esa condición de operación no se realizó unamedición con la placa dosificadora de 14 [mm].

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

1 2 3 4

Casos para Comparación

F l u j o M á s i c o S ó l i d o

s [ g r / s ]

Tobera 25 Tobera 30 Tobera sin Difusor Placa Deflectora Sin Tobera

Figura 6.11 Cuadro comparativo de incidencia de las toberas en el flujo másico.

Claramente para la tobera de 25 [mm] y la Tobera sin Difusor se tienen los flujosmásicos de sólidos más elevados, con el sistema operando bajo las mismas condiciones.Este mayor flujo se explica por el aumento de la velocidad del aire en el punto dealimentación, lo que reduce la presión con respecto a la presión del silo de alimentación y

U.T.F.S.M.57




mejora el flujo de sólidos desde el silo de alimentación, como se explicó en la sección6.6.2. Para el caso de la Placa Deflectora se tiene un flujo másico de sólidos menor, esto esdebido a la menor velocidad que logra el aire con esta tobera. Sin embargo al comparar éstacon el sistema sin tobera, se aprecia una diferencia en el flujo másico.

Otro punto importante es conocer la variación del flujo másico de sólidos en funciónde la velocidad el aire para las distintas toberas con la mismas Placas Dosificadoras. Esto semuestra en la Figura 6.12. Como se puede apreciar, las toberas afectan el flujo másico desólidos en el sistema ya que para el sistema sin tobera el flujo de material se mantiene prácticamente constante en cambio para el sistema con toberas se observa un aumento delflujo másico de sólidos al aumentar la velocidad.

0,000

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0,060

0,070

0,080

0,090

0,100

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0Ug [m/s]

F l u j o M á s i c o S ó l i d o s

[ K g / s ]


Figura 6.12 Comportamiento del flujo másico de sólidos en función de la velocidad del aire para PlacaDosificadora de 16 [mm].

Un segundo ejemplo es la Figura 6.13 en donde se tiene el mismo gráfico anterior, pero con una Placa Dosificadora de 12 [mm], se puede ver el mismo fenómeno.

U.T.F.S.M.58




0,000

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0,060

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0Ug [m/s]

F l u j o M á s i c o S ó l i d o s [ K g / s ]


Figura 6.13 Comportamiento del flujo másico de sólidos en función de la velocidad del aire para PlacaDosificadora de 12 [mm].

Para todas las Placas Dosificadoras se tiene el mismo comportamiento: las toberasalteran el flujo másico de sólidos al variar la velocidad del aire.

Con estas comparaciones es posible dimensionar las consecuencias de laimplementación de toberas en un Sistema de Transporte Neumático.

6.6.5 Cuadro Resumen

En la Tabla 5 se muestra un cuadro con un resumen de las distintas consecuenciasque tiene la implementación de una tobera en el punto de alimentación, para un Sistema deTransporte Neumático.

Tabla 5 Cuadro resumen

Sin ToberaTobera 25

[mm]Tobera 30

[mm]Tobera sin

DifusorPlaca

DeflectoraPulsos si no no no no∆ p Bajo Alto Moderado Alto Bajo

Aceleración Mala Óptima Óptima Irregular IrregularSÖLIDOS W & Constante Variable Variable Variable Variable

Recirculación no no no si si

A continuación se definen las clasificaciones utilizadas.

Pulsos: La existencia de pulsos en el flujo de sólidos.

U.T.F.S.M.59




∆ p: Caída de presión generada por la tobera.

Aceleración: Distribución de las partículas en el tramo de aceleración, Óptimo equivale auna distribución del material homogénea en la tubería, Irregular se observanlíneas de flujo por el interior de la tubería, Mala acumulación de material en

el tramo de aceleración para un amplio rango de velocidades.

SÖLIDOS W & : Efecto sobre el flujo másico de sólidos al variar la velocidad del aire.

Recirculación: Existencia de vórtices en el punto de alimentación.

U.T.F.S.M.60




7 Conclusiones

La solución de problemas que se generan en el funcionamiento de los sistemas detransporte neumático, es muy importante para ampliar el rango de utilización de este tipo de

sistema de transporte de sólidos a granel.

Uno de los problemas encontrados en la realización de este trabajo, es el ingreso delmaterial al Sistema de Transporte Neumático, es decir, dificultad en la mezcla del materialcon el gas de transporte. Los problemas para entregar la energía cinética de la corriente degas al material a transportar, impide la utilización de estos sistemas en muchasaplicaciones.

El diseño de las toberas contó con un análisis simple de los principios que ocurrenen una tobera, como lo son las ecuaciones de Continuidad y Bernoulli. En base a esto setomaron los criterios de diseño, considerando además la factibilidad en la construcción.

Las ventajas obtenidas al utilizar toberas en el punto de alimentación son, la mejoraen la aceleración del flujo de material, la capacidad de romper los arcos cohesivos en lazona de descarga, deben ser sopesados con la pérdida de carga que generan o serconsiderado en el dimensionamiento de los elementos motrices.

Un efecto importante producido por las toberas, es el cambio en el flujo másico desólidos que ingresa al Sistema Transporte Neumático en función de la velocidad el aire.Esto obliga a la utilización del Diagrama de Fase para la exposición de los resultadosobtenidos y así poder entender el fenómeno provocado por las toberas.

La capacidad de observar como se comporta el material dentro de la tubería, permiteuna comprensión mucho más acabada de los fenómenos que ocurren. Esto es un potencialque el sistema de transporte dispone, por lo que la continuación de los estudios enTransporte Neumático debe profundizarse.

Finalmente, la implementación de toberas y Placas Dosificadoras, se recomienda para sistema en donde la necesidad de eliminar los pulsos en el flujo de sólidos seancríticas, o en sistemas en donde se requiera una regulación continua del flujo de sólidos,aprovechando la dependencia de esta variable ante la velocidad del aire.

Se deja pendiente para estudios posteriores la medición de la aceleración de

partícula en el primer tramo, con la implementación de toberas en el punto de alimentación.Para ello la medición de la velocidad de partícula versus la velocidad del aire arrojaría eldesempeño de las toberas. Además de el ensayo del desempeño de las toberas con otrosmateriales.

El estudio del comportamiento del sistema con otros materiales es una tarea quetambién queda pendiente para futuros estudios debido al tiempo limitado para la realizaciónde este tipo de investigación experimental.

U.T.F.S.M.61




8 Referencias

[1] Cabrejos, F., Klinzing, G., “Solids Mass Flow Rate Measurement in PneumaticConveying”, Presented at the Winter Annual Meeting of the American Society of

Mechanicals Engineers, Noviembre, 1992.

[2] Jenike and Johanson, “Design of Pneumatic Conveying Systems”, apuntes RamoManejo de Materiales, Pág. IV-13

[3] Klinzing, G. Gas-Solid Transport, Mc Graw-Hill Book Co., 1981., citado en paper“Propiedades de Fluidez de los Materiales Sólidos a Granel”. Cabrejos, F., 2001.

[4] Mayers, S, Marcus, R., Rizk, F. “The state Diagram for Fine-particle Gas/SolidsSuspensions”, Bulk Solids Handling, Vol. 5 Nº4 (Agosto, 1985), Pág. 779 -782.

[5] Shames, I., “Mecánica de Fluidos”, Mc Graw – Hill, Cap. 9 Pág. 315 – 362.3ªEdición. 1995.

[6] Stoess, H. “Pneumatic conveying”, 1970. P.1

[7] Tsuji, Y and Morikawa, Y. “Flow Pattern and pressure fluctuation in air-solid two- phase flow in a pipe at low air velocities”, Osaka University 1982.

[8] Weber, M. “Principles of Hydraulic and Pneumatic Conveying in Pipes”,Bulk SolidsHandling, Vol. 1 Nº1. Febrero 1981. Pág. 57 – 63.

Documents

Optimización transporte neumatic