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Laboratorio N07 Combustibles
Flores Zavala Benjamn 20092554BHuertas Cotillo Pedro 20082643BMendoza Olivares, Jeanpierre 20094083GVelarde Quispe Martin 20054039G
Laboratoriode IngenieraMecnica I
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CONTENIDO
INTRODUCCIN ........................................................................................................ 2
OBJETIVOS ............................................................................................................... 3 FUNDAMENTO TERICO ..........................................Error! Bookmark not defined.
CLCULOS Y RESULTADOS .................................................................................... 3
OBSERVACIONES .................................................................................................. 17
CONCLUSIONES ........................................................Error! Bookmark not defined.
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INTRODUCCIN
Antecedentes
En los ltimos aos la agricultura nacional ha conseguido un nivel decrecimiento ptimo obteniendo una mayor produccin en distintos campos como lostubrculos, legumbres, granos etc, sin embargo cuenta con una serie deinconvenientes que limita su crecimiento y competitividad en mercados externos,imposibilitando la mejora de la calidad de vida de los agricultores en cuestin.
Esto se debe a diversos factores sociales, culturales, tecnolgicos, etc quegeneran una serie de desventajas para este sector; el presente proyecto se dirige acontribuir con una solucin en el aspecto tecnolgico y as generar mejoras decalidad y competitividad.
El producto a estudiar ser el S es a m u m i n d i c u m del cual deriva la semillaconocida como ajonjol. Se sabe que el proceso de esta semilla es manual y constade tres etapas, el descutilizado, la seleccin y el secado, los cuales poseen perdidasde productos por manipulacin del material, es aqu donde planeamos insertar unasolucin a dichas prdidas, garantizando una mejora de calidad en la produccin de
dicha semilla.
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OBJETIVOS
Diseo de una maquina capaz de seleccionar y secar ajonjoli.
Contribuir con un metodo alternativo para el secado del ajonjoli
Expandir el rango de utilizacion de la maquina para otro tipo de producto
Reccion de perdidas al utilizar el metodo manual de seleccin y secado del
ajonjoli.
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Anlisis del proyecto
Anlisis de la necesidad y abstraccin
La necesidad de una maquina de seleccin y secado est dada por lacantidad de prdidas que genera el mtodo manual de procesamiento del ajonjol, endefinitiva, la creacin de esta mquina podra ayudar a reducir dichas prdidas por locual se considera una serie de pasos para la concepcin del mismo.
La maquina bsicamente constara de dos procesos: seleccin y secado, cadauno poseer una distinto diseo por lo que se elaborara dos abstracciones:
Figura 1. Abstraccin para maquina de seleccin
Figura 2. Abstraccin para maquina de secado
Encendido Luz On CN1
Ajonjol con escorias
Calor
Ajonjol limpio
Corriente Elctrica
Termino -Luz Off
Encendido Luz On CN2
Ajonjol hmedo
Calor
Ajonjol seco
Corriente Elctrica
Termino -Luz Off
Aire caliente Aire frio hmedo
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Estructura de partes y matriz morfolgica
Para una adecuada seleccin se proceder a realizar una matriz en la cual seespecifican cada una de las funciones que la maquina realizara, cada una de estasfunciones posee varios tipos de solucin, las cuales estarn incluidas en dichamatriz.
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Tabla 1. Matriz Morfolgica
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De esta matriz se derivaran distintas soluciones para as tener una serie de
maquinas posibles de las cuales se escoger a la ms conveniente de acuerdo acriterios econmicos y tcnicos; de acuerdo a una serie de debates e ideas seseleccionaron las siguientes posibles maquinas:
Tabla 2. Matriz Morfolgica con posibles soluciones
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Tabla 3. Posibles Mquinas
Para ejecutar una adecuada seleccin de la maquina se elaborar una matriz en lacual se pueda analizar de manera objetiva cada una de las propuestas desde unmarco econmico y tcnico.
Tabla 4. Matriz de Consistencias
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Con lo cual podremos obtener una primera apreciacin de la maquina optima para
nuestra necesidad.
Tabla 5. Matriz de Evaluacin
En primera instancia podramos decir cul es la maquina con mejor posibilidad dediseo bajo aspectos econmicos y tcnicos, pero esta evaluacin preliminar solo esun indicador; se proceder a reevaluar a las maquinas bajo otros conceptos vistosen la tabla de consistencias para obtener as un panorama claro acerca de lasventajas y desventajas de cada una de las maquinas.
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Tabla 6. Matriz de Re-Evaluacin
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De esto podemos concluir que la mquina adecuada para la solucin de nuestro
problema es la maquina 2.De esto podemos dibujar bocetos para guiarnos en el diseo de esta mquina.
Figura 3. Bosquejo de zaranda vibratoria
Figura 4. Bosquejo de secador
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Estudio terico y Parmetros funcionales
Proceso de seleccin :
La limpieza y seleccin de las semillas debe ser realizada con la mayor eficiencia (mxima capacidad de separacin y minima perdida de semillas) ya que de otramanera el costo de operacin aumentara de forma notable
La tcnica de limpiezase basa en las diferencias de caracteres fsicos de la semillastales com el tamao, longitud, forma, etc.
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CLCULOS Y RESULTADOS
Zaranda Vibratoria
El diseo de la zaranda vibratoria consiste de las siguientes partes:
Dimensionado de la superficie de Cribado. Estructura de la Zaranda. Anlisis Vibratorio de la Zaranda.
Dimensionado de la superficie de CribadoEn la actualidad existen numerosos procedimientos de clculo para obtener lasuperficie de cribado (Ecuaciones de Blanc, Mular, Bhappu, etc), pero todos ellos sereducen a una expresin como la siguiente:
Donde:
= Superficie de cribado necesaria [m 2 ]= Tonelaje que se necesita cribar [ton/h]= Capacidad bsica o especfica [ton/ m 2 h]
= Factores de correccin adimencionalesEsta frmula es el resultado de experiencias en el diseo de este tipo de mquinas.El mtodo de clculo que se desarrollar pertenece a Juan Luis Bouso, y se basa enla capacidad bsica sobre material pasante, se tiene la siguiente expresin:
Donde:
= Superficie de cribado necesaria [m 2 ]
= Tonelaje terico que deber pasar la cribar [ton/h]= Capacidad bsica pasante [ton/ m 2 h]
= Factores de correccin adimencionales = Factores de operacin adimencional A continuacin se describir cada uno de los parmetros y cmo obtener su valor enbase al autor de la frmula.
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Capacidad Bsica (B)
Los valores de la capacidad bsica han sido obtenidos de forma separada paramateriales naturales (redondeados), materiales triturados (cbicos) y para carbn.
Las condiciones bajo las que se ha obtenido esta capacidad es:
Densidad aparente del producto: 1,6 ton/m 3 Malla de alambre de acero rea libre de malla: 50% Posicin de la malla: Primera. Inclinacin de la criba: 20. El rechazo del producto de alimentacin: 25% Porcentaje de partculas inferiores a la mitad de la luz en el producto de
alimentacin: 40% Rendimiento de cribado: 94%
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente tabla:
Tabla 7. Capacidad BsicaCapacidad Bsica B (Ton/m2.h)
Luz de Malla(mm) Carbn Cbico Redondeado
0,5 2,0 2,7 3,50,8 2,6 3,4 4,41,0 2,8 3,7 4,91,3 3,1 4,1 5,52,0 4,0 5,3 7,14,0 6,0 8,0 10,55,6 7,5 10,0 13,06,3 8,1 10,8 14,08,0 9,4 12,5 16,0
10,0 10,8 14,4 18,612,5 12,5 16,6 21,516,0 14,3 19,0 25,120,0 16,5 22,0 29,025,0 19,5 26,0 33,431,5 22,5 30,0 37,940,0 26,0 34,7 42,550,0 29,3 39,0 47,463,0 33,0 44,0 52,080,0 36,8 49,0 57,0100,0 42,0 56,0 63,0
120,0 47,3 63,0 68,0
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Factores de Correccin (f c )
Como se mencion antes, la capacidad bsica ha sido calculada bajo unascondiciones muy concretas. Es por ello que surge la necesidad de aplicar unosfactores de correccin a la capacidad bsica (B) que nos permitirn obtener un valorde la capacidad que se ajuste a nuestras condiciones de operacin. Los factores sedesarrollan a continuacin.
1. Factor de densidad especfica aparente ( f d )Para los valores de densidad aparente ( a) distintos a 1,6 ton/m3, el factor dedensidad ser:
2. Factor de Rechazo ( f r )
El factor de rechazo es cuantas partculas estn por encima de la dimensin de lamalla. Para corregir el valor se tiene la siguiente tabla:
Tabla 8. Factor de Rechazo.
Porcentaje derechazo %
Factor deRechazo (f a)
0 1,105 1,08
10 1,0615 1,0420 1,0225 1,0030 0,9835 0,9640 0,94
45 0,9250 0,9060 0,8870 0,8680 0,84
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3. Factor de Semitamao ( f s)
El factor de semitamao es el contenido de partculas que son inferiores a la mitadde la luz de la malla. Para corregir esta condicin se tiene la siguiente tabla:
Tabla 9. Factor de Semitamao.
Porcentaje desemitamao (%)
Factor desemitamao (f s)
0 0,505 0,55
10 0,6015 0,6520 0,7225 0,7730 0,8535 0,9240 1,0045 1,1050 1,2055 1,3060 1,4565 1,6070 1,7575 1,9580 2,2085 2,5590 3,0095 3,65
4. Factor de Rendimiento, E ( f e)Los valores del coeficiente de eficiencia o rendimiento para rendimientos usuales sonlos siguientes:
Tabla 10. Factor de Rendimiento.
Rendimiento (%) Factor deeficiencia (f e) 98 0,6096 0,8594 1,0092 1,0590 1,1285 1,2680 1,41
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5. Factor de Cribado por va Hmeda ( f a)
Para cribados por va hmeda (Humedad mayor al 9%) hay que introducir un nuevofactor de correccin cuyo valor depender de la luz de la malla.
Tabla 11. Factor de cribado por va hmeda.Luz de la malla
(mm)Factor de cribado
por va hmeda (f a) < 0,50 1,001,00 1,421,25 1,702,00 2,204,00 2,50
5,60 2,356,30 2,258,00 2,00
10,00 1,4211,20 1,3512,50 1,3014,00 1,2516,00 1,2020,00 1,1222,40 1,1331,50 1,0640,00 1,0350,00 1,00
6. Factor de Abertura de Malla ( f m)Este factor va a depender del tipo de abertura que posea la malla (cuadrada,rectangular y redonda) tomando como valor los que se presentan en la siguientetabla:
Tabla 12. Factor de abertura de malla.
Tipo de abertura Factor de Aberturade Malla (f m)
Cuadrada 1,00Redonda 0,80
Rectangular 1,20
7. Factor de Lajosidad ( f l )Se consideran lajas aquellas partculas cuya longitud es 3 veces a cualquiera delas otras dos dimensiones.
La presencia de lajas puede hacer disminuir la capacidad de la criba es por esoque se debe reconocer el porcentaje de lajas que forman parte de la alimentacin
y aplica el factor de correccin correspondiente. Se usa la siguiente tabla:
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Tabla 13. Factor de lajas.
% Lajas Factor deLajosidad (f l) < 5 1,0010 0,9520 0,8530 0,8040 0,7550 0,7060 0,6570 0,6080 0,55
8. Factor de Posicin del Pao ( f p)Las telas o paos inferiores no aprovechan toda su superficie til en la operacin decribado debido a las trayectorias de las partculas, por ello habr que introducir unfactor de correccin que tenga en cuenta la posicin relativa de la superficie decribado:
Tabla 14. Factor de posicin del pao.
Piso Factor de posicindel Pao (f p) Primer 1,0
Segundo 0,9Tercer 0,8Cuarto 0,7
9. Factor de Inclinacin ( f i)Para corregir la inclinacin de la criba a disear se usa la siguiente tabla:
Tabla 15. Factor de inclinacin.
Inclinacin dela criba (o)
Factor deinclinacin (f i)
0 0,835 0,87
10 0,9415 0,9620 1,00
10. Factor de rea Libre ( f o)El rea Libre representa la superficie til de cribado, sin tener en cuenta la superficieocupada por los alambres. Por lo tanto, a medida que aumenta el rea libre, lo hace
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en la misma medida la capacidad. Este valor se puede encontrar en los catlogos de
las cribas. El factor se corrige con la siguiente tabla:Tabla 16. Factor de rea libre.Superficie
Libre %Factor de rea
Libre (f o) 15 0,3020 0,4025 0,5030 0,6035 0,7040 0,8045 0,9050 1,0055 1,1060 1,2065 1,3070 1,4075 1,50
Factor de Servicio (f op )Como la operacin de cribado no va a ser perfecta. Se incrementa el valor de lasuperficie de cribado en un 20% para operaciones normales ( f op = 1,20) y en un 40 %para operaciones dificultosas ( f op = 1,40).
Clculo de las cribasEn el diseo de esta zaranda vibratoria se considera dos pisos. En el primer piso serechazar los elementos de mayor dimensin al ajonjol. Luego, en el segundo piso
se filtrarn los elementos residuales de menor dimensin del ajonjol.En el diseo se a considerado usar mallas de poliuretano ya que es un cribado acondiciones mayores del 9% de humedad.
Para cada piso se dimensionar la superficie de cribado. Cabe resaltar que lasuperficie de cribado mayor ser la superficie base para el diseo. El diseo se haren base a las dimensiones de las cribas que nos ofrece el fabricante.
En la siguiente tabla se muestran las caractersticas del tipo de mallas a usar para elprimer y segundo piso.
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Tabla 17. Tabla de caractersticas de mallas de poliuretano.
Fuente: Talleres Nez
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A continuacin se muestran los parmetros de diseo para el clculo de la superficie
de cribado para el primer y segundo piso con sus respectivos resultados. Superficie de cribado del primer pisoUtilizando la frmula de Juan Luis Bousco y las tablas para obtener los factores decorreccin se obtuvo la siguiente tabla de resultado para el primer piso de la zaranda.
Tabla 18. Clculo de superficie de cribado del primer piso.
Datos Valor UnidadDensidad del ajonjol 577 kg/m3 Capacidad Msica (Masa de entrada) 480 kg/hLuz de malla 4 mm
Porcentaje de Rechazo 30 %Porcentaje de Semitamao 10 %Rendimiento (E) 98 %Tipo de abertura CuadradaPorcentaje Lajas 60 %Piso Primer pisoInclinacin 5 o Superficie Libre 30 %Tipo de operacin NormalTonelaje terico que pasar la criba 0,34 Ton/hCapacidad Bsica (B) 10,50 Ton/m2.h
Factores de correccin (f c) 0,11Factor de densidad especfica (f d) 0,36Factor de rechazo (f r) 0,98Factor de semitamao (f s) 0,60Factor de eficiencia (f e) 0,60Factor de cribado por va hmeda (f a) 2,50Factor de Abertura de Malla (f m) 1,00Factor de Lajosidad (f l) 0,65Factor de Posicin del Pao (f p) 1,00Factor de Inclinacin (f i) 0,87
Factor de rea Libre (f o) 0,60Factor de Servicio (f op) 1,20Superficie de Cribado (S) 0,36 m2
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Superficie de cribado del segundo piso
Usando los mismos criterios para el diseo de la superficie de cribado del primer pisose obtuvo la siguiente tabla con los parmetros de diseo y resultados.
Tabla 19. Clculo de superficie de cribado del segundo piso.
Datos Valor UnidadDensidad del ajonjol 577 kg/m3 Capacidad Msica 336 kg/hLuz de malla 1 mmPorcentaje de Rechazo 70 %Porcentaje de Semitamao 5 %Rendimiento (E) 98 %
Tipo de abertura RectangularPorcentaje Lajas < 5 %Piso Segundo pisoInclinacin 5 o Superficie Libre 15 %Tipo de operacin NormalTonelaje terico que pasar la criba 0,10 Ton/hCapacidad Bsica (B) 4,90 Ton/hFactores de correccin (f c) 0,04 Ton/m
2.hFactor de densidad especfica (f d) 0,36Factor de rechazo (f r) 0,86Factor de semitamao (f s) 0,55Factor de eficiencia (f e) 0,60Factor de cribado por va hmeda (f a) 1,42Factor de Abertura de Malla (f m) 1,20Factor de Lajosidad (f l) 1,00Factor de Posicin del Pao (f p) 0,90Factor de Inclinacin (f i) 0,87Factor de rea Libre (f o) 0,30
Factor de Servicio (f op) 1,20Superficie de Cribado (S) 0,60 m2
Dimensiones de diseo de las cribasComo se mencion antes, se tomarn las dimensiones que ofrece el fabricante, deesto se obtiene que las dimensiones de las dos cribas ser:
Tabla 20. Dimensiones de diseo.
Datos Valor UnidadAncho Nominal (AN) 50 cmLongitud Nominal (LN) 150 cmSuperficie de Cribado Nominal (SN) 0,75 m
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Estructura de la Zaranda
En esta seccin se analizar y disear la estructura metlica del cuerpo de lazaranda vibratoria.
Sistema modular TN de fijacin de mallas de poliuretanoEl sistema modular TN es completamente plano, sin obstculos que retengan losmateriales finos, se adapta a los conocidos perfiles ranurados.
Est diseado para ser acoplado a cualquier tipo de mquina tanto de cribado comode escurrido.
La fijacin entre mdulos ofrece total seguridad aumentando con la presin de los
materiales a clasificar. No obstante el reemplazar cualquier mdulo es de granfacilidad.
En las siguientes figuras se muestra como es la instalacin de este tipo de sistemamodular.
Figura 5. Sistema modular TN
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Figura 6. Detalle 6 del Sistema modular TN.
Figura 7. Detalle 1 y 2 del Sistema modular TN.
Figura 8. Detalle 3,4 y 5 del Sistema modular TN.
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Diseo de estructura metlicas para el soporte de las cribas
Considerando que se va a usar el sistema modular TN para fijar las mallas, se diseel siguiente soporte para las mallas.
Se usaron ngulos estructurales de 1 x 1 x 1/8 para los extremos, estos ngulostienen orificios para ser empernados a una plancha que se mostrar a continuacin.Se utiliz 3 metros de este perfil de acero ASTM A36.
Tambin, como se puede ver se tiene perfiles ranurados de 40 x 40 x 3 de acero ASTM A36. Se utiliz 3 metros de este perfil para esta estructura.
Por ltimo, se usaron Tees 1 x 1 x 1/8 de acero ASTM A36 para unir los perfilesranurados con los ngulos estructurales mediante soldadura.
La dimensin de esta estructura es de 500 x 1500 de rea. En el anexo se puedeencontrar el despiece de este soporte con las dimensiones y tipo de soldadura a usarpara cada unin.
Cabe sealar que este soporte se usa para el primer y segundo piso de la zarandavibratoria.
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Luego, est el diseo de las planchas. Para esto se usa plancha de 8 mm de espesor
de acero ASTM A36. Como se puede observar en la figura, la plancha tiene orificiospara ser empernada con la estructura de soporte de las cribas. Adems, en el mediode la plancha tiene orificios para empernar el soporte con el rodamiento Y (SoporteFYJ508, Rodamiento FYJ 40 TF).
Tambin, se tienen ngulos estructurales de 20 x 20 x 3 que sern soldadas a laplancha. Estos ngulos servirn para ejercer presin sobre las cribas mediante cuascomo se muestra en el Detalle 4 del Sistema Modular TN en la parte interior.
Exteriormente se soldarn unos apoyos para el montaje de los resortes. Estosapoyos estn hechos de acero ASTM A 36 de 8 mm de espesor. Sus dimensionesdetalladas se encuentran en el anexo.
Finalmente, en las siguientes figuras mostramos como termina montado la criba consus mdulos y cuas de fijacin, as tambin como el ensamblado final aadiendouna plancha para el suministro del ajonjol.
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Anlisis Vibratorio de la Zaranda
Es complejo analizar por vibraciones cuerpos reales, es por ello que se buscasimplificar estos cuerpos en sistemas masa-resorte-amortiguador de tal manera quelas propiedades msicas y cinticas no varen. Se modela de la siguiente forma:
En los puntos 1, 2, 3 y 4 irn los resortes. Tambin se ven que en el eje x del centrode gravedad estn dos fuerzas. Estas dos fuerzas representan a la masadesbalanceada que se unir al eje de la zaranda vibratoria.
Posicin de los resortesCabe sealar que se analizar la zaranda como si no estuviera inclinada, msadelante se usar un artificio matemtico para incluir la inclinacin del 5%.
Tambin, se considera que la vibracin de la zaranda ser en el eje Z, tambinexistir rotacin en 1 y 2, pero como se demostrar, esta rotacin de disipardespus de un tiempo despus del encendido.
Entonces, se tienen las posiciones de cada resorte con respecto al eje Z. Seconsidera que 1 y 2 son ngulos chicos, por lo que se obtendr lo siguiente:
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(3)
(4)
Posicin de los contrapesos
Se considera que los contrapesos estn en el extremo de una polea de radio R,como una masa desbalanceada. La polea gira a una frecuencia de r . Se obtuvieronlas siguientes ecuaciones.
* + (5)
* + (6)
Fuerza de las masas desbalanceadasLa fuerza de las masas desbalanceadas se obtiene de derivar dos veces la posicincon respecto al eje x de la masa y multiplicndolo por su masa (m 0).
(7)
Anlisis con Ecuacin Diferencial de LagrangePara resolver este sistema aplicamos la ecuacin diferencial de Lagrange:
( ) (8)Donde:L= T Vq i : Grado de libertadT: Energa CinticaV:Energa Potencial
Q i :
Se resuelve la ecuacin y se simula los valores con tal de obtener una frecuencia devibracin adecuada con valores de resortes en los catlogos.
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Entonces, hallamos la Energa Cintica:
(9)
As tambin, hallamos la energa potencial considerando a como la constante deelstica de cada resorte:
(10)
Luego, reemplazamos las ecuaciones (1), (2), (3) y (4) en la (10).
Para simplificar el diseo de la zaranda vibratoria, se considerar las constantes de
elasticidad de cada resorte iguales: , entonces, definiremos a laenerga potencial con la siguiente ecuacin:
(11)Despus se reemplaza la ecuacin (9) y (11) en L= T V
Entonces, hallamos los elementos de la ecuacin (8):
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( )
Con las ecuaciones 7 se calcula el:
Por ltimo, se tendrn las siguientes ecuaciones:
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Anlis is de las dimensiones
Como se puede observar, el anlisis de vibraciones depende mucho de la geometradel cuerpo, es por eso que se debe modelar de una manera correcta el slido aanalizar.
Figura 1. Software Secciones (versin 3.2.50)
Haciendo el uso de un software (siguiente Figura), obtenemos los centros degravedad de cada estructura y aplicando el Teorema de Steiner hacemos el clculode ellas y obtenemos los siguientes resultados:
(Consideracin para el anlisis)
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Solucin final de la ecuacin de Lagrange
Entonces, solucionando el primer enunciado:
[ ]
Se sabe que: y que , ya que producira resonancia al no teneramortiguadores.
Luego, con este dato se simula en una hoja de clculo los valores que pueden tenerlas constantes de los resortes, la masa desbalanceada y el radio respecto al eje deesta.
Se obtuvieron valores ptimos para el diseo, de tal manera que la amplitud seencuentre en el rango de 6 8 mm, seleccionando resortes de catlogo:
Regresando a la solucin de la ecuacin:
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CALCULO DE FAJAS
La potencia de diseo est en funcin al rea de la criba. Por lo tanto, tomandovalores usados en la industria: Potencia de diseo = 1,4 kW = 1,84 HP = 1,86 CV
Buscando catlogos y considerando un factor de servicio de 1,2 para la zaranda,usando una transmisin por fajas, se seleccion el siguiente motor.
Motor asncrono de 4 polos de 2,4 CV con de 1145 RPM
Se usar una faja, debido a que la potencia por faja que puede transmitir superan los2,43 HP.
Por lo que se selecciona las fajas seccin B, que trasmiten 2,70 HP por faja referidoa la polea de dimetro menor con valor de 4,6
Por lo tanto, se sabe que se necesita una velocidad de rotacin de 467,6 RPM en ejede la zaranda, por lo que la polea de dimetro mayor tendr un valor de: 11,5
Luego, se encuentra la distancia entre centros:
Considerando C de 15 , se obtendr la longitud de la faja:
De tablas se tiene que para Faja N se tiene B55 con longitud de 56,8 y kl de 0,90
Se recalcula la distancia a los centros:
Por lo tanto tenemos seleccionado a la FAJA N B55