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DISEO Y CONSTRUCCIN DE SISTEMA DE TRANSPORTE NEUMTICO MIXTO DE DOS ETAPAS PARA CEREALES
JUAN PABLO VEGA TRIANA
CARLOS EDUARDO ARAQUE MANRIQUE
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOMECNICAS
ESCUELA DE INGENIERA MECNICA
BUCARAMANGA
2009
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DISEO Y CONSTRUCCIN DE SISTEMA DE TRANSPORTE NEUMTICO MIXTO DE DOS ETAPAS PARA CEREALES
JUAN PABLO VEGA TRIANA
CARLOS EDUARDO ARAQUE MANRIQUE
Trabajo de Grado para optar al ttulo de
Ingeniero Mecnico
Director
GILBERTO PARRA
Ingeniero Mecnico
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOMECNICAS
ESCUELA DE INGENIERA MECNICA
BUCARAMANGA
2009
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Yo, Juan Pablo Vega Triana, mayor de edad, vecino de Bucaramanga, identificado con la Cdula de Ciudadana No. 1098610665 de Bucaramanga, actuando en nombre propio, en mi calidad de autor del trabajo de grado, del trabajo de investigacin, o de la tesis denominada(o): Diseo y Construccin de Sistema de Transporte Neumtico Mixto de Dos Etapas para Cereales.
Hago entrega del ejemplar respectivo y de sus anexos de ser el caso, en formato digital o electrnico (CD o DVD) y autorizo a LA UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER, para que en los trminos establecidos en la Ley 23 de 1982, Ley 44 de 1993, decisin Andina 351 de 1993, Decreto 460 de 1995 y dems normas generales sobre la materia, utilice y use en todas sus formas, los derechos patrimoniales de reproduccin, comunicacin pblica, transformacin y distribucin (alquiler, prstamo pblico e importacin) que me corresponden como creador de la obra objeto del presente documento. PARGRAFO: La presente autorizacin se hace extensiva no slo a las facultades y derechos de uso sobre la obra en formato o soporte material, sino tambin para formato virtual, electrnico, digital, ptico, uso en red, Internet, extranet, intranet, etc., y en general para cualquier formato conocido o por conocer.
EL AUTOR ESTUDIANTE, manifiesta que la obra objeto de la presente autorizacin es original y la realiz sin violar o usurpar derechos de autor de terceros, por lo tanto la obra es de su exclusiva autora y detenta la titularidad sobre la misma. PARGRAFO: En caso de presentarse cualquier reclamacin o accin por parte de un tercero en cuanto a los derechos de autor sobre la obra en cuestin, EL AUTOR / ESTUDIANTE, asumir toda la responsabilidad, y saldr en defensa de los derechos aqu autorizados; para todos los efectos la Universidad acta como un tercero de buena fe.
Para constancia se firma el presente documento en dos (02) ejemplares del mismo valor y tenor, en Bucaramanga, a los 18 das del mes de Noviembre de 2009.
Autor:
Juan Pablo Vega Triana
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Yo, Carlos Eduardo Araque Manrique, mayor de edad, vecino de Bucaramanga, identificado con la Cdula de Ciudadana No. 91542938 de Bucaramanga, actuando en nombre propio, en mi calidad de autor del trabajo de grado, del trabajo de investigacin, o de la tesis denominada(o): Diseo y Construccin de Sistema de Transporte Neumtico Mixto de Dos Etapas para Cereales.
Hago entrega del ejemplar respectivo y de sus anexos de ser el caso, en formato digital o electrnico (CD o DVD) y autorizo a LA UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER, para que en los trminos establecidos en la Ley 23 de 1982, Ley 44 de 1993, decisin Andina 351 de 1993, Decreto 460 de 1995 y dems normas generales sobre la materia, utilice y use en todas sus formas, los derechos patrimoniales de reproduccin, comunicacin pblica, transformacin y distribucin (alquiler, prstamo pblico e importacin) que me corresponden como creador de la obra objeto del presente documento. PARGRAFO: La presente autorizacin se hace extensiva no slo a las facultades y derechos de uso sobre la obra en formato o soporte material, sino tambin para formato virtual, electrnico, digital, ptico, uso en red, Internet, extranet, intranet, etc., y en general para cualquier formato conocido o por conocer.
EL AUTOR ESTUDIANTE, manifiesta que la obra objeto de la presente autorizacin es original y la realiz sin violar o usurpar derechos de autor de terceros, por lo tanto la obra es de su exclusiva autora y detenta la titularidad sobre la misma. PARGRAFO: En caso de presentarse cualquier reclamacin o accin por parte de un tercero en cuanto a los derechos de autor sobre la obra en cuestin, EL AUTOR / ESTUDIANTE, asumir toda la responsabilidad, y saldr en defensa de los derechos aqu autorizados; para todos los efectos la Universidad acta como un tercero de buena fe.
Para constancia se firma el presente documento en dos (02) ejemplares del mismo valor y tenor, en Bucaramanga, a los 18 das del mes de Noviembre de 2009.
Autor:
Carlos Eduardo Araque Manrique
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DEDICATORIA
A mis padres
Juan Pablo Vega Triana
12
DEDICATORIA
A mis padres y a mi hermana
Carlos Eduardo Araque Manrique
13
AGRADECIMIENTOS
A nuestras familias.
A todos los que nos apoyaron y nos brindaron su cario y amistad.
14
CONTENIDO
Pg.
INTRODUCCIN 29
1. OBJETIVOS 31
1.1 OBJETIVO GENERAL 31
1.2 OBJETIVOS ESPECFICOS 31
2. GENERALIDADES DEL TRANSPORTE NEUMTICO 33
2.1 DEFINICIN DE TRANSPORTE NEUMTICO 33
2.2 HISTORIA DEL TRANSPORTE NEUMTICO 34
2.3 UTILIZACIN DE TRANSPORTADORES NEUMTICOS
PARA TRANSPORTE DE CEREALES 35
2.4 PROPIEDADES DE LOS CEREALES PARA EL
TRANSPORTE NEUMATICO 36
3. PROCESO DE TRANSPORTE NEUMTICO 38
3.1 FLUIDIZACIN 38
3.2 TIPOS DE TRANSPORTE NEUMTICO 40
3.2.1 TRANSPORTE EN FASE DILUIDA 42
3.2.2 TRANSPORTE EN FASE DENSA 42
15
4. CLASIFICACIN DE LOS TRANSPORTADORES NEUMTICOS 44
4.1 TRANSPORTADORES POR SUCCIN 44
4.2 TRANSPORTADORES POR PRESION 46
4.3 TRANSPORTADORES COMBINADOS 47
5. ELEMENTOS DE UN TRANSPORTADOR NEUMTICO 49
5.1 FUENTES DE AIRE 49
5.1.1 GENERALIDADES 49
5.1.2. TIPOS DE ELEMENTOS SOPLANTES 50
5.1.2.* VENTILADOR 50
5.1.2.* SOPLADOR 51
5.1.2.* COMPRESOR 52
5.2 SISTEMAS DE DOSIFICACIN DE MATERIAL 53
5.2.1 GENERALIDADES 53
5.2.2 TIPOS DE DOSIFICADORES 54
5.2.2.* VENTURI 54
5.2.2.* BOQUILLA DE SUCCIN 55
5.2.2.* TORNILLO 56
5.2.2.* VALVULA ROTATIVA 57
5.3 VLVULAS DE DESVO 59
5.4 SEPARADORES CICLNICOS 60
16
5.4.1 GENERALIDADES 61
5.4.2 FAMILIAS DE SEPARADORES CICLNICOS 64
5.4.2.* FAMILIA DE CICLONES DE ALTA EFICIENCIA 65
5.4.2.* FAMILIA DE CICLONES DE ALTA CAPACIDAD 66
5.4.2.* FAMILIA DE CICLONES CONVENCIONALES 67
5.4.3 CONSIDERACIONES DE DISEO DE CICLONES 69
5.4.4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS CICLONES 73
6. DETERMINACIN DE LAS CONDICIONES DE TUBERA 74
6.1 MTODO ANALTICO 74
6.2 MTODO DE FISCHER 76
6.3 MTODO DE EDITORIAL LABOR 78
6.4 MTODO EMPRICO 80
6.5 MTODO DE Mc CABE 81
7. MODELO MATEMTICO DEL PROCESO DEL TRANSPORTE
NEUMTICO 86
8. HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES PARA CLCULO DE
VARIABLES EN EL TRANSPORTE NEUMTICO 101
8.1 MANEJO DEL PROGRAMA DE DISEO DEL SISTEMA DE
TRANSPORTE NEUMTICO 101
9. CLCULO Y DISEO DEL TRANSPORTADOR NEUMTICO DEL MODELO PROPUESTO 114
17
9.1 DISEO DE CICLONES O SEPARADORES 114
9.2 DETERMINACIN DEL DIMETRO DE LA TUBERA 118
9.2.1 DETERMINACIN DEL DIMETRO DE TUBERA
EN ETAPA DE SUCCIN 120
9.2.2 DETERMINACIN DEL DIMETRO DE TUBERA
EN ETAPA DE PRESIN 122
9.3 CLCULO DE PRDIDAS DE PRESIN EN TUBERA 123
9.3.1 CLCULO DE PRDIDAS EN TUBERA EN
ETAPA DE SUCCIN 123
9.3.2 CLCULO DE PRDIDAS EN TUBERA EN
ETAPA DE PRESIN 126
9.3.3 CLCULO DE PRDIDAS DE PRESIN EN
ACCESORIOS 129
9.3.4 CLCULO DE PRDIDAS EN LA SECCION DE
SOLO AIRE 131
9.4 CLCULO DE LA POTENCIA REQUERIDA EN EL SISTEMA 133
9.5 VLVULA DOSIFICADORA 134
9.6 VLVULA DE DESVO 141
9.7 SELECCIN DEL SOPLADOR 141
18
10. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL TRANSPORTADOR
NEUMTICO DEL MODELO PROPUESTO 143
10.1 OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES DE LAS
PRUEBAS REALIZADAS AL TRANSPORTADOR NEUMTICO 151
11. PRESUPUESTO 153
12. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 157
BIBLIOGRAFA 159
ANEXOS 160
19
LISTA DE FIGURAS
Pg
Figura 1. Transportador neumtico industrial 35
Figura 2. Tubera desgastada por el paso de material 36
Figura 3. Proceso de fluidizacin. 39
Figura 4. Patrones de flujo en tubera de transporte horizontal 41
Figura 5. Transporte en fase diluida 42
Figura 6. Transporte en fase densa 43
Figura 7. Sistemas de transporte disponible para transporte neumtico 44
Figura 8. Transporte por succin desde almacenes abiertos 46
Figura 9. Configuracin tpica de transporte por presin 47
Figura 10. Transportador neumtico combinado 48
Figura 11. Tipos de unidades de movimiento de aire 50
Figura 12. Curva caracterstica de un ventilador 51
Figura 13. Curva caracterstica de un soplador 52
Figura 14. Caractersticas de variacin de presin
y caudal de diversos compresores 52
Figura 15. Venturi para dosificacin de material 54
Figura 16. Boquilla de succin 55
20
Figura 17. Aplicacin de boquilla de succin 56
Figura 18. Dosificadora de tornillo. 56
Figura 19. Vlvula dosificadora 57
Figura 20. Diseos alternativos de vlvulas rotativas 58
Figura 21. Opciones de ventear vlvulas rotativas 58
Figura 22. Relacin entre cantidad de material y revoluciones
de la vlvula rotativa 59
Figura 23. Vlvula de desvo 60
Figura 24. Geometra del separador ciclnico 61
Figura 25. Definicin de parmetros geomtricos del separador ciclnico 62
Figura 26. Principio de funcionamiento de un separador ciclnico 63
Figura 27. Generacion de vortices de aire y partculas. 63
Figura 28.Tipos de ciclones 68
Figura 29. Ventajas y desventajas de los separadores ciclnicos 73
Figura 30. Diagrama de cuerpo libre de la mezcla slido-fluido. 87
Figura 31. Presentacin del programa de diseo del
sistema de transporte neumtico 102
Figura 32. Men principal del programa de diseo del
sistema de transporte neumtico 103
Figura 33.Subprograma de diseo de ciclones o separadores. 104
21
Figura 34. Submen de diseo de tubera 105
Figura 35. Subprograma de seleccin de dimetro 106
Figura 36. Subprograma de prdidas de presin en
la tubera de la etapa de succin. 107
Figura 37. Subprograma de seleccin de dimetro 109
Figura 38. Subprograma de prdidas de presin en la tubera de la
etapa de presin. 110
Figura 39. Subprograma de prdidas en accesorios 111
Figura 40. Subprograma de prdidas en la seccin de solo aire 112
Figura 41. Variables de entrada en el subprograma de diseo de ciclones. 116
Figura 42. Resuspensin de material primer clculo. 116
Figura 43. Primer clculo de geometra y prdidas de presin en el cicln 117
Figura 44. Resuspensin de material calculo definitivo 117
Figura 45. Calculo definitivo de la geometra del cicln. 118
Figura 46.Datos de entrada y clculo de porosidad con el material
ms pesado y de mayor tamao. 119
Figura 47. Resultados de la relacin msica con el dimetro supuesto en
succin. 121
Figura 48. Resultados de la relacin msica con el dimetro supuesto en
presin. 122
22
Figura 49. Datos de entrada para el clculo de prdidas de presin
en la etapa de succin parte uno 125
Figura 50. Datos de entrada para el clculo de prdidas
en la etapa de succin parte dos 125
Figura 51 Resultados de las prdidas de presin en tubera
en la etapa de succin. 126
Figura 52. Datos de entrada para el clculo de prdidas de
presin en la etapa de presin, camino 1 y 2, parte uno 128
Figura 53. Datos de entrada para el clculo de prdidas de presin
en la etapa de presin, camino 1, parte dos 128
Figura 54. Resultados de prdidas de presin en la etapa de
presin para el camino 1 lado izquierdo,
camino 2 lado derecho 129
Figura 55. Datos entrada para las prdidas en accesorios
en el camino 1 lado izquierdo y camino 2 lado derecho 130
Figura 56. Resultados de prdidas en accesorios para el camino 1 131
Figura 57. Resultados de prdidas en accesorios para el camino 2 131
Figura 58. Datos de entrada del clculo de las prdidas en la
seccin de solo aire. 132
Figura 59. Resultados de las cadas de presin en la seccin
de solo aire 133
23
Figura 60. Resultados de potencia requerida por el sistema
bajo las condiciones de diseo dadas. En el lado izquierdo
resultados del camino 1, lado derecho resultados del camino 2 133
Figura 61. Tipos de rotor de vlvula rotativa. 136
Figura 62. Aspas de vlvula dosificadora. 137
Figura 63. Rodamientos sobre la carcasa. 138
Figura 64. Juego de poleas 140
Figura 65. Vlvula dosificadora. 140
Figura 66. Vlvula de desvo. 141
Figura 67. Soplador. 141
Figura 68. Transportador neumtico 142
Figura 69. Direccionador de flujo 144
Figura 70. Boquilla de succin doble 145
Figura 71. Detalle de las perforaciones en la boquilla exterior 145
Figura 72. Material depositado en la base del acople al cicln 146
Figura 73. Pared inclinada en el acople al cicln 146
Figura 74. Vlvula dosificadora con excesiva holgura entre aspas y carcasa 147
Figura 75. Cereales utilizados en las pruebas del transportador. 148
Figura 76. Filtro obstruido parcialmente. 151
Figura 77. Fenmenos observados. 152
24
LISTA DE TABLAS
Pg
Tabla 1. Presin de trabajo aproximada de diversos
dispositivos de dosificacin 54
Tabla 2. Eficiencia de remocin de las familias de ciclones 65
Tabla 3. Caractersticas de los ciclones de alta eficiencia 66
Tabla 4. Caractersticas de los ciclones de alta capacidad 67
Tabla 5. Caracteristicas de los ciclones convencionales 68
Tabla 6. Parmetros y valores recomendados de diseo
para ciclones. 72
Tabla 7. Ecuaciones del mtodo analtico 75
Tabla 8. Ecuaciones del mtodo de Fischer 77
Tabla 9. Ecuaciones del mtodo emprico 80
Tabla 10. Datos de pruebas del transportador en etapa de presin. 149
Tabla 11. Datos pruebas del transportador en etapa de succin. 150
25
LISTA DE ANEXOS
Pg
Anexo A. Propiedades de los cereales para el transporte neumtico 160
Anexo B. Prcticas de laboratorio 161
Anexo C. Manual de seguridad y uso del transportador neumtico 171
Anexo D. Cdigo de programacin en MATLAB 175
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GLOSARIO
CICLON: Elemento separador de partculas slidas del aire u otro gas.
FLUIDIZACIN: Proceso mediante el cual una corriente de aire atraviesa las partculas slidas y stas se comportan como un fluido.
TRANSPORTE NEUMTICO: Es el movimiento de partculas slidas mediante una corriente de aire u otro gas.
RESUSPENSIN: Es el fenmeno causado por el ingreso de aire a travs de la vlvula dosificadora y que mantiene el material en flotacin, impidiendo su
transporte.
VLVULA DOSIFICADORA: Es un elemento mecnico que regula la cantidad de material que ingresa a la tubera de transporte.
VELOCIDAD DE FLOTACIN: Es la velocidad del gas a la cul un material permanece completamente suspendido, velocidades superiores a ste valor
implican transporte neumtico.
VRTICE: Torbellino de aire o de aire y material que se forma en el interior de un cicln.
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TTULO: DISEO Y CONSTRUCCIN DE SISTEMA DE TRANSPORTE
NEUMTICO MIXTO DE DOS ETAPAS PARA CEREALES*
AUTORES: Juan Pablo Vega Triana
Carlos Eduardo Araque Manrique**
PALABRAS CLAVES: Transporte Neumtico, Fluidizacin, Fase Densa, Fase Diluida, Vlvula dosificadora, Ciclones
DESCRIPCIN:
Este documento contiene informacin general sobre el transporte neumtico, especialmente el de cereales. Presenta diversos mtodos de clculo de condiciones de tubera, as como un programa realizado en el software computacional MATLAB, que con una interfaz en GUIDE permite al usuario calcular diversos sistemas de transporte neumtico, brindndole las dimensiones geomtricas y perdidas de presin en los diferentes dispositivos del equipo como los separadores ciclnicos, tubera y accesorios, tambin calcula la potencia consumida por el soplador. Es una valiosa herramienta para determinar las condiciones de operacin de los transportadores neumticos.
Tambin contiene informacin sobre el proceso de diseo de un transportador neumtico a escala, para transportar diversos tipos de cereales. El equipo permitir la realizacin de pruebas de laboratorio para analizar las propiedades de varios materiales y la observacin de diversos fenmenos fsicos como la fluidizacin y la creacin de vrtices al interior de los separadores ciclnicos, tambin permite reconocer el tipo de flujo, en fase densa y diluida, este es un elemento importante para el diseo e investigacin de transportadores neumticos, porque la potencia y las prdidas de presin estn fuertemente influenciadas por este factor.
Mediante la construccin del modelo se espera incrementar el desarrollo intelectual e investigativo de los estudiantes de ingeniera mecnica en el rea de diseo de maquinas; con la ayuda de manuales de laboratorio brindamos una forma fcil de usar y aprovechar el equipo.
*Trabajo de grado. Modalidad Investigacin.
**Facultad de Ingenieras Fsico- Mecnicas. Ingeniera Mecnica. Ing, Gilberto Parra.
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TITLE: DESIGN AND CONSTRUCTION OF PNEUMATIC TWO STAGE
CONVEYING SYSTEM FOR CEREALS*
AUTHORS: Juan Pablo Vega Triana
Carlos Eduardo Araque Manrique**
KEYWORDS: Pneumatic Convey, Fluidization, Dense Phase, Dilute Phase, Rotative Valve, Cyclons.
DESCRIPTION:
This document contains general information about pneumatic convey, of cereals specially. Presents diverse calculate methods of piping conditions, also a program developed in the computational software MATLAB, whit an interface in GUIDE allow calculate various systems of pneumatic convey, giving the geometrical dimensions and pressure losses in the devices of the equipment has cyclonic separators, piping and accessories, also calculate the power consumed for the blower. It is a valuable tool to determine operation conditions of pneumatic conveyors.
Also contain information about the process of design of a pneumatic scale conveyor, to transport diverse kind of cereals. The equipment will allow the realization of laboratory test to analyze the properties of various materials, and the observation of vortex in the interior of cyclonic separators. Also allows recognize the type of flow, in dense and dilute phases, this is an important element for design and research of pneumatic conveyors, because the power and pressure losses are greatly influenced by this factors.
Whit the construction of the model we hope increase the intellectual and investigative development of the mechanical engineering students in the design of machines area; whit the help of laboratory manuals we give an easy way to use and enjoy the conveyor.
*Trabajo de grado. Modalidad Investigacin.
**Facultad de Ingenieras Fsico- Mecnicas. Ingeniera Mecnica. Ing, Gilberto Parra.
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INTRODUCCIN
El transporte neumtico es uno de los procesos ms interesantes para el
movimiento de material, involucra conceptos de mecnica de fluidos, dinmica y
diseo de mquinas entre otras reas de la ingeniera, en general los modelos
matemticos del proceso son bastante complejo, debido a que el transporte de
material mediante una corriente de gas genera interacciones entre las partculas
y stas son difciles de analizar debido a las colisiones entre ellas y contra la
tubera de transporte. Es por ello que continuamente se recurre a formulas
empricas o a parmetros encontrados experimentalmente para poder realizar
un diseo adecuado.
Mediante el diseo de un transportador neumtico, utilizando las ecuaciones
bsicas que rigen el proceso, trataremos de lograr un mayor entendimiento del
fenmeno. Tambin podremos brindar la posibilidad de que los estudiantes
aprecien la teora puesta en prctica generando una mayor interiorizacin de la
informacin, al igual que una motivacin adicional para continuar acrecentando
el conocimiento sobre el transporte neumtico.
El control de las variables y la forma como estas afectan un proceso es algo
que se puede experimentar fcilmente con un sistema fsico a escala que
confirme o invalide nuestras suposiciones; generando continuas interrogantes y
respuestas, y nos ayude a entender lo que sucede en la prctica, dejando de
lado las idealizaciones tericas.
El conocimiento del comportamiento real de este tipo de transportador, brindara
herramientas valiosas para realizar mejores diseos, que satisfagan de la forma
ms adecuada las necesidades especificas de movimiento de material; tambin
permite reconocer las caractersticas principales del sistema, resaltando las
cualidades y defectos que posee el transporte neumtico.
30
El diseo y construccin de un transportador neumtico permitir estudiar y
visualizar el transporte de materiales slidos a granel; tambin analizar cmo
los diferentes tipos de flujo en la tubera pueden afectar el transporte, y as
determinar los parmetros y variables ms importantes para el correcto diseo y
operacin de estos sistemas tales como la velocidad mnima de la mezcla aire-
solido y la cada de presin en la tubera entre otros.
31
1. OBJETIVOS
1.1. Objetivo General
Contribuir con la formacin integral de los estudiantes de ingeniera mecnica
de la universidad industrial de Santander, brindndoles la posibilidad de
interactuar y descubrir las caractersticas de un sistema de transporte
neumtico de cereales.
1.2 Objetivos Especficos
1. Realizar el modelo matemtico para un sistema de transporte neumtico. 2. Disear y construir un sistema de transporte neumtico mixto de dos
etapas para cereales.
Con las siguientes especificaciones del sistema:
Capacidad de transporte 200 Kg de cereal por hora. Dos configuraciones distintas en la lnea de transporte en la
etapa de presin.
Longitud de la lnea de transporte de la primera configuracin 75 centmetros horizontales y 30 centmetros verticales.
Longitud de la lnea de transporte de la segunda configuracin 95 centmetros horizontales y 30 centmetros verticales.
Para lo cual se deber:
a. Disear y construir el sistema de transporte neumtico que permita el movimiento del cereal desde la zona de carga hasta la de descarga.
Con las siguientes caractersticas:
32
Mecanismo de accionamiento por medio de un soplador elctrico de velocidad variable.
Medidores de presin en cada etapa del sistema. Secciones de tubera transparente (Acrlico). Carga de material por succin en la primera etapa. Movimiento de material por presin en la segunda etapa.
b. Disear y construir dos separadores ciclnicos. Con las siguientes caractersticas:
Sistema de dosificacin de material en la base del primero. Sistema de filtrado de aire en el segundo. Paredes laterales transparentes (Acrlico) en los dos ciclones.
3. Entregar Planos de construccin del sistema de transporte neumtico completo y de cada componente en el software SolidWorks.
4. Elaborar un manual de uso, prcticas de laboratorio y mantenimiento del transportador para el usuario.
33
2. GENERALIDADES DEL TRANSPORTE NEUMTICO
2.1 DEFINICIN DE TRANSPORTE NEUMTICO
El proceso de transporte neumtico de material consiste principalmente en
mover slidos, ya sean polvos o partculas granulares dentro de una tubera. El
movimiento del material se da por la combinacin de un diferencial de presin y
mediante una corriente de flujo de gas a presin.
Un transportador neumtico presenta algunas limitaciones debido a que no
puede transportar materiales hmedos (solo permite un nivel bajo de humedad)
ni que tengan tendencia a adherirse, ya que la tubera podra quedar obstruida
por el apelmazamiento del material, tambin est limitado su uso a materiales
con baja fragilidad y baja abrasividad debido a que el material puede romperse
al chocar con la tubera y con otras partculas, la abrasividad es un factor a
tener en cuenta especialmente en los codos, debido a que en stos elementos
puede darse un desgaste excesivo.
En general un transportador neumtico requiere ms potencia por peso de
material transportado que otras alternativas de transporte pero sus ventajas
pueden compensar sta deficiencia.
El transporte neumtico puede ser usado con una gran cantidad de productos,
como la arena, cemento, harina, productos qumicos y productos alimenticios
entre otros, debido a que el transporte se realiza mediante tuberas, es en
general un proceso bastante limpio tanto para el producto como para el
ambiente. Con las normas medioambientales actuales se convierte en una
alternativa importante en diversos procesos industriales, adems permite una
gran flexibilidad en los recorridos, cambios de direccin y una fcil
automatizacin lo que reduce los costos asociados al proceso de produccin.
34
Otra de las ventajas es que permite la descarga de material mediante sistemas
de vaco o aspiracin, lo que lo hace importante cuando se requiere descargar
material a granel de forma vertical como en el caso de barcos o vagones de tren
o cuando stos se encuentran apilados.
La cantidad de material que se puede transportar depende fundamentalmente
de dos factores; el primero es la cada de presin que se puede dar en la lnea
de transporte y el segundo es el dimetro de la tubera. Generalmente la cada
de presin depende de las caractersticas del elemento soplante, pero un buen
diseo debe jugar con la combinacin de ambos parmetros; no existe una
combinacin general que permita transportar todos los materiales de manera
satisfactoria, cada producto posee caractersticas especiales y la decisin final
a menudo se ve influenciada por factores indirectos, como son los costos
iniciales del transportador o los costos de produccin.
2.2 HISTORIA DEL TRANSPORTE NEUMTICO
El transporte neumtico es bastante antiguo, hace ms de cien aos se empez
su utilizacin, a pesar de ser un proceso muy comn, an existen gran cantidad
de cosas que ignoramos, la mayor parte de los diseos se realizan usando la
experiencia obtenida mediante prueba y error por investigadores o mediante
relaciones encontradas con la observacin del proceso, se han dado grandes
pasos en el entendimiento del movimiento de material, hoy en da los esfuerzos
estn enfocados en encontrar formas de transportar mayor cantidad de
materiales en fase densa, debido a las ventajas que presenta ste tipo de
transporte, los avances en metalurgia y nuevos materiales tambin permiten
disminuir la degradacin de la tubera de transporte.
Hoy en da el transporte neumtico est altamente difundido entre las
industrias, se puede encontrar en puertos, minera, industrias qumica y
35
farmacutica, plantas de produccin de elementos plsticos, vidrios entre
muchas otras.
Figura 1. Transportador neumtico industrial
Debido a que el transporte se realiza en sistemas cerrados la poca
contaminacin del producto con el medio y viceversa han contribuido a la
expansin de los sistemas de ste tipo en todo el mundo.
2.3 UTILIZACIN DE TRANSPORTADORES NEUMATICOS PARA
TRANSPORTE DE CEREALES
Los sectores agropecuarios representan un gran campo de aplicacin para el
transporte neumtico, ya que ste presenta caractersticas de higiene,
flexibilidad, precisin, seguridad y confiabilidad; es tambin adaptable a cualquier necesidad en cuanto a capacidad y longitud, lo que simplifica
notablemente el traslado de productos entre sectores de produccin. Ests
caractersticas lo convierten en uno de los medios ms eficaces para el
transporte de diversos productos agrcolas como cereales, lo cual vislumbra un
futuro de amplia expansin de sta forma de transporte.
36
Una de las razones primordiales de la utilizacin de un transportador neumtico
para cereales es su capacidad para aspirar el material sin la necesidad de una
diferencia de alturas o un deposito contenedor, sumado a ello el transporte por
el interior de una tubera disminuye la contaminacin que absorben los cereales
si se compara con los que son expuestos directamente al medio ambiente, esto
lo hace muy til aun en sitios con un alto nivel de contaminacin, ya que el
transito desde la zona de carga hasta la de descarga se hace sin tener contacto
con el medio que lo rodea.
2.4 PROPIEDADES DE LOS CEREALES PARA EL TRANSPORTE
NEUMTICO
Cuando se desea transportar neumticamente un material se deben analizar
varias propiedades de los mismos, entre ellas el grado de abrasividad, ya que si
ste es demasiado alto se tendr un desgaste prematuro de la tubera de
transporte y de los dems componentes del sistema, tambin es importante
revisar su tendencia a pegarse, entre partculas y con las superficies, ya que se
puede generar taponamiento de la tubera y un consumo excesivo de potencia,
el material para el transporte neumtico debe estar relativamente seco, y
poseer poca fragilidad si se desea que mantenga su integridad a lo largo del
recorrido, ya que la friccin y los impactos son permanentes.
Figura 2. Tubera desgastada por el paso de material
37
En general los cereales poseen propiedades que los hacen fciles de
transportar neumticamente (Ver Anexo A), son algunos de los materiales ms
comunes en ste tipo de transporte, debido a que al realizarse en tuberas
cerradas impiden el flujo de partculas contaminantes desde y hacia el medio
que rodea los cereales, esto es fundamental con materiales que normalmente
sern utilizados para el consumo humano.
38
3. PROCESO DE TRANSPORTE NEUMTICO
3.1 FLUIDIZACIN
Es el proceso que hace posible el transporte neumtico; dependiendo del grado
de fluidizacin que se logre con el material podemos tener diversos tipos de
transporte, ya sea denso o diluido, el consumo de potencia y desgaste de los
elementos del transportador estn fuertemente asociados a ste concepto.
Se puede definir como la operacin por la cul las partculas slidas son
transformadas en un estado fluido a travs del contacto con un gas o lquido.
Este mtodo de contacto posee varias caractersticas inusuales, una correcta
aplicacin de los procesos de fluidizacin permite el aprovechamiento del
comportamiento de los materiales para realizar su transporte u otro tipo de
procesos industriales.
Si se tiene una cama de partculas slidas finas, un caudal pequeo de fluido
pasa a travs de los espacios vacos, esto se conoce como lecho fijo. Con un
incremento en el caudal, las partculas se separan y algunas vibran y se
mueven en determinadas regiones; esto se conoce como lecho expandido.
A una velocidad an ms alta, se alcanza un punto en el cul todas las
partculas son suspendidas en el fluido ascendente, en ste momento la fuerza
de friccin entre una partcula y el fluido contrarresta el peso de la partcula, la
componente vertical de la fuerza de compresin entre partculas adyacentes
desaparece. Se considera entonces que se ha alcanzado el estado de
fluidizacin incipiente o mnima fluidizacin.
Un incremento en el caudal resulta en un estado de expansin progresiva del
lecho, no se observa un burbujeo a gran escala, y toda la mezcla es
39
aproximadamente homognea, esto se conoce como fluidizacin particulada o
uniforme.
Con flujos ms altos la agitacin de las partculas se torna violenta y el
movimiento es ms vigoroso, el lecho no se expande mucho ms all del nivel
de mnima fluidizacin, se presenta entonces una fluidizacin agregativa o
burbujeante. Dependiendo de la geometra del recipiente, las burbujas pueden
presentar el fenmeno de empaquetamiento, en el cul su tamao es tal que
puede alcanzar las paredes, despus de eso la porcin de lecho por encima de
la burbuja es empujada hacia arriba como por un pistn. Las partculas luego
caen y la burbuja se desintegra, formando un movimiento oscilatorio que se
repite, ste empuje puede ser aprovechado para realizar transporte de material
en fase densa.
Hasta ste punto todas las mezclas slido-fluido se consideran fase densa
porque existe un lmite superior del lecho claramente definido. Si el flujo tiene
una velocidad suficientemente alta, la velocidad de arrastre de las partculas
ser excedida y los slidos sern transportados con la corriente, en se punto
se tiene una fluidizacin, en fase diluida y con transporte de material.
Figura 3. Proceso de fluidizacin.
40
3.2 TIPOS DE TRANSPORTE NEUMATICO
An no existe un consenso general para decidir cuando se presenta transporte en
fase densa y fase diluida, en general se recurre a observaciones y descripcin de
dichas observaciones para determinar el tipo de transporte que se est
presentando.
Existen algunos valores generales de algunas caractersticas del transportador
neumtico como son la velocidad de gas o el nivel de presin que pueden indicar
fase densa o fase diluida pero stos valores dependen de la bibliografa que se
analiza. Otros autores simplemente definen su concepto de fase densa y fase
diluida, no existe un lmite claramente visible para pasar un tipo de transporte a
otro, algunas veces se recurre a dos conceptos para diferenciarlos; la velocidad
de choking que es la velocidad lmite entre los 2 tipos de transporte, velocidades
por encima de su valor indican transporte en fase diluida y valores inferiores
transporte en fase densa; se define como:
(3.2.1)
Donde: Fraccin de vaci en la tubera a la velocidad de choking
Flujo msico de slidos por unidad de rea=
Densidad del slido
Velocidad terminal o de flotacin de la partcula
= Flujo msico de slidos
La velocidad de choking slo es vlida para transporte vertical. Para el
transporte horizontal se defini de forma anloga la velocidad de saltacin, sta
velocidad se define como:
41
(3.2.2)
Donde: 1440* X+1.96
1100*X+2.5
X = Tamao de la partcula
Dimetro de la tubera
Densidad del gas
Aceleracin gravitacional.
Las anteriores definiciones no son universalmente aceptadas es por eso que
muchas veces se dice que todo lo que no sea claramente fase densa es fase
diluida o viceversa. La figura 4 presenta la evolucin desde flujo altamente diluido
hasta descender a transporte en fase densa con acumulacin de material en la
base de la tubera.
Figura 4. Patrones de flujo en tubera de transporte horizontal
42
3.2.1 TRANSPORTE EN FASE DILUDA
Casi cualquier material puede ser transportado de sta forma, en general se
trata de partculas totalmente suspendidas en el fluido de transporte, es decir no
existe acumulacin en la zona inferior de la lnea de transporte, se puede
transportar de sta forma en sistemas de presin, vaco o combinados. En
general un material que puede ser transportado en fase densa, tambin lo har
en fase diluida y para ello generalmente se requiere solamente un aumento de
la velocidad del gas.
Se requieren grandes volmenes de aire; el arrastre producido mantiene el
slido en suspensin al interior de la corriente, el gasto energtico es
importante por la necesidad de un suministro continuo de gran cantidad de
fluido. Dependiendo de las caractersticas de abrasividad del material se
pueden presentar inconvenientes de desgaste excesivo en la tubera. Debido a
la gran cantidad de aire disponible para el transporte y su alta velocidad permite
un flujo continuo de gran cantidad de material.
Figura 5. Transporte en fase diluda
3.2.2 TRANSPORTE EN FASE DENSA
A menudo es llamado flujo no suspendido, como su nombre lo indica el material
no est completamente suspendido en la corriente de aire. Se puede presentar
de varias formas, como ondulaciones de material o como paquetes de material
separados por una zona de aire, aunque existen muchos puntos intermedios en
que se presentan combinaciones de ambas. En general si en una tubera
horizontal existe acumulacin de material en la parte inferior o no se observa un
43
transporte diluido homogneo del material estamos frente a un sistema de tipo
denso. Por sta razn algunos autores simplemente expresan que si no se tiene
una fase diluida claramente identificable entonces estamos ante fase densa.
El volumen de aire requerido es bastante menor que en fase diluida, el solido se
transporta por empuje haciendo paquetes, para ello se requiere un menor flujo
de aire pero una mayor presin. La energa requerida es menor, al igual que el
desgaste en la tubera, es recomendable cuando el material transportado es
abrasivo, se pueden generar taponamientos debido a que el material crea una
capa sobre la superficie inferior de la tubera, lo que restringe el flujo.
Figura 6. Transporte en fase densa
44
4. CLASIFICACIN DE LOS TRANSPORTADORES NEUMTICOS
Dependiendo de las necesidades del proceso de transporte se puede poseer un
transporte por succin (vaco), por presin o por una combinacin de ambos.
Existe otro tipo de transporte en fase densa que se da con un equipo especial
llamado tanque de soplado o de presin que enva porciones de material
presurizado a travs de la tubera, el transporte es intermitente. El siguiente
diagrama representa las diversas combinaciones posibles y las caractersticas
de cada tipo de transportador seleccionado.
Figura 7. Sistemas de transporte disponible para transporte neumtico
4.1 TRANSPORTADORES POR SUCCIN
El transporte por succin generalmente se usa para arrastrar material desde
diversas fuentes hacia un punto comn; si existe poca o nula diferencia de
presin en los puntos de carga del material no existen problemas al utilizar sta
opcin, el elemento dosificador del producto que entra al sistema es muy
simple, si se compara con su similar de presin positiva.
Una ventaja de stos sistemas es que el aire y las posibles fugas de gas se dan
desde el exterior del sistema hacia el interior del mismo, por sta razn el
impacto por contaminacin de las partculas de polvo al ambiente es
45
prcticamente nulo. Esta caracterstica es fundamental cuando se trabaja con
materiales txicos o peligrosos.
Cuando se desea transportar material apilado o de depsitos abiertos como
barcos, el sistema de succin es la mejor opcin, tambin lo es cuando se
realizan labores de limpieza.
Debido a que el aire succionado por la unidad de potencia atraviesa el cuerpo
de la misma, es importante que se realice un filtrado riguroso de la corriente de
gas para evitar daos a la unidad.
Se debe prestar especial atencin a lo siguientes detalles:
1) Cuando se transporta de forma continua, el material depositado en el
recipiente de almacenamiento debe ser retirado continuamente, esto se hace
generalmente mediante una vlvula dosificadora en la base del mismo. Se
pueden presentar problemas debido a que el aire que entra a la unidad de
potencia puede ser obtenido a travs de las fugas en sta vlvula y no del sitio
donde se encuentra el material a transportar
2) El recipiente de almacenamiento debe ser diseado para lidiar con el vaco
del sistema.
3) Debido a que el aire succionado por la unidad de potencia atraviesa el
cuerpo de la misma, es importante que se realice un filtrado riguroso de la
corriente de gas para evitar daos a la unidad.
Las figuras 8 y 9 representan las configuraciones ms comunes para l sistema
de transporte neumtico por succin, el primero permite transportar desde
diversos puntos a un sitio comn, el segundo posee una manguera flexible que
permite alcanzar lugares complicados y llevar el material hasta un separador.
46
Figura 8. Transporte por succin desde almacenes abiertos
4.2 TRANSPORTADORES POR PRESIN
El transporte por presin permite transportar desde un punto a mltiples puntos
mediante la adicin de vlvulas de desvo en la tubera.
En general el material puede ingresar al sistema directamente desde una tolva
o recipiente de almacenamiento hacia la tubera de transporte mediante la
accin de la presin atmosfrica y la fuerza de gravedad, pero comnmente se
utilizan sistemas de dosificacin en la base del recipiente para poder controlar
la cantidad de material que ingresa al sistema, se debe tener cuidado al utilizar
vlvulas rotativas como sistemas de dosificacin debido a que se pueden
presentar fugas de aire considerables a travs de ellas.
47
Figura 9. Configuracin tpica de transporte por presin
4.3 TRANSPORTADORES COMBINADOS
Poseen las caractersticas de ambos sistemas, se logra aumentar la distancia de
transporte que se lograra si solamente se tuviera el sistema de vaco. Permiten
cargar el material desde mltiples fuentes y hacia mltiples destinos.
Pueden funcionar con una sola unidad de potencia pero en ste caso se debe
tener en cuenta que la diferencia de presin total del sistema (seccin de vaco+
seccin de presin) debe ser lograda con el mismo elemento. En el caso de que
no sea posible realizar el proceso con una sola unidad, se usan dos, la primera
ubicada al final de la etapa de succin y la segunda al inicio de la zona de presin
Se debe poseer un sistema de filtrado al final de cada etapa para evitar daos
internos a la unidad propulsora y envo de material a la atmsfera.
Adicionalmente es fundamental que el tamao de la tubera en cada etapa del
proceso sea cuidadosamente escogida debido a que las condiciones de presin y
de cantidad de material (cuando se cuenta con dosificacin al final de la primera
etapa) pueden ser muy diferentes.
48
Figura 10. Transportador neumtico combinado
49
5. ELEMENTOS DE UN TRANSPORTADOR NEUMTICO
Los transportadores neumticos son en general bastante simples, poseen pocas
partes en movimiento y son ampliamente recomendados para transporte de
granos o polvos, sus partes principales son: una fuente de gas comprimido,
(generalmente aire) un elemento dosificador de material, una tubera de
transporte y un elemento separador de la mezcla solido-fluido, tambin puede
existir un sistema de filtrado, cuando las condiciones lo requieran. De igual forma,
si el sistema lo requiere se pueden utilizar vlvulas de desvo para cambiar los
recorridos del material y sus sitios de carga y descarga.
5.1 FUENTES DE AIRE
5.1.1 GENERALIDADES
La fuente de aire para un transportador neumtico es el corazn del sistema. Es a
menudo una de las decisiones ms importantes a tomar. Se debe ser cuidadoso
con la eleccin cuando se realiza un diseo debido a que por lo general ste
elemento es el de mayor costo y la capacidad potencial de transporte depende
directamente de stos elementos, al igual que la mayor parte de la potencia
consumida.
Los requerimientos de presin estn fuertemente influenciados por la distancia de
transporte, para largas distancias a menudo se utilizan varias unidades ubicadas
a intervalos en la tubera; de sta forma se evita tener un equipo nico
voluminoso y poco rentable cundo se desea disminuir la cantidad de material.
Los accesorios que posee el sistema son otra fuente importante de cadas de
presin. Las vlvulas dosificadoras, los codos y las tuberas de dimetro reducido
generan un componente importante de los requerimientos de presin que debe
suplir la unidad.
50
Las necesidades de gas dependen fundamentalmente de la cantidad de material
a transportar, el dimetro de la tubera y de la relacin msica de material y fluido
escogida. Un aumento en los parmetros anteriores implica mayores caudales de
aire, la unidad debe ser capaz de proveer el volumen de aire requerido para el
funcionamiento adecuado del sistema. Existe una gran variedad de unidades de
movimiento de aire por lo que se puede satisfacer de manera adecuada
prcticamente cualquier necesidad.
Figura 11. Tipos de unidades de movimiento de aire
5.1.2 TIPOS DE ELEMENTOS SOPLANTES
Los dispositivos ms comunes son los ventiladores, sopladores y compresores.
5.1.2.* VENTILADOR
Generan altos caudales de fluido a baja presin, generalmente son usados en
sistemas de fase diluida y de poca longitud, su uso se da en sistemas con pocas
posibilidades de obstruccin de la tubera. Pueden ser usados en sistemas mixtos
de presin y vaco, especialmente con materiales ligeros y con poca adherencia.
51
El aumento en la rata de material transportado se puede dar incrementando el
dimetro de la tubera, pero esto implica un mayor caudal de aire requerido.
Presenta la desventaja de una curva caracterstica casi plana, que permite una
gran variacin del caudal entregado debido a los requerimientos de presin del
sistema, lo anterior puede generar inconvenientes cuando se presenta
acumulacin de material y en consecuencia una mayor cada de presin, en ste
caso es probable que el flujo de aire suministrado no sea suficiente para
mantener suspendido el material y se obstruya la tubera.
Figura 12. Curva caracterstica de un ventilador
5.1.2.* SOPLADOR
Son usados ampliamente en sistemas con cadas de presin inferiores a 1 bar,
son probablemente los equipos ms utilizados en sistemas de fase diluida, ya que
permiten niveles medios de caudal y presin. Pueden ser utilizados en sistemas
mixtos, y su curva caracterstica indica que tienen poca variacin en el caudal
entregado independientemente de los requerimientos de presin, esto hace que
las obstrucciones en la tubera ocasionadas por el material depositado debido a
disminucin en el caudal de aire son menos probables que con el uso de
ventiladores.
52
Figura 13. Curva caracterstica de un soplador
5.1.2.* COMPRESOR
Existe gran variedad de equipos de ste tipo, en general permiten tener niveles
medios o altos de presin y un caudal elevado de aire (una sola unidad puede
generar presiones de 60 PSI o superiores y caudales de 3000 Pies^3/min), se
utilizan en sistemas de trabajo pesado; puede presentar inconvenientes debido a
que en algunos tipos el flujo es altamente pulsante y variable como se muestra en
la figura 14.
Figura 14. Caractersticas de variacin de presin y caudal de diversos
compresores
53
5.2 SISTEMAS DE DOSIFICACIN DE MATERIAL
5.2.1 GENERALIDADES
En general un dosificador introduce un material prcticamente estacionario a
corrientes de gas a alta velocidad, ya sean presurizadas o en vaco. Es el
elemento individual que ms contribuye con la cada de presin del sistema, esto
se debe principalmente a un intercambio de momento del fluido a las partculas
junto con una gran cantidad de turbulencia en la mezcla solido-fluido en la zona
de alimentacin, por sta razn deben ser cuidadosamente seleccionados
buscando minimizar las prdidas de ste tipo.
Los sistemas de dosificacin de material son muy importantes porque permiten
controlar la relacin msica de material a transportar por un volumen determinado
de aire, de sta forma se puede cambiar la potencia requerida por el
transportador o el tipo de transporte, que puede pasar de fase densa a diluida y
viceversa.
En sistemas combinados pueden funcionar como separadores entre las etapas
del transportador, donde funcionan como sellos o como dosificadores para el
empaque del producto transportado al final de la etapa, generalmente se ubican
en la base de los separadores o de los elementos de almacenamiento de
material.
Dependiendo de la presin de trabajo del sistema se selecciona el sistema de
dosificacin ms conveniente como muestra la tabla 1.
54
Tabla 1. Presin de trabajo aproximada de diversos dispositivos de dosificacin
5.2.2 TIPOS DE DOSIFICADORES
Dependiendo de las necesidades se tienen mltiples opciones de dosificacin, de
tornillo, vlvulas rotativas, venturi, boquillas de succin entre otros.
5.2.2.* VENTURI
Es el sistema ms simple, la dosificacin se da como consecuencia de la cada
de presin provocada por la corriente de aire que al atravesar la garganta del
dispositivo crea una zona de presin negativa que permite la entrada del material.
Est limitado a distancias cortas y baja cantidad de material.
Figura 15. Venturi para dosificacin de material
55
5.2.2.* BOQUILLA DE SUCCIN
Mecnicamente es un sistema bastante simple que se usa en sistemas de vaco,
consiste de 2 tubos concntricos, el interno est conectado directamente a la
lnea de transporte, el externo de un dimetro poco mayor posee la parte inferior
abierta y la parte superior cubierta pero con perforaciones que permiten el paso
de aire hacia el tubo interno. Mediante el deslizamiento del elemento externo
sobre el interno se modifica la forma y la cantidad de material que es
transportado.
Debido al suministro de aire a travs del espacio entre los tubos se evita el
atascamiento de material en la punta de la boquilla, es muy til en labores de
limpieza debido a que permite una gran versatilidad, sobre todo si se monta el
tubo externo sobre una tubera flexible.
Figura 16. Boquilla de succin
56
Figura 17. Aplicacin de boquilla de succin
5.2.2.* TORNILLO
El dosificador de tornillo puede ser usado en sistemas de presin o vaco.
Mediante la rotacin de un tornillo logra introducir material en la lnea de
transporte; un elemento de desplazamiento positivo que logra variar la cantidad
de material transportado mediante la variacin de su velocidad de rotacin.
Puede presentar problemas de fugas de aire a travs de su carcasa
especialmente en sistemas de presin.
Figura 18. Dosificadora de tornillo
57
5.2.2.* VALVULA ROTATIVA
Es el elemento de dosificacin ms utilizado, puede funcionar en sistemas de
presin o vaco, en niveles bajos, medios o de alta presin; en muchos casos se
utiliza como sello de aire entre las diferentes etapas del transportador.
Est compuesto por un rotor con paletas ubicadas longitudinalmente y que crean
espacios o bolsillos que al ser llenados por el material y debido a la rotacin del
eje es depositado en la zona inferior por accin de la fuerza de gravedad. El rotor
est encerrado en una carcasa y el material es transportado entre el eje, las
paletas y la carcasa; mediante la variacin de la velocidad del eje motriz se puede
alterar la cantidad de material dosificado en la lnea de transporte.
Figura 19. Vlvula dosificadora
Debido a los espacios entre las paletas y a la diferencia de presin entre las
partes superior e inferior de la vlvula se puede generar una corriente de aire
ascendente, que puede generar perdidas considerables de fluido y resuspensin
del material, es decir flotacin del mismo sin permitir la entrada a la vlvula, por
sta razn se puede optar por diseos alternativos que tienen sus puertos de
entrada y salida desalineados o perpendiculares las aspas al flujo de material
58
como se muestra en la figura 20, de sta forma se busca que sea ms difcil el
paso de aire; tambin se puede dirigir el aire que entra hacia lugares externos y
que no impidan el llenado como se muestra en la figura 21.
Figura 20. Diseos alternativos de vlvulas rotativas. a) Puertos desalineados
b) Aspas perpendiculares al flujo
Figura 21. Opciones de ventear vlvulas rotativas. a) A travs del cicln. b) Por la
carcasa y dirigida a la salida de aire del cicln. c) Por el puerto de entrada.
59
Con las vlvulas rotativas se debe prestar atencin al tiempo de llenado de los
bolsillos, ya que ste puede ser bastante pequeo si se tiene en cuenta que stos
dispositivos tienen una velocidad de rotacin entre 20 y 60 revoluciones por
minuto, si el nmero de paletas es muy grande es probable que no se tenga un
llenado adecuado, pues el material no tendr tiempo de fluir ni hacia el interior ni
hacia el exterior, la figura 22 muestra la relacin entre la cantidad de material
dosificado y las revoluciones de la vlvula.
Figura 22. Relacin entre cantidad de material y revoluciones de la vlvula
rotativa
5.3 VALVULAS DE DESVO
Las vlvulas de desvo son elementos mecnicos que se encargan de cambiar la
trayectoria del material transportado en la corriente de gas mediante la alineacin
de la tubera de entrada con diversos puertos como lo muestra la figura 23
60
Figura 23. Vlvula de desvo
Existen mltiples configuraciones de vlvulas de desvo, existen diseos con
accionamiento manual o automtico, normalmente con elementos neumticos,
ste tipo de vlvulas permiten la carga y descarga de material desde y hacia
distintos recipientes de almacenamiento.
Permiten tambin la automatizacin del proceso de transporte si poseen
accionamiento mecnico. Las vlvulas de desvo son uno de los componentes
mecnicos que le brindan mayor versatilidad a un transportador neumtico, pues
permiten cambios de direccin progresivos, sin generar las cadas de presin
elevadas que un codo estndar puede presentar y a diferencia de stos puede
rotar sobre su eje para brindar rutas alternas.
5.4 SEPARADORES CICLNICOS
Los separadores ciclnicos (a menudo llamados simplemente ciclones) son
equipos utilizados para realizar la separacin de material slido que se
encuentra suspendido en una corriente de gas, son altamente efectivos
especialmente con partculas mayores a 10 micrmetros, aunque existen
diseos especiales que pueden desempearse satisfactoriamente con
61
partculas de hasta 200 micrmetros; tambin pueden ser usados con niebla, es
decir pequeas cantidades de agua en una corriente de gas.
Sus aplicaciones tpicas son el control de la contaminacin del aire ocasionado
por diversas fuentes como plantas de generacin de electricidad a base de
combustibles fsiles, hornos, incineradores y aplicaciones agroindustriales en
general.
Constituyen uno de los mtodos de separacin ms econmicos, no cuentan
con partes mviles y los materiales para su construccin pueden ser bastante
econmicos.
5.4.1 GENERALIDADES
Un cicln est formado bsicamente por un cilindro vertical con fondo cnico,
una entrada tangencial normalmente cuadrada, un ducto en la parte superior
que se encarga de retirar el aire limpio y otro inferior que extrae el material
slido previamente separado.
Figura 24. Geometria del separador ciclnico
62
Figura 25. Definicin de parmetros geomtricos del separador ciclnico
Su principio de funcionamiento es el de impactacin inercial, generado por la
fuerza centrfuga; las partculas solidas viajan en la corriente de gas y entran
tangencialmente al cicln, donde chocan con las paredes del mismo, por sta
razn se recomienda un puerto de entrada cuadrado y que sea ms alto que
ancho, de sta forma se garantiza un incremento en la superficie tangencial,
esto brinda una mayor eficiencia de separacin.
63
Figura 26. Principio de funcionamiento de un separador ciclonico
(Impactacin inercial)
Luego de que la mezcla gas-solido entra al cicln se presenta un doble vrtice,
uno exterior formado por la corriente de gas que entra al cicln, las partculas
solidas, debido a su inercia tienden a moverse hacia la periferia del equipo
alejndose de la entrada del gas y acumulndose en la base cnica. El segundo
vrtice es creado por el gas luego de que alcanza la base del cicln para luego
ascender por la zona central describiendo una hlice.
Figura 27. Generacion de vortices de aire y partculas.
64
Bsicamente los ciclones se comportan como cmaras de sedimentacin, pero
son ms eficientes que stas debido a que no utilizan la fuerza gravitacional
para lograr la separacin sino la fuerza centrfuga. Debido a que la fuerza
centrfuga depende de la velocidad del gas y del radio de giro es posible que
sta fuerza sea mucho mayor que la gravitacional; la mayor parte de la
recoleccin se da en la zona cnica debido a la reduccin en el radio de giro.
Se podra pensar que si se aumenta la velocidad de entrada al cicln se tendra
una mayor eficiencia de separacin pero esto no es cierto debido a la
resustentacin del material; cuando la velocidad del gas es demasiado alta es
posible que en el fondo del cicln parte del material sea arrastrado por el vrtice
interno que sale del cicln; esto entorpece la separacin y salida de material por
la parte inferior del cicln, en general se recomienda que la velocidad de
entrada debe estar entre 15,2 m/s y 27,4 m/s, se recomienda disear para
velocidades de 22 m/s. El incremento de la velocidad por encima de los valores
recomendados implica un mayor gasto de energa ocasionado por una cada de
presin ms alta y una eficiencia de recoleccin menor.
Aunque un cambio en las condiciones de operacin genera una variacin en la
eficiencia del cicln, el factor que ms influye es el dimetro del mismo. Un
cicln de dimetro ms pequeo a una cada de presin fija es ms eficiente,
pero a menudo se requiere utilizar varias unidades en paralelo para lograr la
capacidad requerida.
5.4.2 FAMILIAS DE SEPARADORES CICLNICOS
Los ciclones de entrada tangencial pueden ser clasificados en 3 grandes
familias o tipos que tienen caractersticas definidas; ciclones de alta eficiencia,
ciclones de alta capacidad y ciclones convencionales.
65
La tabla 2 presenta los valores de eficiencia de separacin estndar es decir
partculas de un tamao superior a 10 micrmetros, para partculas de 10
micrmetros y de 2,5 micrmetros para cada familia.
Tabla 2. Eficiencia de remocin de las familias de ciclones
5.4.2.* FAMILIA DE CICLONES DE ALTA EFICIENCIA
Los ciclones de alta eficiencia estn diseados para separar adecuadamente
partculas de 5 micrmetros con una eficiencia cercana al 90%. Los diseos de
ste tipo presentan cadas de presin grandes, por lo que el consumo de
energa es elevado, en general stos equipos se disean teniendo en cuenta la
cada de presin mxima permisible.
Los parmetros que definen las dimensiones del cicln para cada tipo de esta
familia, estn definidos en la tabla 3.
66
Tabla 3. Caractersticas de los ciclones de alta eficiencia
5.4.2.* FAMILIA DE CICLONES DE ALTA CAPACIDAD
Los ciclones de alta capacidad estn diseados para partculas de ms de 20
micrmetros aunque es posible que con partculas ms pequeas se presente
algn grado de separacin.
En la siguiente tabla se encuentra las correlaciones que identifican la geometra
y caractersticas de la familia de ciclones de alta capacidad, y para cada tipo en
esta familia.
67
Tabla 4. Caracteristicas de los ciclones de alta capacidad
5.4.2.* FAMILIA DE CICLONES CONVENCIONALES
Los ciclones convencionales se encuentran en una gran cantidad de tamaos,
la entrada al equipo puede ser rectangular o circular. Sirven para la separacin
de partculas ms grandes, la cada de presin no es tan elevada y en general
poseen una buena eficiencia de separacin para la mayora de las
aplicaciones, de acuerdo a su disposicin geomtrica se pueden tener las
siguientes configuraciones.
68
Figura 28.Tipos de ciclones. a) Entrada tangencial y descarga axial; b)
Entrada tangencial y descarga perifrica;
c) Entrada y descargas axiales; d) Entrada axial y descarga perifrica
Los parmetros que definen las dimensiones y caractersticas de cada tipo de
cicln dentro de la familia convencional estn definidos en la siguiente tabla 5.
Tabla 5. Caracteristicas de los ciclones convencionales
69
5.4.3 CONSIDERACIONES DE DISEO DE CICLONES
El comportamiento de los diferentes tipos de ciclones dependen esencialmente
de dos variables, la velocidad del gas en la entrada del cicln y el tamao de la
partcula, a partir de estas dos variables escogemos la familia de ciclones que
mejor se adapte a las condiciones de proceso.
En nuestro diseo especfico se necesita separar cereales en donde el grano de
menor tamao es de 4480 micrmetros y el de mayor tamao es de 10030
micrmetros viendo esto y comparando con la tabla 2, es claro que el tipo de
partcula a mover entrara en la columna de partcula estndar (PST), que me
identifica un tamao de partcula mayor a 10 micrmetros.
Al tener partculas de gran tamao los separadores ciclnicos que mejor se
comportan para este tipo de material son los de la familia convencional, de esta
familia seleccionaremos los ciclones con entrada tangencial y salida axial tipo
ZENZ.
Teniendo las correlaciones que me identifican las dimensiones geomtricas del
cicln en la tabla 5, diseo el cicln.
Para el clculo del dimetro del cicln se identifican los datos de entrada de
diseo: Primero la capacidad de separacin deseada, segundo la densidad del
gas o vehculo de transporte, tercero la velocidad de entrada del gas en el
cicln que est en el intervalo de 15.2 a 27.4 m/s y cuarto el tamao de la
partcula a separar.
Calculo de las dimensiones del cicln convencional tipo Zenz:
1. Calculo del caudal de gas que entra al cicln de forma tangencial ():
(5.3.3.1)
70
(5.3.3.2)
Donde: = Flujo msico de material (solido)
= Relacin de flujo msico entre material y gas
= Flujo msico del gas
= Densidad del gaS
2. Calculo del rea de entrada al cicln ():
(5.3.3.3)
Donde: = Velocidad de gas en la entrada del cicln
3. Calculo del dimetro segn correlaciones de la tabla (5):
(5.3.3.4)
0.5 (5.3.3.5)
0.25 (5.3.3.6)
0.5 0.25 (5.3.3.7)
..
(5.3.3.8)
4. Calculo de las dems dimensiones del cicln:
Altura de entrada al cicln (a): 0.5 (5.3.3.9) Ancho de entrada al cicln (b): 0.25 (5.3.3.10) Altura de salida del cicln (S): 0.75 (5.3.3.11) Dimetro salida del cicln (Ds): 0.5 (5.3.3.12)
71
Altura parte cilndrica del cicln (h): 2 (5.3.3.13) Altura total cicln (H): 4 (5.3.3.14) Altura parte cnica del cicln (z): 2 (5.3.3.15) Dimetro de salida del polvo (B): 0.5 (5.3.3.16)
5. Calculo de velocidad de saltacin, de la misma forma expuesta en la
seccin 3:
(5.3.3.17)
Donde: 1440 1.96
1100 2.5
Tamao de la partcula a transportar
= Aceleracin de la gravedad
= Dimetro de tubera
Para conocer si hay o no resuspensin en el cicln se tiene que cumplir la
siguiente condicin.
1.35 (5.3.3.18)
6. Calculo de la cada de presin en el cicln Pc:
(5.3.3.19)
Donde: = nmero de cabezas de velocidad (ver tabla (5))
= 16 para ciclones con entrada tangencial
72
(5.3.3.20)
Existen parmetros que permiten evaluar el desempeo adecuado de un cicln,
entre ellos se tiene el dimetro del cicln, la cada de presin, la relacin entre
la velocidad de entrada del gas y la velocidad de saltacin que me representan
si hay o no resustentacin en el fondo del cicln, es decir partculas que
permanecen en flotacin.
Velocidades de entrada muy bajas permiten la sedimentacin de partculas y
neutralizan el efecto de la fuerza centrfuga generando disminucin en la
eficiencia de coleccin; a velocidades de entrada muy altas pueden
resuspender partculas previamente colectadas, disminuyendo tambin la
eficiencia. La experiencia indica que la velocidad de entrada al cicln debe
situarse en el intervalo de 15.2 a 27.4 m/s. Kalen y Zenz propusieron la
existencia de una velocidad de saltacin en el cicln para explicar por qu la
eficiencia de coleccin algunas veces descenda con incrementos en la
velocidad de entrada. De lo anterior se puede observar que lo ideal es trabajar
con velocidades de entrada lo suficientemente altas para aprovechar el efecto
de la aceleracin centrfuga, sin sobrepasar la velocidad que implica
resuspensin del material ya colectado.
Estos parmetros de diseo son una recomendacin, ms no una imposicin en
el momento de disear.
Tabla 6. Parametros y valores recomendados de diseo para ciclones.
73
5.4.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS CICLONES
Figura 29. Ventajas y desventajas de los separadores ciclnicos
74
6. DETERMINACIN DE LAS CONDICIONES DE TUBERA
Para la determinacin de los fenmenos que se da en la tubera con el flujo de
una mezcla de aire y partculas solidas existen diferentes mtodos que modelan
el comportamiento de la mezcla durante el transporte neumtico.
El siguiente esquema muestra los diferentes mtodos que se utilizan para la
determinacin de las condiciones en la tubera.
6.1 MTODO ANALTICO
El mtodo analtico descompone y distingue todos los componentes que rene el
fenmeno del transporte neumtico o flujo de una mezcla de gas solido. Este
mtodo es estrictamente energtico, donde se evalan las prdidas de energa
durante el transporte por un gas de las partculas a travs de un ducto.
75
El siguiente cuadro identifica los modelos matemticos que se utilizan en el
mtodo:
Tabla 7. Ecuaciones del mtodo analtico
Donde: = Flujo msico de material (solido)
= Velocidad del material (solido)
= Flujo msico del gas
= Velocidad del gas
TIPO DE ENERGIA MATERIAL A
TRANSPORTAR
GAS O VEHICULODE TRANSPORTE
Energa de aceleracin
para vencer la inercia de
los slidos y ponerlos en
movimiento
12
12
Energa para elevar los
slidos o potencial
Energa necesaria para
vencer la friccin entre la
pared del ducto y la
mezcla
2
Perdidas de energa po
cambios de direccin
(accesorios, codos, etc)
2 2
2
2
76
= Densidad del material (solido)
= Aceleracin de la gravedad
= Diferencia de altura
= Distancia de transporte
= Coeficiente de friccin entre el material y el ducto
= Coeficiente de friccin entre el gas y el ducto
= Dimetro de tubera
= Radio de curvatura del codo
= Numero de codos
= Constante que depende de las caractersticas fsicas del accesorio
6.2 MTODO DE FISCHER
El mtodo de Fischer es caracterstico por ser muy conservativo ya que sobre
disea el sistema resultante tomando parmetros con valores relativamente
elevados para asegurarse de prevenir cualquier obstruccin o interferencia en el
flujo.
Este mtodo utiliza cuatro tipos de energa las cuales son, energa prdida en
codos y accesorios, energa consumida por el transporte horizontal, energa
consumida por el transporte vertical, la energa de aceleracin y la energa
consumida por el flujo de gas identificada por las siguientes ecuaciones. La
siguiente tabla me determina los valores de las prdidas de energa mediante
ecuaciones:
77
Tabla 8. Ecuaciones del metodo de Fischer
Donde: = Flujo msico de material (solido)
= Velocidad del material (solido)
= Flujo msico del gas
= Velocidad del gas
= Densidad del material (solido)
= Aceleracin de la gravedad
= Distancia vertical de transporte
Energa de
aceleracin
Energa consumida
por el transporte horizontal
Energa consumida
por el transporte vertical
Energa perdida
en codos y accesorios
Energa consumida
por el aire
2
Energa total consumida
78
= Distancia de horizontal de transporte
= Longitud total de transporte
= Coeficiente de friccin entre el material y el ducto
= Coeficiente de friccin entre el gas y el ducto
= Dimetro de tubera
= Angulo de curvatura
= Numero de codos
= Caudal de gas
6.3 MTODO DE EDITORIAL LABOR
Este mtodo de Editorial Labor calcula la cada de presin por carga para que
mediante algunas correcciones con factores sugeridos en tablas y graficas
podremos hallar un dimetro de tubera.
En este mtodo los datos de entrada para el clculo y diseo son la densidad del
material, la longitud total de la tubera o de transporte, capacidad de transporte,
numero de codos y longitud vertical de transporte
Conociendo el material a transportar y sus caractersticas (Anexo A) encontramos
la velocidad mnima de transporte. Teniendo en cuenta la relacin msica
deseada se calcula la densidad de la mezcla.
Para el clculo del dimetro aproximado de tubera multiplicamos la velocidad
mnima de transporte por un factor de seguridad de 1.5; Teniendo estos valores
hallamos el dimetro mediante la siguiente ecuacin:
79
(6.3.1)
Con el dimetro calculado se estandariza, y se recalculan la densidad de la
mezcla y la velocidad.
(6.3.2)
El valor de la densidad de la mezcla recalculado deber ser:
(6.3.3)
Calculo de las prdidas de presin de carga:
. 2.5 3 2 (6.3.4)
Donde: = Flujo msico de material (solido)
= Velocidad mnima de transporte (Ver Anexo A)
= Densidad de la mezcla
= Dimetro de tubera
= Densidad de la mezcla corregida
= Velocidad mnima de transporte corregida
= Dimetro de tubera estandarizado
= Distancia total de transporte
2 = Coeficiente de friccin del gas con respecto al material
80
3 = Factor de rozamiento en codos
= Numero de codos
= Distancia vertical de transporte
6.4 MTODO EMPRICO
Es el mtodo ms usado en el diseo de sistemas neumticos en la industria.
Se tienen en cuenta los fundamentos tericos expuestos por M. Gasterstadt.
Este mtodo en general es la sumatoria de las prdidas de presin por
transporte horizontal, perdidas de presin por transporte vertical, perdidas de
presin en codos, perdidas de presin en ciclones y perdidas por aceleraciones.
Perdidas por friccin
en el transporte horizontal
Perdidas por friccin
en el transporte vertical
2 100
Perdidas en ciclones Equivale a una cabeza de velocidad por cicln
Perdidas por
aceleraciones
2.25
Tabla 9. Ecuaciones del metodo Empirico
Donde: = Relacin msica = /
= Flujo msico de material (solido)
= Flujo msico del gas
81
= Distancia total horizontal
= Cada de presin en 100 pies de tubera
= Distancia total vertical
= Dimetro de tubera
= Numero de codos
= Presin de velocidad
= Nmero de aceleraciones
6.5 MTODO DE Mc CABE
Este mtodo parte de la presin en la entrada del equipo que en un principio es
un dato desconocido, pero que se puede evaluar utilizando cualquiera de los
mtodos anteriormente nombrados, este mtodo utilizara los siguientes datos
de entrada para el desarrollo del mismo: Temperatura del aire, dimetro de
tubera, velocidad de salida del aire, dimetro de la partcula, la relacin msica
entre material y gas, esta relacin es recomendable tomarla por debajo de 10
para transporte diluido o a densidad baja, la densidad del material, la longitud
de la tubera de transporte
Procedimiento para evaluar la cada de presin a lo largo de todo el sistema:
1. Se calcula la densidad del aire en la entrada del sistema ():
29.492
460
(6.5.1)
Donde:
= Presin a la entrada del equipo
= Presin atmosfrica
82
= Temperatura del aire
2. Se calcula el flujo msico o la capacidad de transporte, por unidad de
rea (G):
(6.5.2)
Donde:
Velocidad de salida del aire
3. Se calcula el numero de Reynolds () y as hallar el coeficiente de friccin del gas con respecto a las paredes de la tubera
(6.5.3)
Donde:
= Dimetro de la tubera
Viscosidad dinmica del gas
Con el nmero de Reynolds se lee el coeficiente de friccin del gas en tablas.
4. Ahora se supone una densidad de gas media (, debe ser
ligeramente inferior a la densidad del gas hallada () y se calcula una velocidad de gas medio.
(6.5.4)
Donde:
= Velocidad de gas media
83
=Densidad media del gas
5. Se evala la densidad del gas en la salida para comprobar el dato de
calculado anteriormente.
(6.5.5)
Donde:
=Densidad del material
=Densidad del gas a la salida
= Aceleracin de la gravedad
= Dimetro de la partcula
6. Teniendo las grficas para flujo horizontal y vertical se leen los factores
de a y k y con estos valores se calcula (B):
84
1
(6.5.6)
Donde:
= Relacin msica
7. Ahora se evala la presin de salida (Pb) con una ecuacin de balance general de energa
1 29
2
1
(6.5.7)
Donde:
85
= Velocidad de entrada del gas
8. Se calcula una densidad del gas en la salida
(6.5.8)
(6.5.9)
Ahora se compara el valor de supuesto con el valor hallado de , estos
valores tienen que dar muy cercanos y si no se toma el promedio de los dos y
se sigue iterando hasta conseguir una buena aproximacin entre los dos
valores y ya con la densidad media del gas se puede calcular la cada de
presin para el sistema.
86
7. MODELO MATEMTICO DEL PROCESO DE TRANSPORTE NEUMTICO
Debido a la complejidad de los procesos presentes en el transporte neumtico,
una aproximacin terica que lo modele debe contener gran cantidad de
variables y requiere la aplicacin de una amplia variedad de conceptos fsicos
para lograr una aproximacin aceptable al fenmeno.
A continuacin presentaremos un conjunto de ecuaciones que pretenden dar
una comprensin general del transporte neumtico. Con la adecuada utilizacin
de las mismas lograremos determinar la cada de presin ocasionada por el
transporte de material.
A diferencia de la mayor parte de los mtodos usados para el clculo de
condiciones de tubera, el que presentaremos a continuacin pretende dar
explicacin matemtica a los procesos, sin recurrir a ecuaciones empricas, lo
que hace mucho ms generales los resultados obtenidos.
El modelo no discrimina entre transporte en fase densa y fase diluida de una
forma directa, pero mediante el cambio de la relacin msica de solido y aire se
puede obtener soluciones igualmente vlidas para los dos tipos de transporte.
Permite tambin determinar las cadas de presin en el sistema
independientemente de si se tiene transporte en presin o vaco (succin), lo
anterior lo convierte en una de las formas ms completas para determinar las
cadas de presin en tuberas horizontales, verticales o inclinadas.
El desarrollo de modelo se basa en la utilizacin simultnea de ecuaciones de:
1) Balance de masa
2) Balance de momentum
3) Balance de energa.
87
La figura 30 presenta un diagrama de cuerpo libre para un diferencial de tubera
que contiene una corriente de aire transportando partculas solidas (mezcla).
Las fuerzas se descomponen en los ejes X y Y y se hace el balance de
momentum para aire y solido.
Figura 30. Diagrama de cuerpo libre de la mezcla slido-fluido.
Diferencial de mezcla:
Donde: = Densidad del gas (aire)
= Densidad del solido (cereal)
= Porosidad
= Fuerza de empuje de la corriente de gas
88
1) Ecuacin de balance de momentum en el eje x para el material (cereal)
1 (7.1)
= Fuerza de interaccin entre el