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8/17/2019 Tesis Rocca - Valle 23 Noviembre 2014
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TRUJILLO – PERU
2014
8/17/2019 Tesis Rocca - Valle 23 Noviembre 2014
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RESUMEN
El objetivo de la presente tesis ha sido simular el transporte neumático de material
particulado de granos de cereales, a partir de los balances de cantidad de movimiento y
masa. Por lo que se ha investigado la influencia de los parámetros operacionales como:
diámetro de partícula, diámetro de conducción, caída de presión con la finalidad de e!plicar
y establecer un rango de variables, que permitan una operación confiable y económicamente
factible a nivel acad"mico y#o de peque$as instalaciones.
El sistema considerado consistió de una tolva para la alimentación del cereal, un soplador,
%&' m de tubería recta con dos codos de ()* y un ciclón para descarga del material.
+a simulación se realió usando -imulin /0.' 1 23)%)a de 4atlab, los resultados han
permitido concluir que es posible simular el transporte neumático de quinua, a trav"s de
ductos cilíndricos lo cual permite cumplir con el objetivo general propuesto en la presente
tesis. 5simismo, el dise$o mediante E!cel de 4icrosoft ha permitido establecer, que si se
reduce en e!tremo el diámetro de la tubería de transporte la caída de presión puede
sobrepasar el límite permisible y llegar a imposibilitarse el transporte del cereal en estudio.
+os autores
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ÍNDICE
Pág.
6edicatoria i2esumen ii
7ndice iii
7ndice de 8iguras vi
7ndice de cuadros vii
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN
%.% 9istoria del transporte neumático &%.3 ransporte neumático de cereales '
%.; 8luidiación <
%.& ipos de transporte neumático =
%.&.% ransporte en fase diluida %)
%.&.3 ransporte en fase densa %3
%.' >lasificación de los transportadores neumáticos %;
%.'.%ransportador por succión %&
%.< Elementos de un transportador neumático %<
%.
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%.
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fase gaseosa ;(
3.3.& >oeficiente de arrastre &%
3.; >ondiciones de operación para amabas fases &3
3.;.% /ariables fase gaseosa &3
3.;.3 /ariables del producto &3
3.;.; /ariables del equipo &3
3.& -imulación dinámica mediante -imulin &;
3.' 6ise$o del transporte de sólidos en fase diluida &&
3.< Presentación y discusión de resultados &'
3.0 >onclusiones '=
3.( 2ecomendaciones '(
2eferencias @ibliográficas E
5DEFB-
5
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ÍNDICE DE GRÁFICAS
NOMENCLATURA
6: diámetro interno del conducto G m H
d: diámetro partícula G m H
g: aceleración de la gravedad G m#s3 H
2e: nImero de 2eynolds J ρg.vg.6#µg G 1 H
2ep: nImero de 2eynolds partícula J ρg.Kvg1vpL.d#µg G 1 H
v: velocidad G m#s H
/: volumen G m; H
µ: viscosidad dinámica G g.m1%.s1%H
ρ: densidad G g . m; H
6
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Subínd!"#
p: partícula
g : gas
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CAPÍTULO I
$% INTRODUCCIÓN
El proceso de transporte neumático de material consiste principalmente en
mover sólidos, ya sean polvos o partículas granulares dentro de una tubería. El
movimiento del material se da por la combinación de un diferencial de presión y
mediante una corriente de flujo de gas a presión.
Mn transportador neumático presenta algunas limitaciones debido a que no
puede transportar materiales hImedos Ksólo permite un nivel bajo de humedadL
ni que tengan tendencia a adherirse, ya que la tubería podría quedar obstruida
por el apelmaamiento del material, tambi"n está limitado su uso a materiales
con baja fragilidad y baja abrasividad debido a que el material puede romperse
al chocar con la tubería y con otras partículas, la abrasividad es un factor a tener
en cuenta especialmente en los codos, debido a que en estos elementos puede
darse un desgaste e!cesivo K2hodes, 4., 3))(L.
En general un transportador neumático requiere más potencia por peso de
material transportado que otras alternativas de transporte pero sus ventajas
pueden compensar "sta deficiencia.
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neumático de sólidos se ha practicado por más de un siglo en el mundo y hoy se
puede encontrar sistemas de este tipo en las más variadas industrias: la minería,
industria del cemento y construcción, química y farmac"utica, plásticos, de
alimentos, papel, vidrio, energía, etc. Por ejemplo, el transporte y descarga
neumática de cemento, cal, aIcar, pellets plásticos en camiones a granel
presuriados y sistemas similares para carbón pulveriado que alimentan
calderas y hornos sistemas de transporte neumático de fertiliantes, yeso, coe,
cenias, sal, alimentos, granos, aserrín, etc. en plantas de procesos sistemas
de captación y transporte neumático de polvo etc.
El objetivo principal de un sistema de transporte neumático es transportar
materiales sólidos a granel desde un punto a otro por medio de un flujo de gas a
presión, ya sea positiva o negativa, y a trav"s de una tubería. 4ateriales
particulados finos en el rango de los micrones hasta partículas de 3) mm se
pueden transportar en forma horiontal y#o vertical, desde algunos metros hasta
má!imo dos ilómetros de distancia, y con capacidades de hasta %))) t#h a
trav"s de tuberías de hasta ')) mm de diámetro.
+a principal ventaja del transporte neumático de sólidos a granel es que los
sistemas son cerrados, y por lo tanto, no1contaminantes. El material
transportado se Oencierra totalmente dentro de la tubería, lo cual protege al
producto del medio ambiente y viceversa Kal medio ambiente del producto en
caso de transportar materiales peligrosos, e!plosivos, tó!icos, biológicos, etc.L.
5demás, son sistemas muy limpios, adecuados para muchos y variados
procesos, fle!ibles para cambiar de dirección, requieren de un reducido espacio
y son fáciles de automatiar.
6entro de las desventajas es importante destacar que no todos los materiales
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particulados se pueden transportar neumáticamente a trav"s de tuberías, sino
sólo aquellos materiales secos, no cohesivos, de fácil escurrimiento libre por
gravedad, y relativamente finos. 4ateriales frágiles pueden sufrir de e!cesiva
atrición y materiales abrasivos pueden causar desgaste prematuro en las
tuberías y codos. Btras limitaciones del transporte neumático son el tama$o
má!imo de partícula, la capacidad má!ima de transporte, la distancia a
transportar y el mayor consumo de energía.
Mna aplicación muy comIn en nuestro país es el uso de camiones tolva
presuriados para el transporte a granel de diversos materiales tales como cal,
cemento, carboncillo, aIcar, harina de pescado, yeso, etc. y en que la descarga
de la tolva a los silos de almacenamiento se realia en forma neumática.
$%$ &#'()* d"+ ')*n#,()'" n"u-.'!(
El transporte neumático es bastante antiguo, hace más de cien a$os se empeó
su uso, a pesar de ser un proceso muy comIn, aIn e!iste gran cantidad de
cosas que ignoramos, la mayor parte de los dise$os se realian usando la
e!periencia obtenida mediante prueba y error por investigadores o mediante
relaciones encontradas con la observación del proceso, se han dado grandes
pasos en el entendimiento del movimiento de material, hoy en día los esfueros
están 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 tambi"n permiten
disminuir la degradación de la tubería de transporte.
9oy en día el transporte neumático está altamente difundido entre las industrias,
se puede encontrar en puertos, minería, industrias química y farmac"utica,
plantas de producción de elementos plásticos, vidrios entre muchos otros.
4
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-
F/u)* $0$ T)*n#,()'*d() n"u-.'!( ndu#')*+
$%1 T)*n#,()'" n"u-.'!( d" !")"*+"#
+os sectores agropecuarios representan un gran campo de aplicación para el
transporte neumático, ya que "ste presenta características de higiene,
fle!ibilidad, precisión, seguridad y confiabilidad es tambi"n adaptable a
cualquier necesidad en cuanto a capacidad y longitud, lo que simplifica
notablemente el traslado de productos entre sectores de producción. Estas
características lo convierten en uno de los medio más eficaces para el transporte
de diversos productos agrícolas como cereales, lo cual vislumbra un futuro de
amplia e!pansión de este transporte.
Mna de las raones primordiales de la utiliación de un transportador neumático
para cereales es su capacidad para aspirar el material sin la necesidad de una
diferencia de altura o un depósito contenedor, sumado a ello el transporte por el
interior de una tubería disminuye la contaminación que absorben los cereales si
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se compara con los que son e!puestos directamente al medio ambiente esto lo
hace muy Itil aun en sitios con un alto nivel de contaminación, ya que el tránsito
desde la ona de carga hasta la descarga se hace sin tener contacto con el
medio que lo rodea.
>uando se desea transportar neumáticamente un material se deben analiar
varias propiedades de los mismos, entre ellas el grado de abrasividad, ya que si
"ste es demasiado alto se tendrá un desgaste prematuro de la tubería de
transporte y de los demás componentes del sistema, tambi"n es importante
revisar su tendencia a pegarse, entre partículas y con las superficies, ya que se
puede generar taponamiento de la tubería y un consumo e!cesivo de potencia,
el material para transporte neumático debe estar relativamente seco y poseer
poca fragilidad si se desea que mantenga su integridad a lo largo del recorrido,
ya que la fricción y los impactos son permanentes.
F/u)* $01 Tub")í* d"#/*#'*d* ,() "+ ,*#( d"+ -*'")*+
$%2 F+ud3*!4n
Es el proceso que hace posible el transporte neumático, dependiendo del grado
de fluidiación que se logre con el material podemos tener diversos tipos de
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transporte, ya sea denso o diluido, el consumo de potencia y desgaste de los
elementos del transportador están fuertemente asociados a este concepto.-e puede definir como la operación por la cual las partículas sólidas son
transformadas en un estado Ofluido a trav"s del contacto con un gas o líquido.
Cste m"todo de contacto posee varias características inusuales, una correcta
aplicación de los procesos de fluidiación permite el aprovechamiento del
comportamiento de los materiales para realiar su transporte u otro tipo de
procesos industriales.-i se tiene una cama de partículas sólidas finas, un caudal peque$o de fluido
pasa a trav"s de los espacios vacíos, esto se conoce como lecho fijo. >on un
incremento en el caudal, las partículas se separan y algunas vibran y se mueven
en determinadas regiones, esto se conoce como lecho e!pandido. 5 una velocidad más alta, se alcana un punto en el cual todas las partículas son
suspendidas en el fluido ascendente, en este momento la fuera de fricción entre
una partícula y el fluido contrarresta el peso de la partícula, la componente
vertical de la fuera de compresión entre partículas adyacentes desaparece. -e
considera entonces que se ha alcanado el estado de fluidiación incipiente o
mínima fluidiación.Mn incremento en el caudal resulta en un estado de e!pansión progresiva del
lecho, no se observa un burbujeo a gran escala, y toda le mecla es
apro!imadamente homog"nea, esto se conoce como fluidiación particulada o
uniforme.>on flujos más altos la agitación de las partículas se toma violenta y el
movimiento es más vigoroso, el lecho no se e!pande mucho más allá del nivel
de mínima fluidiación, se presenta entonces una fluidiación agregativa o
burbujeante. 6ependiendo de la geometría del recipiente, las burbujas pueden
presentar el fenómeno de empaquetamiento, en el cuál su tama$o es tal que
puede alcanar las paredes, despu"s de eso la porción de lecho por encima de
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la burbuja es empujada hacia arriba por un pistón. +as partículas luego caen y la
burbuja se desintegra, formando un movimiento oscilatorio que se repite, este
empuje puede ser aprovechado para realiar transporte de material en fase
densa.9asta este punto todas las meclas sólido ? fluido se consideran fase densa
porque e!iste un límite superior del lecho claramente definido. -i el flujo tiene
una velocidad suficientemente alta, la velocidad de arrastre de las partículas
será e!cedida y los sólidos serán transportados con la corriente, en ese punto se
tiene una fluidiación, en fase diluida y con un transporte de material.
F/u)* $02 P)(!"#( d" 5+ud3*!4n
$%6 T,(# d" ')*n#,()'" n"u-.'!(
5In no e!iste un consenso general para decidir cuando se presenta transporte
en fase densa y fase diluida, en general se recurre a observaciones y
descripción de dichas observaciones para determinar el tipo de transporte que
se está presentando.
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E!isten algunos valores generales de algunas características del transportador
neumático como son la velocidad de gas o el nivel de presión que pueden
indicar fase densa o fase diluida, pero estos valores dependen de la bibliografía
que se analia. Btros autores simplemente definen su concepto de fase densa y
fase diluida, no e!iste un límite claramente visible para pasar de un tipo de
transporte a otro, algunas veces se recurre a dos conceptos para diferenciarlos
la velocidad de Ochoing que es la velocidad límite entre los dos tipos de
transporte, velocidades por encima de su valor indican transporte en fase diluida
y valores inferiores transporte en fase densa se define como:
V Choking=ech∗( G ρs (1−ech) )+Vt K%?%L
donde:
echJ fracción de vacío en la tubería a la velocidad de Ochoing
NJ 8lujo másico de sólidos por unidad de área J 4p#5
ρsJ densidad del sólido
/tJ velocidad terminal o de flotación de la partícula
4p J8lujo másico de sólidos
+a velocidad de Ochocing sólo es válida para transporte vertical. Para el
transporte horiontal se definió de forma análoga la velocidad de saltación, se
define como:
V Saltación ¿ [4∗ Mp∗10
α g
β
2
π ∗ ρf ]
1
β+1 K%13L
donde:
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α J %&&)QF R %,(<
β J %%))QF R 3,'
F J tama$o de la partícula
6 J diámetro de la tubería
ρf J densidad del gas
N J aceleración gravitacional
$%6%$ T)*n#,()'" "n 5*#" d+ud*
>asi cualquier material pude ser transportado de esta forma, en general se trata
de partículas totalmente suspendidas en el fluido de transporte, es decir no
e!iste acumulación en la ona inferior de la línea de transporte, se pude
transportar de esta forma en sistemas de presión, vacío o combinados. En
general un material que puede ser transportado en fase densa, tambi"n lo hará
en fase diluida y para ello generalmente se requiere solamente un aumento de la
velocidad del gas.
-e requieren grandes volImenes de aire el arrastre producido mantiene el
sólido en suspensión al interior dela corriente, el gasto energ"tico es importante
por la necesidad de un suministro continuo de gran cantidad de fluido.
6ependiendo de las características de abrasividad del material se pueden
presentar inconvenientes de desgaste e!cesivo en la tubería. 6ebido a la gran
cantidad de aire disponible para el transporte y su alta velocidad permite un flujo
continuo de gran cantidad de material.
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F/u)* $06 T)*n#,()'" "n 5*#" d+ud*
6iversos tipos de sistemas e!isten para el transporte neumático de materiales
sólidos a granel, incluyendo sistemas abiertos o cerrados, de presión positiva o
negativa, de flujo diluido o denso, continuos o batch, etc. 5ctualmente, los
sistemas de transporte neumático de baja presión positiva, continuos, de alta
velocidad y fase diluida, son los más usados en la industria debido a su mayor
capacidad de transporte en cuanto a flujo, mayores distancias de transporte, el
flujo es muy estable y se puede controlar y regular fácilmente, y porque permiten
transportar materiales desde un punto de alimentación a varios puntos de
descarga. Por lo tanto, en el presente trabajo se estudiará este tipo de sistemas
de transporte neumático.
5 modo de ejemplo, la 8igura %?&a muestra esquemáticamente los componentes
básicos de un sistema de transporte neumático en fase diluida, continuo y de
baja presión positiva Kinferior a % barL.
En este tipo de sistemas de transporte neumático, el material es transportado en
suspensión dentro de la tubería, las partículas se distribuyen uniformemente en
toda la sección transversal de la tubería Kflujo homog"neoL, la concentración de
sólidos es relativamente baja Kinferior a %) g de sólidos por g de gasL y la
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5 menudo es llamado flujo no suspendido, el material no está completamente
suspendido en la corriente de aire. -e puede presentar de varias formas, como
ondulaciones de material o como paquetes de material separados por una ona
de aire, aunque e!isten muchos puntos intermedios en que se presentan
combinaciones de ambas. En general si en una tubería horiontal e!iste
acumulación de material en la parte inferior o no se observa un transporte diluido
homog"neo del material estamos frente a un sistema de tipo denso. Por esta
raón algunos autores simplemente e!presan 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 sólido se
transporta por empuje haciendo Opaquetes, para ello se requiere un menor flujo
de aire pero mayor presión. +a energía requerida es menor, al igual que el
desgaste en la tubería, es recomendable cuando el material transportado es
abrasivo, se pueden generar taponamientos debido a que el material crea una
capa sobre al superficie inferior de la tubería, lo que restringe el flujo.
F/u)* $07 T)*n#,()'" "n 5*#" d"n#*
$%7 C+*#5!*!4n d" +(# ')*n#,()'*d()"# n"u-.'!(#
6ependiendo de las necesidades del proceso de transporte se puede poseer un
transporte por succión KvacíoL por presión o por una combinación de ambos.
E!iste otro tipo de transporte en fase densa que se da con un equipo especial
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llamado tanque de soplado o de presión que envía porciones de material
presuriado a trav"s de la tubería, el transporte es intermitente. El siguiente
diagrama representa las diversas combinaciones posibles y las características
de cada tipo de transportador seleccionado.
F/u)* $08 S#'"-*# d" ')*n#,()'" d#,(nb+" ,*)* ')*n#,()'" n"u-.'!(
$%7%$ T)*n#,()'*d() ,() #u!!4n
El transportador por succión generalmente se usa para arrastrar material desde
diversas fuentes hacia un punto comIn: si e!iste poca o nula diferencia de
presión en los puntos de carga del material no e!isten problemas al utiliar esta
opción, el elemento dosificador del producto que entra al sistema es muy simple,
si se compara con su similar de presión positiva.
Mna ventaja de estos sistemas es que el aire y las posibles fugas de gas se dan
desde el e!terior del sistema hacia el interior del mismo, por esta raón el
impacto por contaminación de las partículas de polvo al ambiente es
prácticamente nulo. Esta característica es fundamental cuando se trabaja con
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materiales tó!icos o peligrosos.
>uando se desea transportar material apilado o de depósitos abiertos como
barcos, el sistema de succión es la mejor opción, tambi"n lo es cuando se
realian labores de limpiea.
-e debe prestar especial atención a los siguientes detalles.
%L >uando se transporta de forma continua, el material depositado en el
recipiente de almacenamiento debe ser retirado continuamente esto se hace
generalmente mediante una válvula dosificadora en la base del mismo. -e
pueden presentar problemas debido a que el aire que entra a la unidad de
potencia puede ser obtenido a trav"s de las fugas en esta válvula y no del
sitio donde se encuentra el material a transportar.
3L El recipiente de almacenamiento debe ser dise$ado para lidiar con el vacío
del sistema.
;L 6ebido a que el aire succionado por la unidad de potencia atraviesa el
cuerpo de la misma, es importante que se realice un filtrado riguroso de la
corriente de gas para evitar da$os a la unidad.
+as 8iguras %10 y %1= representan las configuraciones más comunes para el
sistema de transporte neumático por succión el primero permite transportar
desde diversos puntos a un sitio comIn, el segundo posee una manguera
fle!ible que permite alcanar lugares complicados y llevar el material hasta un
separador.
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F/u)* $09 T)*n#,()'" ,() #u!!4n d"#d" d",4#'(# *b")'(#
F/u)* $0 C(n5/u)*!4n 'í,!* d" ')*n#,()'" ,() ,)"#4n
$%8 E+"-"n'(# d" un ')*n#,()'*d() n"u-.'!(
+os transportadores neumáticos son en general bastante simples, poseen pocas
partes en movimiento y son ampliamente recomendados para transporte de
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granos o polvos, sus partes principales son: una fuente de gas comprimido,
Kgeneralmente aireL un elemento dosificador de material, una tubería de
transporte y un elemento separador de la mecla sólido ? fluido, tambi"n puede
e!istir un sistema de filtrado, cuando las condiciones lo requieren. 6e igual
forma, si el sistema lo requiere se pueden utiliar válvulas de desvío para
cambiar los recorridos del material y sus puntos de carga y descarga.
$%8%$ Fu"n'"# d" *)"
+a fuente de aire para transporte neumático es el coraón del sistema. Es a
menudo uno de las decisiones más importantes a tomar. -e debe ser cuidadoso
con la selección cuando se realia un dise$o 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.
+os requerimientos de presión están fuertemente influenciados por la distancia
de transporte, para largas distancias a menudo se utilian varias unidades
ubicadas a intervalos en la tubería de esta forma se evita tener un equipo Inico
voluminosos y poco rentable cuando se desea disminuir la cantidad de material.
+os accesorios que posee el sistema son otra fuente importante de caídas de
presión. +as válvulas dosificadoras, los codos y las tuberías de diámetro
reducido generan un componente importante de los requerimientos de presión
que debe suplir la unidad.
$%8%1 E+"-"n'(# #(,+*n'"# ;
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pocas posibilidades de obstrucción de la tubería. Pueden ser usados en
sistemas mi!tos de presión y vacío, especialmente con materiales ligeros y con
poca adherencia.
El aumento del flujo del material transportado puede incrementarse aumentando
el diámetro de la tubería, lo cual implica mayor caudal de aire requerido.
Presenta la desventaja de una curva característica casi plana, que permite una
gran variación del caudal entregado debido a los requerimientos de presión del
sistema lo anterior puede generar inconvenientes cuando se presenta
acumulación de material y en consecuencia una mayor caída de presión, en este
caso es probable que el flujo de aire suministrado no sea suficiente para
mantener suspendido el material y se obstruya la tubería.
F/u)* $0=% Cu)
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que permiten niveles medios de caudal y presión pueden ser utiliados en
sistemas mi!tos, y su curva característica indica que tienen poca variación en el
caudal entregado independientemente de los requerimientos de presión, esto
hace que las obstrucciones en la tubería ocasionadas por el material depositado
debido a disminución en el caudal de aire son menos probables que con el uso
de ventiladores.
F/u)* $0$> Cu)
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F/u)* $;$$ V*)*!4n d" ,)"#4n ? !*ud*+ d" d
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en la base de los separadores o de los elementos de almacenamiento de
material.
6ependiendo de la presión de trabajo del sistema se selecciona el sistema de
dosificación más conveniente como se muestra en el cuadro % 1%.
Cu*d)( $0$ P)"#4n *,)(@-*d* d" ')*b*( d" d
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F/u)* $0$1 V"n'u) ,*)* d(#5!*!4n d" -*'")*+
$%9%1 B(u++* d" #u!!4n
4ecánicamente es un sistema bastante simple que se usa en sistemas de vacío,
consiste de 3 tubos conc"ntricos, internamente está conectado directamente a la
línea de transporte, el e!terno de un diámetro 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. 4ediante el desliamiento del elemento e!terno
sobre el interno se modifica la forma y la cantidad de material que es
transportado.
6ebido al suministro de aire a trav"s del espacio entre los tubos se evita el
atascamiento de material en la punta de la boquilla, es muy Itil en labores de
limpiea debido a que permite una gran versatilidad, sobre todo si se monta el
tubo e!terno sobre una tubería fle!ible.
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F/u)* $0$2 B(u++* d" #u!!4n
$%9%2 T()n++(
El dosificador de tornillo puede ser usado en sistemas de presión o vacío.
4ediante la rotación de un tornillo logra introducir material en la línea de
transporte un elemento de desplaamiento positivo que logra variar la cantidad
de material transportado mediante la variación de su velocidad de rotación.
Puede presentar problemas de fugas de aire a trav"s de su carcasa
especialmente en sistemas de presión.
F/u)* $0$6 D(#5!*d() d" '()n++(
$%9%6 V.+
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Está compuesto por un rotor con paletas ubicadas longitudinalmente y que crean
espacios o Obolsillo que al ser llenados por el material y debido a la rotación del
eje es depositado en la ona inferior por acción de la fuera de gravedad. El
rotor está encerrado en una carcasa y el material es transportado entre el eje,
las paletas y la carcasa mediante la variación de la velocidad del eje motri se
puede alterar la cantidad de material dosificado en la, línea de transporte.
F/u)* $0$7 V.+
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F/u)* $0$8 D#"(# *+'")n*'
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Permiten tambi"n la automatiación del proceso de transporte si poseen
accionamiento mecánico. +as válvulas de desvío son uno de los componentes
mecánicos que le brindan mayor versatilidad a un transportador neumático, pues
permiten cambios de dirección progresivos, sin generar las caídas de presión
elevadas que un codo estándar puede presentar y a diferencia de "stos puede
rotar sobre su eje para brindar rutas alternas.
F/u)* $0$ V.+
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general.
>onstituyen uno de los m"todos de separación más económicos, no cuentan
con partes móviles y los materiales para su construcción pueden ser bastante
económicos.
Mn ciclón está formado básicamente por un cilindro vertical con fondo cónico,
una entrada tangencial normalmente cuadrada, un ducto en la parte superior
que se encarga de retirar el aire limpio y otro inferior que e!trae el material sólido
previamente separado.
F/u)* $0$= G"(-"')í* d"+ #",*)*d() !!+4n!(
27
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F/u)* $01> P*).-"')(# /"(-')!(# d"+ !!+4n
-u principio de funcionamiento es el de imputación inercial, generado por la
fuera centrífuga las partículas sólidas viajan en la corriente de gas y entran
tangencialmente al ciclón donde chocan con las paredes del mismo, por esta
raón se recomienda un puerto de entrada cuadrado y que sea más alto que
ancho, de esta forma se garantia un incremento en la superficie tangencial,
esto brinda una mayor eficiencia de separación.
F/u)* $01$ P)n!,( d" 5un!(n*-"n'( d"+ !!+4n
+uego de que la mecla gas ? sólido entra al ciclón se presenta un doble vórtice,
uno e!terior formado por la corriente de gas que entra al ciclón, las partículas
sólidas, debido a su inercia tienden a moverse hacia la periferia del equipo
alejándose de la entrada del gas y acumulándose en la base cónica. El segundo
vórtice es creado por el gas luego de que alcana la base del ciclón para luego
28
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ascender por la ona central describiendo una h"lice.
F/u)* $011 G"n")*!4n d"
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de 33 m#s. El incremento de la velocidad por encima de los valores
recomendados implica un mayor gasto de energía ocasionado por una caída de
presión más alta y una eficiencia de recolección menor.
5unque un cambio en las condiciones de operación genera una variación en la
eficiencia del ciclón, el factor que más influye es el diámetro del mismo. Mn
ciclón de diámetro más peque$o a una caída de presión fija es más eficiente,
pero a menudo se requiere utiliar varias unidades en paralelo para lograr la
capacidad requerida.
$%%$ C(n#d")*!(n"# d" d#"( d" +(# !!+(n"#
El comportamiento de los diferentes tipos de ciclones dependen esencialmente
de dos variables, la velocidad del gas en la entrada del ciclón y el tama$o de la
partícula, a partir de estas dos variables escogemos la familia de ciclones que
mejor se adapte a las condiciones del proceso.
Por lo que para dise$ar y#o seleccionar un sistema nuevo de transporte
neumático y#o para comprobar si un sistema e!istente opera adecuadamente, el
primer paso es determinar las características físicas y de fluide del material a
manejar. 5demás, la naturalea del material a transportar es de vital importancia
y puede limitar significativamente la elección de un sistema de transporte
neumático. Es imprescindible conocer las siguientes propiedades:
1 ama$o de partículas: má!imo, mínimo y la distribución granulom"trica,
1 6ensidad y forma de las partículas,
1 8luide del material y su permeabilidad,
1 Btros: abrasividad, to!icidad, fragilidad, durea, reactividad, compresibilidad,
tendencia a segregarse, efectos electrostáticos, etc.
30
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Bbtener respuestas rápidas, dado que en una operación siempre está en juego
la economía del proceso, implica optimiar la operación, lo cual requiere de
herramientas de simulación apropiadas para el usuario, las mismas que
permitan una predicción o cálculo inmediato. Por ello, el objetivo es modelar el
sistema de transporte neumático incorporando las propiedades de los materiales
antes mencionados y estructurar la simulación dinámica mediante -imulin
adicionalmente el dise$o del proceso mediante E!cel. +as ecuaciones a usar en
la simulación del proceso provienen de los balances de masa y cantidad de
movimiento para el aire y el material a transportar. En el caso del dise$o
mediante hoja de cálculo en E!cel este permite obtener la velocidad, caídas de
presión, p"rdidas de carga en el sistema de conducción cilíndrica del material
granulado, donde el aire circule a co 1 corriente respecto del material sólido. +os
balances se plantean admitiendo las siguientes restricciones: flujo pistón,
partículas esf"ricas, no hay interacciones partícula 1 partícula y comportamiento
ideal de la fase gas.
$%= Ju#'5!*!4n
El desarrollo permite investigar las interrelaciones entre propiedades intrínsecas
y e!trínsecas del transporte heterog"neo de materiales sólidos como son los
cereales, usando el fluido aire.
-u aplicación es real y concreta en las operaciones de carga y descarga de
material particulado, tanto en las industrias de productos balanceados, así como
en y hacia los buques que operan en los diferentes puertos amaónicos y
costeros del país.
rabajando esta área del transporte permite optimiar el proceso, reducir el
consumo energ"tico y disminuir los costos de operación.
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$%$> P)(b+"-*
U-erá posible simular el efecto de los parámetros operacionales en el transporte
neumático de cereales a trav"s de ductos cilíndricos mediante -imulinV
$%$$ &,4'"##
-imulin permite la simulación dinámica de procesos de transporte homog"neos
por lo que tambi"n permite la simulación de procesos heterog"neos en este
caso el de sólidos 1 aire.
$%$1 Ob"'
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CAPÍTULO II
MATERIALES Y MÉTODOS
1%$ M*'")*+ d" "#'ud(
El material de estudio esta constituido por sistemas cereales ? aire entre ellos
quinua, maí, trigo, cebada o frijol, entre otros. nformación disponible para el
presente estudio se obtuvo de artículos especialiados disponibles en la Web o
de Aournals de la agroindustria e industrias alimentarias.
+a información adquirida se mantiene en memoria M-@ para su uso en la
simulación.
M'(d(# ? '!n!*#
6ebido al conjunto de pasos y etapas que debe cumplir una investigación, se
usa la inducción y deducción del m"todo científico.
-e usa la t"cnica de recolección de información presente en, revistas
especialiadas, Aournals, cuadernos de notas, libros y la Web etc. +os resultados
num"ricos obtenidos mediante el simulador para el transporte convectivo es
estructurado en -imulin / 0.' de 4atlab y los cálculos del dise$o del transporte
se hace en hoja de cálculo E!cel.
1%1 S-u+nH 0 M*'+*b
Es un softWare para la simulación de sistemas dinámicos, consiste en un
entorno gráfico que dispone de un conjunto de librerías que incorpora solvers
para la simulación dinámica, entre los que se tiene B6E&', B6E%3;s, etc.
Para ejecutar -imulin podemos activar simulin en el entorno 45+5@, o bien
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hacer clic en el icono correspondiente en la barra de herramientas de 45+5@.
5l realiar esta acción aparecen dos ventanas, una con las librerías de -imulin
y otra en blanco en donde se construye un nuevo modelo. En la 8igura 31%, se
muestra las librerías de -imulin / %).%.
F/u)* 10$ Lb)")í*# d" S-u+nH V $>%$
En cada uno de los grupos que aparecen en la 8igura 31%, estarán los bloques
necesarios para simular el sistema de control. 5simismo, en la 8igura 313 se
muestra los bloques más comInmente usados.
34
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F/u)* 101 B+(u"# d" S-u+nH -.# !(-n-"n'" u#*d(#
Para simular sistemas dinámicos se puede hacer uso del bloque continuo, quese presenta en la 8igura 31;.
F/u)* 102 B+(u"# d" S-u+nH ,*)* ##'"-*# !(n'nu(#
1%2 E@!"+ 0 M!)(#5'
E!cel es una herramienta poderosa de cálculo, en la tesis se usa para el dise$o
del sistema de transporte de cereales en específico de quinua.
El softWare simulin y el softWare E!cel, permiten la simulación y el dise$o del
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proceso de transporte neumático de cereales de la presente tesis.
1%6 F()-u+*!4n d"+ -(d"+( dn.-!(
El transporte neumático tiene una gran aplicación en la industria de alimentos,
fundamentalmente en procesos de transporte de trigo, maí, arro, aIcar, te
K4ills, %(()L o en la obtención de material alimenticio granulado Kgránulos y
polvosL de productos frutihortícolas de alta calidad KXisaure, %(=0 >rapiste y
2otstein, %((0L. En nuestro caso se aplica al transporte neumático de quinua.
>uando el gas que transporta los sólidos está caliente, el transporte neumático
se puede utiliar para el tratamiento t"rmico de materiales particulados, o en la
deshidratación de productos como harina de pescado o gránulos de papa.
1%6%$ M(d"+( ,*)* "+ b*+*n!" d" -*#*
>onsiderando el siguiente elemento diferencial de volumen.
F/u)* 106 E+"-"n'( d5")"n!*+ d"
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p p ,K v K% LL ! yρ − ε ∆ ∆ , y la velocidad de salida de materia a trav"s de la cara
R ∆ esp p , ,
K v L ! y+∆ρ ∆ ∆. Para las otras dos caras, se pueden escribir
e!presiones análogas. Por tanto, el balance de materia en estado
estacionario se iguala a Ocero y la velocidad para el sólido en la dirección
es:
p p , p p , ,GK v K% LL K v K% LL H ! y )+∆ρ − ε − ρ − ε ∆ ∆ =KaL
6ividiendo ambos miembros por ∆, y sustituyendo ∆!∆y por 5, queda:
p p , p p , ,GK v K% LL K v K% LL H5
),
+∆ρ − ε − ρ − ε =∆
KbL
Pasando al límite cuando ∆ 11 ) y considerando constante a la densidad
y dividiendo ambos miembros por ρ esta ecuación se convierte en:
p pdK v K% L5L)
d,
ρ − ε=
K31%L
En forma similar se obtiene la ecuación diferencial ordinaria para la fase
gaseosa
( )d
d, gρ εv 5g = )
K313L
donde ε, representa la porosidad del lecho fluido, y 5 el área transversal del
conducto.
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8e
8g
8a
1%6%1 M(d"+( ,*)* "+ b*+*n!" d" !*n'd*d d" -(onsiderando un segmento del conducto vertical, de diámetro interno 6 la
velocidad del aire a la altura desde la entrada del material es v g y la
velocidad de la partícula hImeda es vp.
>ada partícula en movimiento en la corriente de aire durante el transporte,
esta e!puesta a la acción de las siguientes fueras: de gravedad KF g L, de
empuje KF eL de arrastre KF aL. 5dicionalmente, algunos autores consideran,
una fuera debida a la fricción entre las partículas y la pared KF p/pL.
>onsiderando una partícula que no está sometida a la influencia de las
otras partículas durante su movimiento.
F/u)* 107 T,(# d" 5u")3*# #(b)" +*# ,*)'í!u+*#
5plicando el balance de cantidad de movimiento al material particulado, se
obtiene
( )[ ]d
d,8 8 8 8p a p p e gρ εv %1 5 vp p = − + −#
K31;L
donde:
la fuera de arrastre,
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( )8 n
v v
a p p a
g p
g=−
5 >Y
3
3 ρ
K31&L
la fuera de gravedad,
8 ng p p p= / gρK31'L
la fuera de empuje
8 ne p p g= / gρ
K31
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J
JR
P
P
8f 85
8g
5
vg
información en 5p"ndice.
1%6%2 M(d"+( d"+ b*+*n!" d" !*n'd*d d" -(
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F/u)* 108 S"!!4n d" 'ub")í*
+a fuera de gravedad
8g g= ε ρ 5 gK31%3L
+a fuera de fricción
8f g g=%
33 6 f vπ ε ρ
K31%;L
Msando las ecuaciones K31%%L y K31%;L y el balance de masa para la fase
gaseosa, se tiene que
( )( )
22 '
'
11 2 1
2
g
g g p a g p
g p
dv dP v g v f A C v v
dz dz D V
ε
ρ ε
−= − − − − −
K31%&L
Esta ecuación, permite obtener el perfil de velocidad del fluido a lo largo de
su recorrido por el equipo Kver deducción pormenoriada en el 5p"ndiceL.
En el cálculo del factor de fricción KfL, fricción partícula1pared Kf pL y
coeficiente de arrastre se utiliaron las correlaciones propuestas en la
bibliografía K@ird et al., %(lift et al., %(0= Zang, %(0=L.
1%6%6 C("5!"n'" d" *))*#')" M++# D% 1>>6
pd
2e
3&
%<
;> +=
2ep [ ).)% K31%'L
( )[ ]p%) 2elog)'.)=3.)pp
d 2e%;%'.)%2e
3&>
−+=
).)%[ 2ep [ 3) K31%
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[ ] +=
3) [ 2ep [ 3d J ).&& 2ep \ %')) K31%(L
1%6%7 F*!'() d" 5)!!4n
omado de K4ills, 6., 3))&L
2e
%<
f = 2e [ 3%)) K3 1 3)L
f J ).)0(.2e1).3' &))) [ 2e [ %))))) K3 1 3%L
1%6%8 F*!'() d" 5)!!4n ,*)'í!u+* ; ,*)"d
omado de K4ills, 6., 3))&L
( ) (0(.)
pg
t;p vv
v.%.
%)%3
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p3
p
p
v.6..
].&%
πρ−=ε
K313L
• presión KPaL
• velocidad Km#sL
1%7%1 V*)*b+"# d"+ ,)(du!'(
• diámetro KmL
• caudal de sólidos Kbase secaL Kg#sL
• densidad Kg#m;L
1%7%2 V*)*b+"# ,*)* "+ "u,(
• diámetro KmL
• longitud total de la instalación KmL
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El presente modelo y su correspondiente simulación, permite obtener
resultados del transporte de material granulado a trav"s de un conducto de
sección circular, donde el aire circula a co1corriente respecto del material
sólido. El conducto se halla en forma vertical y el flujo se considera
ascendente.
+as ecuaciones utiliadas en la simulación del proceso, son las resultantes
de los balances de masa y cantidad de movimiento para el aire y el material
a transportar.
+os balances se plantearon admitiendo las siguientes restricciones:
%. 8lujo pistón
3. Partículas esf"ricas
;. Do se considera las interacciones partícula1partícula
&. >omportamiento ideal de la fase gas
1%8 S-u+*!4n dn.-!* -"d*n'" S-u+nH
Para la simulación del comportamiento de las velocidades, el modelo
resultante basado en la formulación de los balances de masa y cantidad de
movimiento y formulados anteriormente, se implementan en -imulin de
4atlab para ]indoWs / %).% y se le incorporan todos los datos de la abla
31%.
abla 31% Parámetros para la simulación
Propiedad /alor Mnidades2adio partícula & ! %)1; m6ensidad del gas %,3) Xg#m;
2adio de tubería (,%& ! %)13 m8racción hueca =,( ! %)1% 111>aída de presión 3% )(3,% Xg#m3
+ongitud de tubería
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1%9 D#"( d"+ ##'"-* d" ')*n#,()'" d" #4+d(# "n 5*#" d+ud*
Para el dise$o y análisis del sistema de transporte neumático se
implementa en E!cel un rango de hojas de cálculo incorporando los
modelos empíricos dado en la literatura K4ills, 6., 3))&L
En las hojas antes mencionadas, se implementa una secuencia sistemática
de operaciones, considerando los modelos empíricos propios y
suministrados en la bibliografía. -e consideró un sistema de transporte de
sólidos mediante aire, a trav"s de un sistema complejo de tuberías, que
incluye soplador, tolva, tuberías horiontales y verticales, codos y ciclón,
respectivamente.En la primera parte el trabajo, se considera como sólido a transportar la
quinua, cuyas principales características de los materiales para el
transporte son sus diferentes diámetros de partícula y densidad los cuales
se presentan en el cuadro 31%a.
>uadro 3?%a >aracterísticas de cereales más comunes
Material diámetro [m] densidad [ kg/m3 ]
^uinua
4aí
%,
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+os datos para la simulación se presentan en el cuadro 31%a. El programa
simulin permitió hacer uso del solver B6E%'s para sistemas inestables,
dado que con otros solvers como B6E&', el sistema no resuelve, puesto
que el sistema es altamente inestable es decir, fluctIa la solución.
F/u)* 109 P")5+ d" +*
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F/u)* 10 P")5+ d" +* - ; 2> -
Para el análisis del efecto de los parámetros operacionales en el dise$o del
equipo de transporte neumático, se consideraron los datos especificados
en la abla 313, como son diámetro de tubería K6 tL, diámetro de partícula
KdpL, temperatura del gas KtgL, caudal del soplador K^sopL, flujo másico de
sólidos K]sL, radio de partícula Kr pL y velocidad terminal KMtL todo para una
longitud total de tubería recta de %&&,0= m y sobre la presión y la velocidad.
+os resultados se presentan en los ablas 31; y 31& en ellas se observan
la variación de la presión y de la velocidad del fluido en diferentes puntos
de la instalación, tambi"n se observa que la presión disminuye en %(,;'_
a lo largo de la instalación y que la velocidad del fluido aumenta a lo largo
de la misma en %%,
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5sí mismo, los datos de ingreso han permitido obtener con E!cel un valor
de la velocidad de sustentación de 3%,%& m#s, valor inferior a cualquier
valor obtenido en los diferentes puntos de la instalación, segIn se puede
confirmar en la abla 31;. Este resultado nos indica que no e!istirá material
sólido flotante dentro del ciclón, y que se producirá una descarga normal.
abla 313 6atos de ingreso de valores para la simulación
NK V*)*b+" V*+() Und*d In/ SI Und*d"#
% 6t < pulg ),%'3& m
3 dp ),)%; pies ),));(odeo e1f ((,'& ;),;& 11
' Punto f (0,); 3(,'0 ;),&=
< Punto g %)&,'3 ;%,=< 11
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0 /el. sustent V*)*!4n d" +* ,)"#4n * +( +*)/( d" +* n#'*+*!4n
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F/u)* 10$$ V*)*!4n d" +* odo e1f ;),'& 11
' Punto f 3(,=3 ;),&=< Punto g ;3,)30 /eloc. -ustent. 3%,%<
abla 3?< /ariación de la presión a lo largo de la instalación
NK Pun'(# P +b,u+/1 P P* L -% b %&,== %)3 '(0,
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& e %
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a %;,03 m#s, se observa en la abla 310, tambi"n es posible confirmar que
la velocidad de sustentación permanece constante y menor a cualquier
punto de toda la instalación.
abla 310 2esultados para una velocidad terminal de &'& pies#s K%;,03 m#sL
D* `tem /elocidad Km#sL + KmL% Punto b ;','= %&&,0=3 >odo c1d ;%,)0 11; Punto d ;),
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abla 31( 2esultados para una disminución del diámetro de tubería de < a ;
pulgadas
D* 7tem /elocidad Km#sL + KmL% Punto b %&3,;) %&&,0=3 >odo c1d &',;' 11; Punto d &;,(% &',03& >odo e1f &3,') 11' Punto f ;(,(% ;),&=< Punto g &0,)( 110 /eloc. sustent. %odo c1d ;%,)( 11; Punto d ;),odo e1f ;),)( 11' Punto f 3(,;% ;),&=< Punto c ;%,0) 11
0 /eloc. sustent. 3%,'; 11
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abla 31%3 /ariación de la presión a lo largo de la instalación para un
diámetro de < pulgadas
D* Puntos P Klb#pulg3L P KPaL + KmL% b %&,== %)3 '(0,
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D* Puntos P Klb#pulg3L P KPaL + KmL% @ %&,== %)3 '(0, %',(& %)( (3),)( %&&,0=; 6 %odo c1d 3;,
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& >odo e1f 3;,%' 11' Punto f 33,0% ;),&=< Punto g 3;,=< 110 /elocidad sustent. 3%,3( 11
1%9 C(n!+u#(n"#
El trabajo de tesis ha permitido llegar a las siguientes conclusiones:
%. Es posible simular el transporte neumático de quinua a trav"s de
ductos cilíndricos mediante -imulin, lo cual ha permitido cumplir
con el objetivo general propuesto en la presente tesis.
3. +a influencia del diámetro de la tubería y sus accesorios, junto con la
velocidad del flujo de aire dan una p"rdida de presión del sistema
cercana a la p"rdida de presión permitida para el sistema, lo que
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confirma el buen dise$o del sistema.
;. -i se altera el diámetro de la tubería de transporte, la caída de
presión puede sobrepasar el límite permisible y llegar a
imposibilitarse el transporte del cereal en estudio, tal como se
muestra en la abla 31%).
&. El análisis del dise$o del sistema de transporte fue comparado con
el realiado por 2hodes, 4. K3))(L y los resultados obtenidos con el
softWare E!cel de la presente esis, permite concluir que no e!iste
diferencia significativa en los resultados obtenidos, lo que garantia
el buen dise$o del sistema en estudio.
1% R"!(-"nd*!(n"#
Para el análisis de la influencia de parámetros de operación siempre tener
en cuenta la siguiente secuencia de etapas:
%. Elección del diámetro de la tubería.3. 6eterminar la velocidad del gas, hoja nImero % del programa de
cálculo en E!cel.;. >alcular la p"rdida de presión en las KaL secciones horiontales, KbL
secciones verticales y KcL codos.
&. >omparar la p"rdida de presión permisible Kelegida por el autorL con
la calculada, a efectos de concluir si el dise$o es el correcto.
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A P É N D I C E
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6-EB 6E E^M2E-B+/E2SISTEMA 0 EDO
E+E4EDB 68E2ED>5+
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/elocidad de choque/elocidad de saltación Kpartículas que
5D5+52
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/[ (1 ) ] p p p a p p ed
V AV F F F dz
ρ ε − = − + −
6erivando y sacando factor comIn
2
' ( )2
g p
p p a g V V n A C ρ −= p An =
-ustituyendo n,:2
' ( )(1 ) g p
p a
V V A A C
ε −−=
2
p/p-F p p f V
D= −
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2 (1 ) ) [ ] p p pd
V A V dz
ρ ε −
Pasa a dividir todo el segundo miembro^ueda solo en el primer miembro
6ividiendo por el t"rmino cte del
' ((1 )
4 (1 )
g
p a
p
V A A C
V A
ε
ε ρ
−−=
−
-implificando
' ( )(4
g aa p g
p p
C F A V
V
ρ
ρ = −
d"nticamente para:
2
/
1(1 )
2 p p p p p F D f V π ε ρ − = − −
6ividiendo por el t"rmino cte y simplificando queda:
e p p g F n V g ρ =
-ustituyendo el valor de np y reagrupando:
( ) p p g pn V g ρ ρ −
6ividiendo por el factor cte del primer miembro y simplificando
( )
2
g p
p
g ρ ρ
ρ
−
+a ecuación original quedaría:
' 2( )2 ( )
( ) 4 2
p p g p g p p g p
p p p p
dV A Ca V V f V g
V dz V D
ρ ρ ρ
ρ ρ
− −
= − +
Brdenando:'
2
2( ) ( )( ) (1 )
4 2
p p g p p g
g p
p p p p
dV A Ca f V g V V
dz V D V
ρ ρ
ρ ρ = − − − −
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Esta ecuación nos permite obtener el perfil de velocidad de la p
-i hacemos:
'
1 2 3( ); (1 ); ( )
4
p g g p
p p
A Ca f K K g K g
D
ρ ρ
ρ ρ = = − =
5 EDO quedaría:
21 232
( ) ( )( )2
p g
g p p
p p p
dV K K V V K V
dz V V
ρ
ρ = − − −
9aciendo y% J /p y y3 J /g:
21 1 22 1 3 12
1 1
( ) ( )( ) ( )2
g
p
dy K K y y K y
dz y y
ρ α
ρ = − − −
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[ ] (*) g g g p g f ad
V AV F F F F dz
ρ ε = − − − +
6erivando y sacando factor comIn:
(2 ) [ ] g g g p g f ad
V A V F F F F dz
ε ρ = − − − +
p
dp F A
dz ε − = −
g g F A g ε ρ − = −
21
2 f g g F D f V π ε ρ − = −
2
' ( )1 (1 )
[ ][ ]2 2
g p
a p a g
g g p
V V A F A C
AV V
ε ρ
ερ
−−=
-ustituyendo en la ecuación KQL y simplificando:
'
2
g p
(1 )1 1( )( )( ) ( ) (V -V )
2 2 4
g p
g
g g g p g
dV AdP g f V
dz V dz V D V V
ε
ρ ε
−= − − − +
-i hacemos:'
1 2 3 4
(1 )1; ; ( );
2 2 4
p p a
g
f A C g K K K K
D
ε
ρ ε
−= = = =
+a ecuación quedaría:
22 41 3 g p
1( ) ( ) (V -V )
2 *
g
g
g g p g
dV K K dP K K V
dz V dz V V V
= − − − +
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5
d
Bbt
2esolviendo el sistema consistente de las E6Bs K L y K L,