TRANSPORTE NEUMÁTICO DE MATÉRIALES

A) DESCRIPCIÓN

Para determinar cuándo fue empleada por primera vez la capacidad de trabajo del aire comprimido, debemos remontarnos miles de años atrás, hasta el día en que un cazador empleo por primera vez una cerbatana y una flecha para abatir su pieza.

Ya en 1888 en París se instaló una red distribuidora de aire comprimido que se extendió por toda la ciudad con una red principal de 7 kilómetros a una presión de 6 bares. Esta red de aire servía entre otras cosas para la distribución neumática de la correspondencia. (Otras aplicaciones fueron relojes neumáticos, ascensores, etc.).

Desde ese momento el transporte neumático de materiales ha ido incrementándose constantemente tanto en diversidad de formas como de materiales que transporta.

En líneas generales, el sistema se basa en una corriente continua de aire que impulsa o arrastra los objetos manipulados por el interior de un sistema de tuberías.

Se clasifican en:

1- Impulsión por aire comprimido2- Arrastre por succión o vacío3- Mixto, formado por los dos anteriores.

Con relación a su aplicación se clasifican como sigue:

1- Transporte de productos a granel2- Transporte de cartuchos, o sea, de recipientes apropiados en cuyo interior se pueden cargar mercancías eventualmente.3- Transporte de elementos sólidos

B) PARTES FUNDAMENTALES

Las partes fundamentales de estos transportadores son

- Un ventilador, compresor o bomba aspirante que es el elemento encargado de producir el aire a presión para empujar los materiales o, en su caso, para crear la succión necesaria en el transporte.

Bomba aspirante

- Un ciclón, que es el elemento en el cual se separan los materiales y que está colocado en el punto o puntos de descarga.

En los ciclones, el movimiento circular de los gases en el interior del ciclón, provoca el desplazamiento de las partículas hacia las paredes del mismo, con las cuales chocan, lo que provoca una pérdida de velocidad de las partículas, que caen y se recogen en la parte inferior del equipo.

Ciclón

- Uno o varios filtros, cuya misión es impedir que si se transportan sustancias polvorientas,

estas lleguen hasta la bomba o a la atmósfera.

Los más generalizados son:

- Filtros de mangas: Un material textil en forma de manga se interpone en la corriente de gas actuando como tamiz o colador. La eficacia de la captación depende fundamentalmente de la porosidad del tejido y de su espesor.

- Filtros electrostáticos: El gas cargado de polvo atraviesa una cámara en la que hay varios campos eléctricos de alta tensión. Las partículas se cargan negativamente y son atraídas por los electrodos de descarga donde quedan depositadas.

- Filtros húmedos: En estos filtros al flujo de gases se le hace pasar en contracorriente a una cortina de agua y un filtro plástico, de forma que las partículas son separadas por el agua.

- Una red de tuberías, que son las encargadas de conducir los materiales transportados flotando en aire.Dependiendo del tipo de transporte que estemos realizando suelen ser de acero sin soldadura, y su diámetro puede llegar a ser de más de 300 mm.Para los de baja y media presión, pueden emplearse espesores del tubo menores que para los de alta presión, debido a la abrasión.

En el transporte de documentos y muestras encapsuladas, las uniones de tuberías serán a tope sin soldaduras, selladas con bridas exteriores, para evitar irregularidades que pudieran atascar la cápsula o dañarla.

Red de tuberías

C) INSTALACIONES PARA PRODUCTOS A GRANEL

Son muy empleadas en la industria y, en general, se puede decir que se utiliza el sistema de impulsión cuando el compresor se puede instalar en el extremo de la alimentación, y el sistema de aspiración cuando el grupo motor se instala en el extremo de la descarga (destino). Admiten diversos tipos de instalación, siendo los más clásicos los siguientes:

- INSTALACIONES POR IMPULSIÓN.

Este sistema se emplea principalmente para el manejo de materiales polvorientos o triturados que tienden a apelmazarse, como carbonatos, cal, sílice, arena, granalla, etc.

Funcionamiento

Esquema de instalación por impulsión

Su funcionamiento se basa en la corriente de aire producida por un compresor, que se introduce en las tuberías de carga, cayendo el material a la red de tuberías por medio de un alimentador especial de paletas que permite la entrada del material sin permitir la salida del aire comprimido.

Se puede prescindir de colocar ciclones en los puntos de descarga, que pueden ser varios,

pues en realidad "la atmósfera" actúa como ciclón, pero cuando los materiales son muy polvorientos en los puntos de descarga se colocan "ciclones" que permiten por su parte inferior efectuar las descargas y por la parte superior llevar filtros para que el aire de salida no contamine la atmósfera.

Ventajas e inconvenientes

Sus ventajas principales son:

Simplicidad de descarga que puede realizarse sin necesidad de separador de aire si el material no es polvoriento; posibilidades de conseguir mayores presiones; posibilidad de transportar una mezcla de aire y material de mayor densidad, con la correspondiente economía de energía; velocidad creciente desde la entrada a la salida, que evita los apelmazamientos eventuales.

Sus principales inconvenientes son:

Dificultad de conseguir una buena entrada del material en el circuito; mayor facilidad de condensación de agua.

- INSTALACIONES POR ASPIRACIÓN O SUCCIÓN

Este tipo de transporte neumático se emplea especialmente para manipular granos, cereales, semillas, sal y otras sustancias granulosas que no sean adhesivas, pegajosas o frágiles. Se utilizan para descarga a silos de vagones, de bodegas de buques, etc, pudiendo dar rendimientos de hasta 175000 litros de grano por hora.

Esquema de instalación por aspiración

Funcionamiento

Diferencia de presiones en la tubería

Los transportadores por vacío se utilizan para "aspirar el material. El aire es evacuado de la tubería de aspiración y la presión atmosférica empuja el material en la misma. Por tanto, es la presión atmosférica la que, indirectamente, hace el trabajo. La corriente de aire que se forma en el proceso de igualar las presiones, arrastra las partículas sólidas al interior de la tubería.

Todos los transportadores por vacío funcionan según el principio básico ilustrado más abajo. El material es transportado por una tubería, desde un punto de aspiración a un depósito en el que es separado del aire. Un filtro limpia el aire antes de que pase por la fuente de vacío. La secuencia de funcionamiento es regulada por una unidad de control.

Partes del transportador por vacío

1. El vacío es generado por una bomba accionada por aire comprimido A. La bomba puede ser controlada automáticamente. Debido al hecho de que la bomba no tiene partes móviles no necesita prácticamente mantenimiento.

2. Cuando la válvula de fondo B se cierra, se genera vacío en los contenedores C y en las tuberías de transporte D.

3. De la estación de alimentación E, el material es aspirado en las tuberías de transporte en el interior del transportador.

4. El filtro F previene que el polvo y las partículas finas alcancen la bomba y a través de ella, el entorno de trabajo.

5. Durante el periodo de aspiración el tanque de choque de aire G se llena de aire comprimido.

6. Cuando el volumen interior del contenedor está completo la bomba de vacío se detiene. La tapa de la válvula de fondo se abre y el material del contenedor se descarga. Al mismo tiempo, el aire comprimido en el tanque se libera y se limpia el filtro.

7. Cuando la bomba se reinicia, el proceso se repite y comienza un nuevo ciclo. Los tiempos de aspiración y descarga están normalmente controlados por un sistema de control neumático o eléctrico H.

VENTAJAS:

Tienen las siguientes ventajas: simplicidad; posibilidad de aspirar los materiales de la pila o depósito donde están almacenados; evitan el paso de los materiales por la bomba.

INCONVENIENTES :

Sus inconvenientes pueden resumirse como sigue:

Necesidad de instalar un filtro para separar el aire del material, limitación de la potencia porque en la práctica difícilmente se consiguen presiones inferiores a 0.9 atmósferas con una bomba y 0.4 atmósferas con un ventilador.

- INSTALACIONES MIXTAS

En este tipo de instalaciones existen dos sistemas:

- Con ventilador atravesado por el material.

Tiene las ventajas e inconvenientes de los tipos de instalación anteriores, pero el material puede estropearse al pasar por el ventilador y las palas de este sufrirán mucho desgaste.

Esquema instalación mixta (ventilador atravesado por el material)

- Con bombas no atravesadas por el material.

Se utilizan dos bombas independientes, una para la aspiración y otra para la compresión o una sola bomba instalada en derivación con un separador.

Las instalaciones con bomba se emplean para transportar materiales en polvo fino como cemento, almidón, arcilla, etc., y pueden vencer distancias considerables.

Esquema instalación mixta (bombas no atravesadas por el material)

El funcionamiento de los dos tipos de sistemas mixtos que se describen, como se ve, se basan en los anteriormente citados de aspiración e impulsión.

D) INSTALACIONES DE CARTUCHOS

Como se ha dicho, puede emplearse el aire comprimido o el vacío y con ello se obtienen cinco tipos principales de instalaciones para el transporte de cartuchos:

- Instalaciones por aspiración en línea independiente.

- Instalaciones por aspiración en línea combinada.

- Instalaciones por impulsión en líneas independientes.

- Instalaciones por aspiración e impulsión en líneas independientes.

- Instalaciones por aspiración o impulsión en líneas combinadas.

Estación de recepción y envío

- INSTALACIONES POR ASPIRACIÓN EN LINEA INDEPENDIENTE

Consisten en un tubo de aspiración cuyos extremos de transporte útil (uno de expedición y otro de recepción) coinciden en la estación central, pasando por una o varias subestaciones.

Las diversas secciones de la tubería están siempre comunicadas de forma que un solo grupo motor puede mantener el vacío en toda la instalación. Por su sencillez se le considera como la instalación de cartuchos más eficaz.

- INSTALACIONES POR ASPIRACIÓN EN LINEA COMBINADA

En este tipo de instalaciones, el enlace de la estación central con las subestaciones se hace por líneas separadas en la que se refiere a la expedición; en cambio el reenvío de las subestaciones a la estación central se efectúa por una línea común.

Un solo motor mantiene el vacío en toda la instalación por estar comunicadas todas las secciones de tubería.

- INSTALACIÓN POR IMPULSIÓN EN LINEAS INDEPENDIENTES

En realidad este tipo de instalaciones consta de una línea única que alimenta a todas las estaciones en los dos sentidos.

Se emplea una tubería de alta presión para llevar el aire desde el grupo motor a un depósito por medio de una válvula reductora reduciendo la presión inicial a un 10%.

El aire suministrado a baja presión por el depósito es el que asegura el transporte dentro de los tubos neumáticos.

Exigen la presencia de una serie de válvulas que se abran y se cierren automáticamente cada vez que se cierra o se abre una puerta de admisión de cartuchos.

- INSTALACIONES POR ASPIRACIÓN E IMPULSIÓN EN LINEAS INDEPENDIENTES

Consta de un tubo único enlazando dos estaciones. La circulación de aire puede ser en uno u otrosentido, utilizando dos grupos motores o un grupo motor con inversión de marcha.

Este sistema no puede emplearse más que entre dos estaciones y solo un cartucho puede ser transportado cada vez en un sentido.Como consecuencia resulta indicado cuando hay que unir dos estaciones muy separadas y con una circulación intermedia que pueda ser intermitente.

- INSTALACIONES POR ASPIRACIÓN O IMPULSIÓN EN LÍNEAS COMBINADAS

En este tipo se efectúa la expedición desde la estación central a las subestaciones por líneas distintas basándose en la impulsión; el reenvío desde las subestaciones a la estación central se efectúa por aspiración por una sola línea común. Con los dispositivos necesarios de entrada y salida se consigue que un sólo grupo motor proporcione la impulsión y la aspiración.

Ejemplo de un sistema de transporte de cartuchos

En todos estos sistemas los cartuchos empleados son cilíndricos u ovalados y sus dimensiones interiores en Europa varían de 25 a 52 mm , habiéndose llegado en algunos casos a dimensiones mayores.

El espesor de los tubos empleados oscila entre 0.9 y 2.5 mm. Se fabrican en plástico transparente, con cerradura de seguridad.

Cartuchos

APLICACIONES

Es fácil poder transportar dentro de uno de estos cartuchos hasta 5 kg de correo, por ejemplo, en la ciudad de New York la distribución del correo se efectúa por un sistema neumático, compuesto por 43 kilómetros de tubos dobles, con unos cartuchos que contienen unas 500 cartas de tamaño medio cada uno; con ello se manipulan unos 10 millones de piezas de correspondencia por día.

Estas instalaciones tienen muchas aplicaciones, principalmente para asegurar un servicio de mensajería en las grandes plantas industriales, comerciales, hospitales, hoteles, bancos, servicios públicos, laboratorios, fábricas textiles, etc. Con ellos se pueden transportar planos, correspondencia, documentos, herramientas, bobinas, muestras y en general paquetes pequeños. Tienen mucho empleo para mandar muestras a los laboratorios y reexpedir con toda rapidez los análisis.

E) TRANSPORTE DE ELEMENTOS SÓLIDOS

También se puede utilizar el sistema de vacío por medio de ventosas u otros sistemas para desplazar elementos, como pueden ser cristales, chapas, etc.

Ventosas para izado Aspirador manual

DISEÑO DE CICLONES SEPARADORES

1. DEFINICIÓN:

Los Ciclones: Son colectores centrífugos en los que la entrada de aire es tangencial al cuerpo del cilindro, de esta manera se fuerza a las partículas a dirigirse hacia las paredes, donde perderán su energía y caerán a un colector o tolva situado en la parte inferior del cuerpo.

2. CARACTERISTICAS DE LOS DISTINTOS TIPOS DE CICLONES:

2.1. Ciclones Convencionales:

Características de los ciclones convencionalesDimensión Nomenclatur

aTipo de ciclón

Lapple Swift Peterson-Whitby

Zenz

Diámetro del ciclón Dc/Dc 1.0 1.0 1.0 1.0Altura de entrada a/Dc 0.5 0.5 0.583 0.5Ancho de entrada b/Dc 0.25 0.25 0.208 0.25

Altura de salida S/Dc 0.625 0.6 0.583 0.75Diámetro de salida Ds/Dc 0.5 0.5 0.5 0.5

Altura parte cilíndrica h/Dc 2.0 1.75 1.333 2.0Altura parte cónica z/Dc 2.0 2.0 1.837 2.0

Altura total del ciclón H/Dc 4.0 3.75 3.17 4.0Diámetro salida

partículasB/Dc 0.25 0.4 0.5 0.25

Factor de configuración

G 402.88

381.79

342.29 425.41

Número cabezas de velocidad

NH 8.0 8.0 7.76 8.0

Número de vórtices N 6.0 5.5 3.9 6.0

2.2. Ciclones de Alta Frecuencia:

Características de los ciclones de alta eficienciaDimensión Nomenclatur

aTipo de ciclón

Stairmand

Swift Echeverri

Diámetro del ciclón Dc/Dc 1.0 1.0 1.0Altura de entrada Ka=a/Dc 0.5 0.44 0.5Ancho de entrada Kb=b/Dc 0.2 0.21 0.2

Altura de salida S/Dc 0.5 0.5 0.625Diámetro de salida Ds/Dc 0.5 0.4 0.5

Altura parte cilíndrica h/Dc 1.5 1.4 1.5Altura parte cónica z/Dc 2.5 2.5 2.5

Altura total del ciclón H/Dc 4.0 3.9 4.0Diámetro salida partículas B/Dc 0.375 0.4 0.375

Factor de configuración G 551.22 698.65 585.71Número cabezas de

velocidadNH 6.4 9.24 6.4

Número de vórtices N 5.5 6.0 5.5

2.3. Ciclones de Alta Capacidad:

Características de los ciclones de alta capacidadDimensión Nomenclatura Tipo de ciclón

Stairmand SwiftDiámetro del ciclón Dc/Dc 1.0 1.0Altura de entrada a/Dc 0.75 0.8Ancho de entrada b/Dc 0.375 0.35

Altura de salida S/Dc 0.875 0.85Diámetro de salida Ds/Dc 0.75 0.75

Altura parte cilindrica h/Dc 1.5 1.7Altura parte cónica z/Dc 2.5 2.0

Altura total del ciclón H/Dc 4.0 3.7Diámetro salida partículas B/Dc 0.375 0.4

Factor de configuración G 29.79 30.48Número cabezas de velocidad NH 8.0 7.96

Número de vórtices N 3.7 3.4

3. EFICIENCIA DE SEPARACIÓN:

Se proponen las siguientes fórmulas para calcular la eficiencia de separación para un determinado diámetro de partícula, el diámetro de corte que representa el diámetro para el cual la eficiencia de separación es del 50% y el diámetro crítico que es el diámetro de partícula a partir del cual la eficiencia de separación es del 100%.

Dónde:

: Eficiencia de separación: Diámetro de corte

: Diámetro crítico: Viscosidad del fluido: Factor de proporcionalidad definido por la geometría de la partícula.

: Diámetro que tendría una esfera del mismo volumen que la partícula.

: Diámetro de la partícula (mayor longitud de la misma)

: Densidad del gas

: Densidad de las partículas: Velocidad del gas a la entrada del ciclón: Número completo de vueltas que da el gas a través del ciclón en su vórtice inicial, para la eliminación de partículas.

Otra alternativa para calcular la eficiencia es:

Dónde:

ƞi = Eficiencia fraccional por intervalos de tamaño.G = Factor de configuración del ciclón.Ti = Tiempo de relajación para cada partícula, s.Q = Caudal de gas, m3/s.Dc = Diámetro del ciclón, m.n = Exponente del vórtice del ciclón

En la cual:

Dc = Diámetro del ciclón, m.T = Temperatura del gas, K.

Nota: El cálculo de la eficiencia de separación para todo el efluente hay que hacerlo para todos los rangos de diámetros de las partículas que contiene el aire a tratar, y teniendo en cuenta el porcentaje en masa que ocupa cada rango en el total de la masa de las partículas arrastradas por el efluente.

Eficiencia aproximada de los distintos ciclones:

Familia de ciclones Eficiencia de remoción (%)Total de

partículasPM 10 PM 2.5

Convencionales 70 - 90 30 - 90 0 - 40Alta eficiencia 80 - 99 60 - 95 20 - 70Alta capacidad 80 - 99 10 - 40 0 - 10

4. PERDIDA DE CARGA:Es la pérdida de presión que se produce en un efluente gaseoso al pasar por un separador ciclónico debido a la fricción con las paredes, los cambios de volúmen, etc... El cálculo total de pérdidas es muy complicado (se incluye una tabla con cálculos totales), tomaremos una aproximación considerando las pérdidas de presión debido a la pérdida de energía cinética. En concreto una estimación propuesta por Shepherd y Lapple.

Cálculo total de la pérdida de presión para un ciclón:

ΔPe : Pérdidas en la entrada del ciclón.ΔPk : Pérdidas de energía cinética.ΔPf : Pérdidas por rozamiento en el vórtice exterior.ΔPr : Pérdidas de energía cinética debidas al campo rotacional.ΔPo : Pérdidas de presión en el vórtice interior y salida del ciclón.

Cálculos de pérdidas de presión para un ciclón convencional de Lapple (la pérdida de presión depende principalmente de la familia de ciclones y de la velocidad de entrada del efluente) y distintas velocidades de entrada del efluente gaseoso:

Velocidad (m/s)

ΔPe ΔPk ΔPf ΔPr ΔPo Total (Pa)

5 16 9 37 31 11 1048 35 21 84 70 26 235

10 62 37 149 124 45 41713 97 58 232 194 71 65215 140 83 335 279 102 93916 159 95 381 319 117 107118 190 113 456 380 139 127920 248 148 596 497 181 1670

5. TIEMPO DE RELAJACIÓN:Tiempo necesario para que una partícula alcance la velocidad terminal de caída.

6.7.

Dónde:Rp : Densidad de la partícula, kg/m3.Dpi : Diámetro de la partícula, m.Μ : Viscosidad del gas, kg/ms.

8. VELOCIDAD DE SALTACIÓN:Velocidad de entrada de aire al ciclón a la que empieza a resuspenderse la materia particulada, produciendo una disminución en la eficiencia de captación del ciclón.

Consideraciones en el diseño del ciclón:

Seleccionar los tipos de ciclón adecuados, dependiendo del funcionamiento o necesidades requeridas, tamaño de partícula a limpiar, etc...

Obtener un estimativo de la distribución de tamaño de las partículas en la corriente gaseosa a ser tratada.

Calcular la eficiencia y la caída de presión de los ciclones para estimar cual es el que mejor se adapta a las necesidades del efluente.

Calcular el diámetro del ciclón para una velocidad de entrada que no permita la resuspensión de material y que minimice la pérdida de carga (principal coste de funcionamiento del ciclón), y determinar las otras dimensiones del ciclón con las relaciones establecidas para las familias de ciclones con base en el diámetro.

En ciertos casos los requerimientos de caudal o de distribución de partículas propician la necesidad de trabajar con ciclones en paralelo, para grandes efluentes, o en serie, para conseguir una mayor eficiencia en la recolección de partículas.

Fuentes:

Theoretical Study of Cyclone Design. (May 2004)Lingjuan Wang,B. Eng., Anhui Institute of Finance and Trade, China;M.S., Texas A&M University

Diseño óptimo de ciclones. Carlos Alberto Echeverri Londoño. Medellín, 2006