Desarrollo de un sistema de alimentación y picado de residuos agrícolas de la cosecha de caña de...

7/30/2019 Desarrollo de un sistema de alimentacin y picado de residuos agrcolas de la cosecha de caa de azcar (RAC), visto desde su metodologa de diseo

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1. Introduccin

En concepto de la mayora de cientcos, la emisinde gases de efecto invernadero a la atmsfera es lacausa principal del calentamiento global. En los ltimosaos algunos pases han aprobado legislaciones que

obligan a las empresas a reducir sus emisiones; unade estas legislaciones es el denominado Protocolo deKioto el cual obliga a controlar las emisiones de gasescontaminantes por debajo de un tope. Un conceptoactualmente utilizado son los denominados bonos decarbono, un sistema internacional mediante el cualse premia a las empresas que reducen sus emisiones

y se hace pagar a aquellas que las incrementan; estosbonos se pueden comprar u obtener a travs deproyectos certicados como reductores de emisiones.Bsicamente, un bono de carbono es el derecho aenviar a la atmsfera una tonelada de CO

2(dixido

de carbono).

El Ingenio del Cauca firm un acuerdo con elgobierno holands, con el cual se busca la disminucinde los niveles de CO

2arrojados a la atmsfera a cambio

de una remuneracin econmica por cada tonelada deCO

2que se deje de producir. El ingenio desea disminuir

la cantidad de carbn que se quema en las calderas alreemplazarlo por residuos de la cosecha; actualmenteen Colombia es muy comn la quema en campo delos residuos de la cosecha de la caa de azcar (RAC),

Vector, 5 (2010) 25 - 36

Vector 5 (2010) 25 - 36ISSN 1909 - 7891

Desarrollo de un sistema de alimentacin y picado deresiduos agrcolas visto desde su metodologa de diseo

Giovanni Torres Ch.a*, Juan Pablo Prieto R.b

a Magster en Ingeniera Mecnica. Profesor asistente, Ingeniera Mecnica, Universidad Tecnolgica de Pereira, Pereira (Colombia).b Ingeniero Mecnico. Cali (Colombia).

Aprobado: 11 de octubre de 2011

* Autor de correspondencia.E-mail: [email protected] (G. Torres)

R

Aunque tradicionalmente cuando se habla de diseo se piensa inmediatamente en algn artefacto fsico, este es tan solo el resultadonal del diseo; el diseo no se limita a realizar clculos exhaustivos de resistencia o potencia, y al dimensionamiento y seleccin deelementos mecnicos. El diseo est centrado realmente en la generacin de sucientes conceptos y de estos efectuar la seleccin delque mejor cumpla con la solucin a las necesidades y restricciones de diseo establecidas.

En este artculo se presenta una metodologa de diseo y los resultados obtenidos al aplicarla al desarrollo de un sistema de alimentaciny picado de residuos agrcolas de la cosecha de la caa de azcar en el Ingenio del Cauca (Incauca). En general, la aplicacin de unametodologa de diseo estructurada permitir obtener mejores resultados que los que se obtendran con la aplicacin informal de clculospara ideas preconcebidas.

Palabras clave: metodologa de diseo, proceso de diseo, residuos agrcolas de la cosecha de caa de azcar (RAC), picadoras.

Development of a system of feeding and chopping of agricultural residues (ACR), as seen from thedesign methodology

A

Although traditionally when people talk about design they think immediately of some physical artifact, this is just the nal outcome ofthe design; the design is not limited to perform exhaustive calculations of resistance or power, and the sizing and selection of mechanicalelements. The design is actually focused on the generation of sucient concepts and make the selection of that best meets the solutionto the needs and constraints of design laid down.In this document is presented a design methodology and the results obtained when its applied to the development of a system offeeding and chopping of agricultural residues of the harvest of sugar cane (RAC) in the Ingenio del Cauca (Incauca). In general, theimplementation of a structured design methodology will get beer results than those obtained with the informal application of calculationsto preconceived ideas.

Key words:design methodologies, design process, agricultural residues of the harvest of sugar cane (ACR), shredders, sugar mill.


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debido a que no se maneja un mtodo de recoleccin ypicado que sea viable econmicamente, por eso es mssencillo quemarlos que utilizarlos como combustiblepara las calderas o como compostaje.

Resolver la dicultad de la recoleccin y el picadoes de vital importancia para lograr el objetivo trazadoen el ingenio; a pesar de que, previo a este trabajo, en

el ingenio se haban hecho algunas aproximaciones aun sistema de picado de residuos, estos no han sidoecaces debido principalmente a que no se tuvieronen cuenta algunos factores tanto en la identicacin delas necesidades, como en los conceptos desarrollados.En este artculo se presentan la metodologa y losresultados obtenidos en el proceso de diseo de unsistema de alimentacin y picado de residuos agrcolasde la cosecha de caa de azcar (RAC) en el Ingenio delCauca; cada uno de los pasos seguidos en el proceso esexpuesto brevemente y desarrollado con la informacinrelevante al proyecto para cada uno de ellos.

2.Diseo del sistema de alimentaciny picado de RAC

El ejercicio del diseo no se limita a la realizacinde clculos exhaustivos de resistencia y potencia, y al

dimensionamiento y seleccin de elementos; el diseoest centrado realmente en la generacin de conceptosy en la seleccin del que mejor cumpla con la solucina las necesidades y restricciones de diseo establecidas.El grado en el que un producto satisface a los clientes ypuede ser comercializado de manera exitosa depende,en gran medida, de la calidad y concepto subyacente.

Un buen concepto es en ocasiones mal interpretado en lasfases de desarrollo posteriores, pero un concepto deficiente,en raras ocasiones se puede manipular para lograr el xitooperacional(Dym y Lile, 2002).

En la Figura 1 se presenta el modelo prescriptivo delproceso de diseo propuesto por Dym y Lile (2002)y que fue tomado como base en la realizacin de esteproyecto. Este modelo de proceso de diseo centrasus esfuerzos en la identicacin de las necesidadesde los clientes y en la generacin de soluciones paraestas necesidades; depuradas las soluciones y obtenidala mejor solucin, el concepto es llevado a la fasesde diseo preliminar y de detalle que incluyen entreotras cosas la realizacin de los clculos de potenciay velocidades, la seleccin y dimensionamiento delos elementos y las evaluaciones y verificacionesestructurales y dinmicas; como fase nal del procesose hace la comunicacin del diseo.

Definicin del problema

1. Aclarar objetivos2. Establecer requerimientos del usuario3. Identificar restricciones4. Establecer funciones

Diseo conceptual

Diseo preliminar

Diseo detallado

Comunicacin del diseo10. Documentar el diseoEspecificaciones

Planteamiento

Del cliente

5. Establecer espec ificaciones de diseo6. Generar alternativas

7. Modelar o analizar el di seo8. Probar y evaluar el di seo

9. Afinar y optimizar el diseo

Producto validacin

verificacin

Figura 1. Modelo prescriptivo del proceso de diseo.


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Para el desarrollo del proyecto se conform unequipo de diseo temporal en el que se incluyerondos ingenieros de Incauca, que haban trabajadopreviamente con residuos agrcolas de la cosecha dela caa de azcar (RAC).

2.1. Denicin del problema Descripcin de la

necesidad

La denicin del problema dentro de un proceso dediseo debe permitir: aclarar los objetivos, establecerrequerimientos del usuario, identicar restricciones yestablecer funciones. Para el desarrollo del proyecto erade vital importancia conocer las caractersticas de losresiduos de la cosecha en campo, los requerimientospara los residuos una vez picados, las cantidades deresiduos a manejar, las limitaciones tecnolgicas y deespacio que se tenan, as como cualquier antecedenteque se tuviese en el manejo o picado de los residuosde la cosecha.

2.1.1. Substitucin de carbn por residuos de cosechacomo combustible en las calderas

En el acuerdo rmado por Incauca, el ingenio secompromete a disminuir en 14000 toneladas al ao lacantidad de carbn usado como combustible en suscalderas. Una de las maneras de lograr este reemplazode combustible es alimentar las calderas con otro tipode combustible, que sea abundante, que no produzcamayores niveles de contaminacin y que no representecostos superiores: los residuos agrcolas de la cosechade la caa de azcar (RAC).

Las variedades de caa cultivadas en Colombiason de alta produccin de biomasa (RAC), que alcosecharlas en verde dejan en el campo una grancantidad de residuos que pueden ser aprovechadospara generar energa elctrica. Cada hectrea decaa despus de cortada deja en el terreno, entrehojas, cogollo y tallos descartados un promediode 40 toneladas de residuos. Los volmenes queestn quedando diariamente en el terreno son deaproximadamente 4400 t/d/ha (Briceo, 1996).

2.1.2. Composicin de los residuos agrcolas de la cosecha

(RAC)

La composicin de los residuos agrcolas es unparmetro de importancia en el diseo de una mquinaque sea capaz de llevarlos a una granulometraadecuada para ser usados como combustible.

Las hojas secas son de forma alargada y estrecha,y su contenido de bra se encuentra alrededor del90%. Las hojas verdes tienen las mismas caractersticas

morfolgicas de las hojas secas, pero su contenido debra se encuentra alrededor del 35% (Valds, 2009).Los cogollos tienen longitudes que puede variar entrelos 10 y 30 cm, con una constitucin fsica similar altallo de caa, estos se cortan de la planta durante lacosecha y podran almacenarse para aprovechar mejorlas grandes cantidades que se producen durante la

temporada de cosecha. En la Tabla No. 1, se presentanlos valores de proporcin y composicin del RAC(datos reportados por el Departamento de Cosechade Incauca S.A.).

Tabla 1

Composicin tpica del RAC

Composicin del RAC Porcentaje (%)

Caa 90

Cogollo 6

Paja 2

Hierba 1

Tierra 1

2.1.3. Caractersticas deseables en el material picado paraser utilizado como combustible

Ya que actualmente se utiliza bagazo comocombustible en las calderas con buenos resultados,se desea que los residuos que sean utilizados parala produccin de vapor tengan caractersticas fsicassimilares a las del bagazo que se utiliza actualmente.Para comparar el bagazo y los residuos de cosecha seutiliz el concepto de la supercie especca, empleadoampliamente en la industria azucarera para medir lagranulometra del bagazo.

El mtodo de la superficie especfica permiteconocer el cambio de la granulometra del bagazo ensu paso por cada molino del tndem. En la Tabla No.2, se presentan los rangos que relacionan la supercieespecca con la calidad de preparacin, esta escalaes la utilizada por Cenicaa (Centro de Investigacinde la Caa de Azcar de Colombia) para realizar estacalicacin.

Tabla 2Rangos de relacin entre superficie especfica y calidad depreparacin

Supercie especca(mm2/g)

Calidad de preparacin de la caa

5500 Buena (na)

4250 Intermedia

3000 Mala (gruesa)

Algunas consideraciones que se deben tener en cuentason:a) Los RAC son ms fciles de manejar cuando

no estn verdes porque se vuelven frgiles. La


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humedad en los RAC vara considerablementesegn el tiempo que pasa despus de cosechadala caa; se debe procurar procesar RAC conhumedades inferiores al 50%.

b) La granulometra de los RAC no es constante, perosegn el estudio mostrado por Cenicaa sobre la

supercie especca del bagazo, el valor con el queconviene que salgan picados los RAC debe estarpor debajo de los 3000 mm2/g; en este sentido unvalor de 2700 mm2/g, similar a la de la caa antesde entrar al primer molino, parece apropiado.

2.1.4. Manejo de los residuos de la cosecha de caa

2.1.4.1. AntecedentesEn la industria azucarera colombiana se ha tratado

de encontrar la solucin ms efectiva para resolver elproblema de los residuos agrcolas de caa de azcar,para lo cual se ha estudiado a fondo la actividad derecoleccin y transporte de RAC (Briceo, 1996). EnIncauca desde el ao 2003 se ha venido adelantandoun desarrollo logstico y tecnolgico con el n dedar utilizacin efectiva a estos residuos. Todas estasexperiencias mostraron unos costos muy elevados enla recoleccin y transporte, ya que se hacan con lamaquinaria diseada para cosecha de caa que no eratotalmente apropiada para el manejo de los residuos.

2.1.4.2. Problemas de los equipos de picado utilizados enlos ensayos

El sistema implementado inicialmente en Incaucatrat de aproximarse al mecanismo usualmenteutilizado en el picado de la caa en el ingenio. Estesistema se proyect para que los residuos picadosfueran alimentados directamente a las calderas.

Figura 2. Unidad de picado de RAC del sistemainicial ensayado en Incauca.

En la conguracin inicial ensayada (ver Figura2), los problemas se debieron principalmente a laposicin del yunque o contracuchilla que provocabaque algunos elementos, como los cogollos, caa ychulquines no fueran picados o fueran decientementepicados. Por otro lado, cuando el equipo entraba enoperacin con carga, se apreciaba una mala dosicacin

y compresin de la carga; la causa de este problemafue hallada en el tambor alimentador, el cual debidoal gran dimetro exterior que tena estaba ubicadomuy lejos del sistema picador lo que provocaba quela carga se descomprimiera en el trayecto entre eltambor alimentador y la picadora, lo que generabaatascamientos de material en la entrada del rotor,friccin entre el material y las cuchillas y atascamientosen el sistema. Para este sistema, los tamaos del residuopicado eran excesivamente largos comparados con eltamao y forma del bagazo que entregan los molinos.

La segunda aproximacin al sistema de alimentaciny picado en Incauca, fue congurada de una mejormanera que la inicial, toda vez que se hicieroninversiones en la compra de los transportadores yde un equipo de picado. Este sistema se proyectpara que los residuos picados fueran utilizados enla planta de compostaje que vena adecuando elingenio; el compostaje es el proceso biolgico aerbico,mediante el cual los microorganismos actan sobrela materia rpidamente biodegradable (restos decosecha, excrementos de animales y residuos urbanos),permitiendo obtener compost, abono excelente parala agricultura. El equipo de picado, provisto de unyunque garantizaba poca recirculacin del material yvarias reas de corte entre los martillos y el residuo.Una vez fue implementado el sistema, el equipo pudotrabajar de manera continua, las partculas tenan unmenor tamao en comparacin con el de la picadora delsistema inicial; esto posibilitaba su uso en las calderascombinado con el bagazo. Pese al mejor desempeode este sistema, las caractersticas fsicas del residuopicado no fueron del todo satisfactorias y en laspruebas realizadas se encontr que su combustin noera del todo eciente

2.1.5. Requerimientos del usuario

N orm a lm en t e , a n t es d e id en t i f i ca r losrequerimientos, se deben identicar quines son losclientes o usuarios del sistema a disear. En esteproyecto, Incauca lo hizo antes de iniciar el procesode desarrollo, la compaa ya haba identificadouna oportunidad de mercado en particular y habaplanteado las restricciones y objetivos para el proyecto;esto determina la direccin hacia la que hay queorientarse pero no especica un destino exacto o una


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forma particular para proceder. En este caso, el cliente(Incauca) suministr la siguiente lista de necesidades:

El equipo debe ser capaz de entregar el materialcon una superficie especfica mnima de 2700mm2/g.

El equipo debe ser capaz de manejar una capacidad

mnima de molienda de 25 t/h de RAC. El equipo debe estar en capacidad de manejar

material con 57% de humedad. El equipo debe presentar niveles de ruido acordes

a las normas de salud ocupacional colombianas. Para los conductores de banda se tendr una

altura de material por picar mxima de 80 cm paragarantizar un colchn de carga homogneo de 40cm dado por un nivelador de carga.

En la entrada del sistema se debe garantizarhomogeneidad de la carga para evitar atascamientosdel equipo.

La potencia instalada total no debe exceder la quevan a generar los RAC en las calderas.

De igual manera el equipo de diseo estableci otrasnecesidades latentes en el proyecto.

2.1.6. Descomposicin funcional

Muchos proyectos de diseo pueden ser muycomplejos para ser resueltos como un solo problema,tcticamente es conveniente dividirlos en variossubproblemas ms simples. La divisin de unproblema en subproblemas ms simples se denomina

desarticulacin del problema, no existe un esquemanico por medio del cual se pueda descomponer unproblema, en este proyecto se trabaj la desarticulacindel tipo funcional.

El primer paso propuesto para realizar ladescomposicin funcional de un problema, esrepresentarlo como una caja negra que opera enmaterial, flujos de seal y energa. El siguientepaso en la descomposicin funcional es dividir lacaja negra en subfunciones, en otras palabras hacertransparente la caja para crear una descripcin msespecfica de lo que deberan hacer los elementosdel producto e implementar su funcin global. En laFigura 3 se presenta una caja de cristal resultadode la descomposicin funcional; la idea de hacertransparente la caja es exponer las transformacionesde los ujos de entrada en ujos de salida.

Figura 3. Desarticulacin funcional del proceso de alimentacin y picado de RAC.

Para cada una de las funciones establecidas, sedebern determinar ms adelante diferentes formasde lograr su objetivo; la combinacin de cada una delas soluciones para cada funcin genera un amplioespectro de soluciones de las cuales se selecciona lamejor.

2.2. Diseo conceptual

La meta en esta fase es la generacin de conceptoso esquemas de diseos alternativos; los cuales sonpresentados mediante diseos o esquemas conceptualesjunto a las especicaciones de diseo establecidas. Con


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el resultado del proceso de descomposicin funcional,el equipo de diseo decidi considerar al transporte,la separacin de materia extraa y al picado del RAC,como las funciones ms importantes del sistema; paracada una de estas funciones se establecieron diferentessoluciones.

En la Tabla 3, se presenta un subconjunto de lassoluciones encontradas para las funciones principalesdel sistema, en la primera la aparecen las funcionesprincipales que deben cumplirse en el sistema, en lassiguientes las aparecen los descriptivos de algunas delas formas en las que esta funcin podra ser ejecutadaen el sistema.

Tabla 3Subconjunto de soluciones para las funciones principales del sistema

Transportar RAC Separar materia extraa mineral Picar RAC

1. Conductor Tipo Table Top. 1. Doble banda transportadora en Vcon vibracin.

1. Rotor de cuchillas de corte perpendicular a laentrada del material.

2. Conductor de banda. 2. Utilizar un rotor dentado. 2. Rotor de martillos basculantes.

3. Transportador. neumtico. 3. No separar materia extraa mineral. 3. Rotor de cuchillas radiales.

4. Serie de rodillos separados entre s. 4. Moler RAC junto con la caa.

Entendidas cada una de las soluciones particulares,se combinaron todas las posibles soluciones de lasfunciones y se obtuvo as un conjunto de posiblessoluciones para todo el sistema. Con el espectro desoluciones obtenido y las necesidades del clientevaloradas, el equipo de diseo calic las posiblessoluciones y seleccion la ms apropiada; es sobreesta solucin que se llevar a cabo el diseo de detalle.Como resultado de esta etapa se obtuvo que la solucincon mayor valor es la que est congurada por untransportador de banda para alimentar el RAC, doblebanda transportadora en V con vibracin para separarla materia extraa y un sistema de rotor de cuchillasde corte perpendicular a la entrada del material parapicar el RAC. La ventaja de este tipo de conguracin

es el tipo de rotor por cuchillas junto a un sistema deseparacin de RAC de materia extraa mineral, lascuchillas garantizan una homogeneidad en el tamaode partculas en el material. La desventaja de estesistema es la falta de pruebas del sistema de separacinde RAC de materia extraa mineral, ya que no hayotro tipo de aplicaciones que utilicen una separacinde este tipo.

2.3 Diseo preliminar y de detalle

En las fases de diseo preliminar y de detalle se llevana cabo diferentes actividades que permiten trasladar el

concepto en algo que puede ser construido fsicamente;esto incluye entre otras cosas: el dimensionamientode los diferentes elementos del sistema, la seleccinde las partes y equipos comerciales, la generacin deplanos y especicaciones de diseo, de construccin,de operacin y de mantenimiento. Para algunas

actividades del diseo de detalle se utilizaron algunasherramientas de Diseo Asistido por Computadory de Ingeniera Asistida por Computador (CAD yCAE, por sus siglas en ingls, respectivamente). Acontinuacin se presenta el resumen de algunas de lasconsideraciones y resultados obtenidos en esta etapa.

2.3.1. Clculos de velocidades y potencia

Con las restricciones impuestas a la capacidaddel equipo y a las alturas mximas de entrada y desalida, se denieron las velocidades de trabajo delequipo, siendo estas limitadas por la velocidad delos transportadores de alimentacin del equipo y lalongitud deseada en el residuo picado; una vez denido

este parmetro, se continu con el dimensionamientode los dems elementos de la picadora, como son losrotores de alimentacin, nivelacin y corte, y el sistemade separacin de materia extraa mineral.

2.3.1.1. Seleccin de transportadores de bandaComo se puede observar en el esquema mostrado

en la Figura 4, el sistema de transporte se congurmediante tres transportadores de banda. El primertransportador es el encargado de recibir el RAC, estese ubic por debajo del nivel donde se encuentraalmacenado el RAC lo que facilitar su alimentacin porempuje. En la parte superior del primer transportador

se instala un nivelador, el cual es el encargado deorganizar y distribuir el colchn de carga. Para elconductor 1 se seleccion una banda corrugada conempujadores, para garantizar el no deslizamiento dela carga y una buena resistencia a la tensin.


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El segundo transportador se ubic en un nivelinferior al primero de tal manera que al dejar caer elRAC sobre este transportador se precipite la materia

extraa mineral que se encuentra mezclada con losRAC hacia la banda, para evitar fallos en el sistemade separacin.

El tercer y ltimo transportador es el encargado dealimentar los vagones que van a almacenar los RACpicados.

Para el segundo y tercer transportador se utilizaruna banda lisa debido a que la carga ya ha sido niveladaen el conductor 1.

Para el clculo de cada transportador se tuvieronen cuenta los siguientes parmetros: ancho de banda,ancho efectivo de banda, altura de colchn y ladensidad del material.

2.3.1.2. Cantidad de material a transportarEn el ingenio solo la caldera No. 3 opera con carbn

y bagazo; como el objetivo es el reemplazo de carbnpor RAC picados, se selecciona el consumo de esta

como el parmetro base para el clculo de la cantidadde material a transportar.

Con relacin al poder calorco del carbn y de

los RAC se sabe que existe una correspondencia de4:1, es decir que se requieren 4 toneladas de RACpara reemplazar 1 tonelada de carbn en la caldera(Gonzlez, 1995). La caldera No. 3 consume 150 t/dcuando funciona con carbn, por lo tanto se necesitan600 t/d de RAC para obtener el mismo desempeo;llevando este valor a un ujo msico de por hora (Qm)se obtiene un valor de 25 t/h.

2.3.1.3. Potencia de accionamiento del sistema detransporte

La potencia de accionamiento (Pa) del sistema de

transporte involucra el clculo de la potencia en vaco

(P1), potencia para levantar la carga (P2) y la potencia derozamiento (P

f). La cuanticacin de cada una de estos

valores se hizo utilizando las ecuaciones reportadaspor Martnez et al. (2004).

Figura 4. Esquema del sistema de transporte de RAC.

Tabla 4Potencia de accionamiento del sistema de transporte

Transportador v (m/s)Potencia P

1

(kW)Qm(t/h)

Potencia P2

(kW)Potencia P

f(kW)

Potencia Pa

(kW)Potencia P

a

(hp)

1 0,203 0,355 25 0,347 2,355 3,059 4,102

2 0,203 0,174 25 0,000 0,357 0,590 0,791

3 0,203 0,287 25 0,443 6,691 8,245 11,056

2.3.2. Clculo del sistema de picado de RAC

2.3.2.1. Clculo de la velocidad de alimentacinPara determinar las velocidades de los elementos

que componen el sistema de picado, se tuvo en cuentaque:

La magnitud de las velocidades de alimentacindepende de las rpm seleccionadas para el rotorpicador y el tamao de partculas de RACdeseado.

Las velocidades lineales de los elementos quecomponen el sistema alimentador deben seriguales para evitar atascamientos.


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Puesto que los rangos de funcionamiento de estetipo de mquinas oscila entre 210 y 1000 rpm, se eligeun rgimen de revoluciones para el rotor picador de800 rpm. Para determinar la velocidad de alimentacinde material al rotor picador se tiene en cuenta que lasupercie especca del RAC, que est relacionada consu longitud, debe encontrarse en un rango aceptable

para poder ser quemado en las calderas. Segn laexperiencia recolectada en Incauca se selecciona unalongitud de partcula de 10 mm ya que partculas quetengan tamaos cercanos a este valor, son adecuadaspara la alimentacin de las calderas sin tener problemasde atascamiento.

Con la velocidad del rotor picador, la longitudrequerida en el material picado y estableciendo que elrotor picador tendr 6 hileras de cuchillas distribuidasuniformemente, 60 de separacin entre hileras, secalcula la velocidad lineal (Vl) que debe tener el sistemade alimentacin, Vl = 0,8 m/s.

2.3.2.2. Dimensionamiento del sistema de picadoTeniendo como base los mecanismos de operacin

y las geometras de los componentes de sistemassimilares, se realiz un pre-dimensionamiento delas partes. Una vez realizado el pre-dimensionadose hicieron anlisis de esfuerzos a los elementosms crticos y con los resultados obtenidos seefectuaron modicaciones para optimizar el factorpeso/resistencia. Los componentes que se encargande realizar los procesos de alimentacin y corte sondescritos a continuacin:

Rolos alimentadores principales. Configuran laprimera etapa del sistema de alimentacin, poseen unperl dentado ideal para sujetar el material que entra ya su vez se encarga de comprimirlo, con el n de lograruna alimentacin ms homognea.

Rotores alimentadores secundarios. Trabajan bajo

el mismo principio que los rotores alimentadoresprincipales, su diferencia reside en el dimetro, elcual es mucho menor con el n de estar lo ms cercaposible del rotor picador. Su funcin es la de comprimiry alimentar el material a picar; para lograr un buenfuncionamiento del sistema, el rotor debe ser capaz desujetar la carga rmemente mientras es picada. El rotorse disea con un perl dentado con el que se obtengaun comportamiento similar al de morder el material.

Rotor picador. Compuesto por cuchillas de corte y unacontracuchilla o yunque, se encarga de picar la cargade RAC que le entregan los rotores alimentadores;la calidad en el picado se logra por la conguracinde las hileras de cuchillas, las cuales se aproximanproveyendo un efecto de corte tijera, obteniendo asuna excelente calidad de picado.

En esta fase del diseo se hizo uso extensivo desoftware tipo CAD con capacidades paramtricas quepermitieron la realizacin de cambios sin mayorescomplicaciones. En la Figura 5, se muestra el rotorpicador y el rolo alimentador.

En la Figura 6, se muestra el ensamble de todoel sistema de picado, en ella se puede apreciar la

Figura 5. Rotor picador Rolo alimentador.


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disposicin relativa de los diferentes componentes.La forma y dimensin final de cada uno de estoscomponentes se obtuvieron con la ayuda de

herramientas tipo CAD y CAE que permitieron eldimensionamiento paramtrico, y la verificacinestructural y dinmica.

Figura No. 6. Sistema de picado de RAC.

2.3.2.3. Determinacin de las cargas que actan sobre lascuchillas de corte de RAC

Para la determinacin de las cargas que el RACejerce sobre las cuchillas al ser picado, se utilizaronlos resultados de un estudio de las propiedades fsico-mecnicas de la caa de azcar, realizado en Cuba(Valds et al., 2008). En dicho estudio se desarroll,adems, un modelo matemtico racional para el clculode la fuerza y la potencia consumida por la picadora.Como el RAC se compone en un alto porcentaje de

caa, se consider conservativo utilizar estos valoresy relaciones para as eliminar la necesidad de hacerexperimentos similares para el RAC.

2.3.2.4. Seleccin de materialesDeterminada la geometra de las partes, hecho

el pre-dimensionamiento de estas y determinada lamagnitud de las fuerzas a las que estn sometidas, serealiz la seleccin de los materiales.

Uno de los elementos ms crticos, debido a suincidencia sobre el correcto funcionamiento de lamquina, es la cuchilla. El material seleccionado debetener excelentes propiedades mecnicas al impacto y

al desgaste para poder garantizar continuidad en eltrabajo y bajos costos de mantenimiento (Valderramaet al., 2003). El costo del material a seleccionar tambinjuega un papel importante debido a que son piezas dereemplazo constante. Para ello se pre-seleccionaron dostipos de materiales: AISI 5160 y XW-10.

El AISI 5160 presenta bajo costo, excelentes

propiedades al impacto y es producido nacionalmente,sin embargo la ausencia de elementos aleantes que leden estabilidad en el proceso de corte y alta resistenciaal desgaste, podra incidir en reemplazos de cuchillasprematuramente. El XW-10 o AISI A2 posee excelentespropiedades mecnicas al impacto y al desgaste; enaplicaciones de corte tiene excelente resistencia aque su lo se pique, sus elementos aleantes como elcromo, molibdeno, vanadio le dan excelente estabilidaddespus del temple, su principal desventaja es el alto

costo. La decisin del tipo de cuchilla a utilizar se dejaal usuario.

2.3.2.5. Optimizacin del diseo del rotor picador utilizandosoftware CAE

El corte es la parte ms crtica del sistema deprocesamiento de RAC; determinadas las caractersticasde los RAC y la naturaleza de las cargas a las queest sometida en el proceso de corte, se analiz elpre-dimensionamiento hecho para determinar si loselementos tienen la capacidad de soportar las cargas alas que van a estar sometidas y analizar la posibilidadde disminuir las dimensiones de estos manteniendo

factores de seguridad apropiados.Para la simulacin se utiliz la herramienta deanlisis llamada SolidWorks Simulation incluida enel software SolidWorks. Los resultados obtenidospermitieron ajustar la geometra del sistema de talmanera que soportara adecuadamente las cargas y queadems visualmente se apreciara seguro.


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Figura 7. Anlisis estructural del rotor picador.

2.3.2.6. Potencia de accionamiento del picadorPara el picador, como en todas las mquinas, el

consumo de potencia puede expresarse como la sumade la potencia invertida en el proceso propiamentedicho y la potencia invertida en las prdidas cuandoesta trabaja en vaco (ujo nulo de masa).

En el caso de la picadora de RAC, el procesoinvolucra tres funciones:

Picar la masa vegetal. Impulsar la masa vegetal picada al exterior de la

mquina. Succionar la masa alimentada hacia el rgano

picador.

Sobre la masa vegetal actan la fuerza de corte(Pcor) y la reaccin de la contracuchilla, descompuestaen una fuerza normal (N) y una de friccin (F). Eltrabajo que realiza la fuerza de corte se invierte en dos

de las funciones del rgano de trabajo. El trabajo queejecuta la componente vertical de esta fuerza se invierteen el proceso de corte, mientras que el trabajo de lacomponente horizontal acarrea una energa cinticaa la masa alimentada (Martnez et al., 2004; Valds etal., 2008).

Habiendo ya sido anteriormente determinada lafuerza de corte (Pcor), y conociendo que la velocidadde rotacin del rotor se estableci en 800 rev/mincon una velocidad lineal en el extremo de la cuchillade 41,7 m/s y utilizando las relaciones establecidaspor Martnez et al. (2004), se determin la potenciade corte: 196 kW (263 hp). La potencia calculada se

encuentra dentro del rango del consumo de potenciaen este tipo de mquinas; tambin hay que mencionarque no se requiere implementar un volante ya queen este caso la alimentacin de material es continuay en lo posible homognea, por lo que siempre setendr aproximadamente el mismo requerimiento depotencia, es decir no hay picos diferenciables; comoconsideracin adicional, el momento de inercia delrotor ya es apropiado para tener una operacin suave.

2.3.2.7. Seleccin de los elementos de transmisinTransmisin del rotor picador

Teniendo la potencia requerida en el picador(263 hp), la transmisin se seleccion como sistemapoleas y correas en V, las razones principales fueronsu gran capacidad de transmisin, capacidad para

absorber vibraciones debido a la carga y la necesidadde poco mantenimiento lo que se reeja en una mayordurabilidad del motor.

Transmisin del sistema de levante y alimentacinEste sistema consta de 3 pares de rotores ubicados

de tal manera que separen la materia extraa mineral,compriman y alimenten los RAC al rotor picador.Para seleccionar el motor del sistema se calcul lapotencia de arranque en vaco, en este sentido seutiliz la informacin de los momentos de inercia delos elementos reportada por el software CAD y el perlde aceleracin requerido; se determin una potencia

de 0,62 hp.Para esta potencia y la velocidad de alimentacin,

se seleccion la transmisin entre las siguientesalternativas:

Transmisin por cadena. Correas en V. Correas dentadas. Correas Twin Power (dentadas por ambas caras).

Para la seleccin del tipo de transmisin se tuvieronen cuenta el nivel de ruido generado, el tipo demantenimiento requerido y la facilidad de instalacin.

La transmisin utilizar correas PowerGrip TwinPower, las razones para la seleccin de este tipo desistema fueron: la facilidad de lograr el sentido de giroadecuado de todos los rotores con la misma correa, elbajo nivel de ruido que presentan las transmisionespor correas y el poco mantenimiento que se requiere.


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2.4. Comunicacin del diseo

La comunicacin de los resultados de todo proyectoes una parte esencial del mismo. Existen muchasmaneras mediante las cuales los resultados del diseonal pueden ser comunicados, estas pueden incluirpresentaciones orales, informes (que pueden contener

planos de detalle, planos de ensamble y especicacionesde fabricacin y desempeo), prototipos y modelos.

El propsito primordial de la comunicacin esinformar a los clientes los resultados obtenidos en elproceso de diseo.

En este proyecto, los resultados fueron comunicadosmediante informe a la gerencia en el que se incluan

planos de detalle de cada una de las piezas diseadas,planos de ensamble y despiece de cada uno de lossistemas y subsistemas que conguran la solucin,especicaciones de manufactura y listado de partescomerciales. En la Figura 8 se muestra el despiece delsistema de picado.

Se incluy adems un manual de funcionamiento

y de mantenimiento; la idea era lograr que losoperarios comprendieran el proceso bajo el cualtrabaja la mquina y los pasos que se deben seguirpara prolongar la vida til de todo el sistema, para ellose establecieron entre otras cosas, procedimientos deencendido, inspeccin y mantenimiento.

Figura 8. Despiece del sistema de picado de RAC.

3. Conclusiones

La aplicacin de un proceso de diseo estructuradopara resolver el problema del picado de residuos decosecha de caa, permiti disear un sistema completopara el transporte, alimentacin, picado y entregade los residuos a las calderas. Entre los aspectosmetodolgicos que incidieron fuertemente en losresultados del proyecto, se resaltan:

En la determinacin de las necesidades se encontrque la falencia que presentan los equipos actualesde picado en Incauca reside en un deficientesistema de alimentacin y de picado no apto paraeste tipo de aplicacin.

La determinacin de las necesidades de los clientespermiti conocer las caractersticas de los RACantes de ser picados y establecer las que deberantener una vez picados.

La desarticulacin funcional permiti afrontar elmacro problema enfocndose en subproblemasespeccos, facilitando su comprensin y solucin.

En el diseo preliminar y de detalle es importanteel uso de herramientas tipo CAD y CAE quefaciliten y hagan ms eciente la realizacin decambios y ajustes al prototipo virtual del diseo.

El diseo ha sido validado utilizando herramientastipo CAE y de simulacin dinmica; una vezconstruido se efectuarn las validaciones al equipoy se aplicarn las modicaciones a que haya lugar,si las hay.


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Referencias

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Dym C.L., Lile P. (2002). El proceso de diseo en ingeniera. EditorialLimusa: Mxico. 328 p.

Gonzlez R. (1995). Evaluacin econmica de los residuos agrcolas

caeros en sustitucin de combustible. Centro Azcar (Cuba),22(1):86-90.Martnez A., Valds P., Daz J., Maturell Y., Vega D. (2004). Modelo

matemtico racional para el clculo de la potencia consumidaen molinos forrajeros de tambor. Revista Ciencias Tcnicas

Agropecuarias, 13(4):1-13.

Valderrama C., Vlez C., Gmez, A. (2003) Hacia un modelode investigacin en desgaste de elementos de maquinas depreparacin. VI Congreso de la Asociacin Colombiana deTcnicos de la Caa de Azcar. Volumen 2: 125-136.

Valds H., Pedro A., Gonzlez D., Martnez A. (2008). Determinacinexperimental de propiedades fsico-mecnicas de la caa de azcarpara su procesamiento en picadoras de forraje. Revista CienciasTcnicas Agropecuarias, 17(2):1-6.

Valds A. (2009). Los residuos agrcolas de la cosecha caera . Ncleode Excelncia em Gerao Termeltrica e Distribuda (NEST).Disponible en: hp://www.nest.unifei.edu.br/portugues/pags/novidades/curso_cyted/les/pdf/Tema%201-%20Residuos%20Agricolas%20da%20Cana-de-Acucar/ExperienciasInternacionais.pdf. [Visitada en junio de 2011].

Desarrollo de un sistema de alimentación y picado de residuos agrícolas de la cosecha de caña de...

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