DISEÑO DE UN SISTEMA DE EVACUACIÓN Y LIMPIEZA DE...

DISEÑO DE UN SISTEMA DE EVACUACIÓN Y LIMPIEZA DE EMISIONES EN EL PROCESO DE FUNDICIÓN DE PLOMO SECUNDARIO EN LA EMPRESA RECUPERACIÓN DE METALES S.A.

JUAN GUILLERMO ÁNGEL FORERO

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA D.C.

2.017

DISEÑO DE UN SISTEMA DE EVACUACIÓN Y LIMPIEZA DE EMISIONES EN EL PROCESO DE FUNDICIÓN DE PLOMO SECUNDARIO EN LA EMPRESA RECUPERACIÓN DE METALES S.A.

JUAN GUILLERMO ÁNGEL FORERO

Proyecto integral de grado para optar por el título de INGENIERO MECÁNICO

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA D.C.

2.017

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Nota de aceptación: _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________

_________________________________ Presidente del Jurado

Ing. Álvaro Romero Suárez

________________________________ Jurado 1

Ing. Eric Fabien Navarro

________________________________ Jurado 2

Ing. Sherazada Calderón

Bogotá D.C. 14 de marzo de 2.017

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DIRECTIVAS DE LA UNIVERSIDAD Presidente de la Universidad y Rector del Claustro

Dr. Jaime Posada Díaz Vicerrector de Desarrollo y Recursos Humanos

Dr. Luis Jaime Posada García-Peña Vicerrectora Académica y de Posgrados

Dra. Ana Josefa Herrera Vargas Secretario General

Dr. Juan Carlos Posada García-Peña Decano Facultad de Ingenierías

Ing. Julio Cesar Fuentes Arismendi Director Ingeniería Mecánica

Ing. Carlos Mauricio Veloza Villamil

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Las directivas de la Universidad América los jurados calificadores y el cuerpo de docente no son responsables por los criterios e ideas expuestas en el presente documento. Estos corresponden únicamente a los autores.

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CONTENIDO

pág. INTRODUCCIÓN 19 1. EMPRESA 21 1.1 ANTECEDENTES 21 1.2 CLASIFICACION DE LA ACTIVIDAD 21

1.3 LINEAS DE NEGOCIO 21 1.4 UBICACIÓN E INSTALACIONES 22

1.5 ESTADO ACTUAL DEL PROCESO EN LA EMPRESA 23

1.5.1 Sistema de producción 23 1.5.2 Equipo 23 2. CONCEPTUALIZACIÓN Y PARÁMETROS 26 2.1 TECNOLOGÍA ACTUAL 26 2.1.1 Proceso de fundición de plomo secundario 26

2.1.2 Sistemas de extracción 27 2.1.2.1 Separadores ciclónicos 27

2.1.2.2 Filtros de bolsas (bag house) 28 2.1.2.3 Cámara de sedimentación 29 2.2 MATERIA PRIMA 30

2.2.1 Reciclaje 30

2.3 MANEJO DE RESIDUOS 31 2.3.1 Plomo 31 2.3.2 Cadmio 32

2.3.3 Emisiones 32 2.3.4 Residuos sólidos 32 2.4 PARÁMETROS 33

3. EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS 34 3.1 ALTERNATIVAS 34 3.1.1 Filtro de bolsas 34

3.1.2 Precipitadores Electrostáticos (PES) 34 3.1.3 Lavador de gases (Scrubber) 35

3.2 MÉTODO DE EVALUACIÓN 36 3.3 EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS 38 3.3.1 Criterios 38 3.3.2 Matriz de ponderación 39 3.4 CONCEPTUALIZACIÓN DE LA ALTENATIVA 40

4. INGENIERÍA DE DETALLE 42 4.1 COMPOSICIÓN 42 4.2 CAUDAL, VELOCIDAD Y DIÁMETRO 43

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4.3 TUBERÍAS 46 4.3.1 Accesorios en la tubería 47 4.3.2 Uniones bridadas 47 4.3.3 Estructuras 48

4.3.3.1 Estructura Sección J-K 59 4.4 CICLONES 60 4.4.1 Estructuras de los ciclones 69 4.5 FILTRO DE BOLSAS (BAG HOUSE) 74 4.5.1 Mangas 76

4.5.2 Sistema de limpieza 77 4.5.3 Compresor 79

4.5.4 Estructura del filtro 81

4.5.5 Soldadura de las estructuras 86 4.5.6 Pernos de sujeción al suelo 89 4.6 PÉRDIDAS EN EL SISTEMA 91

4.6.1 Aceleración del flujo 92 4.6.2 Método de diseño 92 4.6.2.1 Factor de carga 92

4.6.2.2 Factor para accesorios 93 4.6.2.3 Explicación de cálculos 94

4.7 VENTILADOR 97 4.7.1 Dimensiones del ventilador 98 4.7.2 Transmisión de potencia 100

4.7.3 Diseño del eje 103

4.7.4 Uniones flexibles 110 4.8 CHIMENEA 111 4.8.1 Estructura y accesorios 111

4.9 RECOLECCION DEL MATERIAL FILTRADO 112 5. SIMULACIÓN DE ELEMENTOS CRÍTICOS 115

5.1 ESTRUCTURA B-C 115 5.2 ESTRUCTURA J-K 117 5.3 ESTRUCTURA CICLON DE ALTA EFICIENCIA 119 5.4 ESTRUCTURA FILTRO DE MANGAS 121

6. MANUALES 124

6.1 MANUAL DE OPERACIÓN 124 6.1.1 Introducción 124 6.1.2 Objetivo del manual 124 6.1.3 Procedimientos 124 6.2 MANUAL DE INSTALACION 128

6.2.1 Introducción 128 6.2.2 Alineación de la tuberia 129 6.2.3 Soldaduras 129 6.2.4 Instalación de la cámara de sedimentación y ciclones 130

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6.2.5 Instalación filtro de bolsas 130 6.2.6 Instalación del compresor 130 6.2.7 Instalación del ventilado centrifugo 131 6.3 MANUAL DE MANTENIMIENTO 132

6.3.1 Introducción 132 6.3.2 Tuberías de sistema y aire comprimido y ciclones 133 6.3.2.1 Reparación de soldadura 134 6.3.3 Filtro de bolsas 136 6.3.4 Ventilador centrífugo 136

6.3.4.1 Motor 137 6.3.4.2 Poleas 137

6.3.4.3 Correas 139

6.3.5 Compresor 139 6.3.5.1 Tanque 140 6.4 MANUAL DE SEGURIDAD Y SALUD EN EL TRABAJO 140

6.4.1 Efectos del plomo en la salud 140 6.4.2 Efectos del plomo en el ambiente 141 6.4.3 Evaluación y control 142

6.4.3.1 Evaluación inicial 143 6.4.3.2 Control periódico ambiental 143

6.4.3.3 Superación del valor límite ambiental 143 6.4.4 Marco legal en el uso de EPP 144 7. IMPACTO AMBIENTAL 145

7.1 CRITERIOS 145 7.1.1 Probabilidad 145 7.1.2 Incidencia 145

7.1.3 Reversibilidad 145 7.1.4 Magnitud 145 7.1.5 Percepción 146

7.1.6 Duración 146 7.1.7 Grado de importancia 146 7.2 IDENTIFICACIÓN DE LOS IMPACTOS 146 7.3 MITIGACIÓN. 147

8. EVALUACIÓN FINANCIERA 149

8.1 COMPARACIÓN 153 8.2 EVALUACIÓN FINANCIERA POR VPN 154 8.3 PROCEDIMIENTOS. 155 8.3.1 Valor presente neto 155 8.3.2 Tasa interna de retorno 156

9. CONCLUSIONES 158

10. RECOMENDACIONES 159

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BIBLIOGRAFIA 160 ANEXOS 162

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LISTA DE TABLAS

pág. Tabla 1. Clasificación actividad económica (CIIU) 21 Tabla 2. Valores de ponderación 36 Tabla 3. Escala de satisfacción 37 Tabla 4. Matriz de ponderación (scoring) 37 Tabla 5. Ponderación de criterios 38

Tabla 6. Matriz de evaluación de alternativas 39 Tabla 7. Porcentajes de compuesto en el humo de fundición de plomo 42

Tabla 8. Distribución de partículas emitidas (vol.%) 42

Tabla 9. Contenido de elementos de particulas emitidas 43 Tabla 10. Velocidad recomendada para conductos 45 Tabla 11. Valores recomendados para espesores 46

Tabla 12. Dimensiones de las bridas 47 Tabla 13. Momentos de empotramiento 50 Tabla 14. Propiedades Acero A36 54

Tabla 15. Especificaciones perfil cuadrado 80X80X2 55 Tabla 16. Factor de pandeo 56

Tabla 17. Especificaciones perfil cuadrado 120X120X5 59 Tabla 18. Eficiencias de remoción en ciclones 61 Tabla 19. Datos Técnicos 61

Tabla 20. Dimensiones del ciclón 62

Tabla 21. Especificaciones perfil cuadrado 80X80X2 72 Tabla 22. Dimensiones y especificaciones 76 Tabla 23. Características de las telas 77

Tabla 24. Filtros de tela y sus características 78 Tabla 25. Especificaciones técnicas compresor Kaeser Modelo ASD 20 S T 81 Tabla 26. Especificaciones perfil cuadrado 80x80x5 84

Tabla 27. Propiedades de la soldadura 87 Tabla 28. Cargas a soportar por el perno 89 Tabla 29. Datos de capacidad 90 Tabla 30. Datos de capacidad 90

Tabla 31. Valores del ventilador seleccionado 97 Tabla 32. Dimensiones del ventilador 99

Tabla 33. Dimensiones del ventilador, según arreglo 100 Tabla 34. Características motor 100 Tabla 35. Factores de servicio 101 Tabla 36. Factor de confiabi-lidad 108 Tabla 37. Factor de Tamaño 108

Tabla 38. Dimensiones Unión AFZ 110 Tabla 39. Características Válvula AN tamaño 10 113 Tabla 40. Valores de torque 132 Tabla 41. Costos de diseño 149

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Tabla 42. Costos de materiales 150 Tabla 43. Costos de instalación 152 Tabla 44. Inversión final 152 Tabla 45. Parámetros de la evaluación financiera 154

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LISTA DE IMÁGENES

pág. Imagen 1. Ubicación Remétales S.A. 23 Imagen 2. Trituradora de baterías 24 Imagen 3. Horno de cubilote 24 Imagen 4. Ciclones 25 Imagen 5. Ventilador de tiro inducido 25

Imagen 6. Diagrama del proceso de fundición 26 Imagen 7. Esquema ciclón 28

Imagen 8. Esquema Filtro 29

Imagen 9. Esquema batería 30 Imagen 10. Material para fundir 31 Imagen 11. Polvo recolectado 32

Imagen 12. Esquema Filtro de Bolsas 34 Imagen 13. Esquema PES 35 Imagen 14. Esquema Scrubber 36

Imagen 15. Esquema detallado Filtro de bolsas 40 Imagen 16. Perfil seleccionado 55

Imagen 17. Render Sección B-C 58 Imagen 18. Render Sección R-S 59 Imagen 19. Render Sección J-K 60

Imagen 20. Dimensiones del ciclón 62

Imagen 21. Perfil seleccionado 72 Imagen 22. Render Estructura Ciclón de 74 Imagen 23. Compresor 80

Imagen 24. Estructura del compresor 80 Imagen 25. Perfil seleccionado 84 Imagen 26. Render Estructura filtro 85

Imagen 27. Tipos de soldadura 86 Imagen 28. Tipo de carga del perno 89 Imagen 29. Disposición de tornillos 91 Imagen 30. Esquema de identificación de componentes 93

Imagen 31. Cotas del ventilador 98 Imagen 32. Orientación de la descarga 99

Imagen 33. Perfiles correas de alta capacidad 101 Imagen 34. Esquema del eje 104 Imagen 35. Unión Flexible 110 Imagen 36. Unión Flexible 111 Imagen 37. Estructura chimenea 112

Imagen 38. Selección de válvula en Donaldson 113 Imagen 39. Selección de válvula en Donaldson 114 Imagen 40. Esfuerzos de Von Mises, estructura B-C 115 Imagen 41. Detalle del esfuerzo 116

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Imagen 42. Desplazamiento, estructura B-C 117 Imagen 43. Esfuerzos de Von Mises, estructura J-K 118 Imagen 44. Detalle del esfuerzo 118 Imagen 45. Desplazamiento, estructura J-K 119

Imagen 46. Esfuerzos de Von Mises, estructura del ciclón 120 Imagen 47. Desplazamiento, estructura ciclón 121 Imagen 48. Esfuerzos de Von Mises, estructura del filtro 122 Imagen 49. Detalle del esfuerzo máximo 122 Imagen 50. Desplazamiento, estructura ciclón 123

Imagen 51. Botón de emergencia 128 Imagen 52. Tamaños de soldadura 130

Imagen 53. Imperfecciones típicas en la soldadura 135

Imagen 54. Estado de la canal 138 Imagen 55. Tipos de desalineación 138

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LISTA DE CUADROS

pág. Cuadro 1. Valores permitidos para plomo 31 Cuadro 2. Valores permitidos para cadmio 32 Cuadro 3. Parámetros 33 Cuadro 4. Calculo de eficiencia de los ciclones 66 Cuadro 5. Volúmenes de aire y pulsaciones 79

Cuadro 6. Factor de Perdida para accesorios 93 Cuadro 7. Cálculo de pérdidas de carga por tramo 96

Cuadro 8. Procedimiento Nro. 1 125

Cuadro 9. Procedimiento Nro. 2 125 Cuadro 10. Procedimiento Nro. 3 126 Cuadro 11. Procedimiento Nro. 4 126

Cuadro 12. Procedimiento Nro. 5 126 Cuadro 13. Procedimiento Nro. 6 127 Cuadro 14. Procedimiento Nro. 7 127

Cuadro 15. Procedimiento Nro. 8 128 Cuadro 16. Procedimiento Nro. 9 128

Cuadro 17. Tipo de ensayo a realizar con base a imperfecciones 134 Cuadro 18. Mantenimientos regulares 139 Cuadro 19. Tipos de fallas 140

Cuadro 20. Identificación de impactos ambientales 147

Cuadro 21. Cuadro comparativo 153 Cuadro 22. Evaluación financiera por VPN y TIR 157

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LISTA DE DIAGRAMAS

pág. Diagrama 1. Líneas de negocios 22 Diagrama 2. Distribución de fuerza por estructura 48 Diagrama 3. Diagrama de cuerpo libre plano X-Y 51 Diagrama 4. Diagrama de cuerpo libre plano X-Z 51 Diagrama 5. Diagrama de fuerza cortante plano X-Y 52

Diagrama 6. Diagrama de momento plano X-Y 53 Diagrama 7. Diagrama de fuerza cortante plano X-Z 53

Diagrama 8. Diagrama de momento plano X-Z 54

Diagrama 9. Diagrama de cuerpo libre estructura del ciclón 70 Diagrama 10. Fuerza cortante y momento flector 71 Diagrama 11. Diagrama de cuerpo libre estructura del ciclón 82

Diagrama 12. Fuerza cortante y momento flector 83 Diagrama 13. Diagrama de cuerpo libre 3D 105 Diagrama 14. Fuerzas cortantes y momentos 106

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LISTA DE GRAFICAS

pág. Gráfica 1. Variación del caudal entre pulsos 78 Gráfica 2. Perfil de la correa 102 Gráfica 3. Resistencia a la tensión S’n 107 Gráfica 4. Variación precio del plomo por tonelada 154 Gráfica 5. Esquema de flujos financieros 155

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LISTA DE ANEXOS

pág.

Anexo A. Tubos Colmena 163 Anexo B. Conductos 165 Anexo C. Catalogo ciclones 167 Anexo D. Factor Pulse Jet 169 Anexo E. Caracteristicas Filtro de bolsas 171

Anexo F. Medidas Filtro de bolsas 173 Anexo G. Caracteristicas compresor 175

Anexo H. Diagrama perdidas por friccion 177

Anexo I. Factores de correccion 179 Anexo J. Caracteristicas Ventilador 181 Anexo K. Medidas Ventilador 183

Anexo L. Caracteristicas Motor 185 Anexo M. Medidas motor 187 Anexo N. Capacidad de transmision por canal 189 Anexo O. Dimensiones poleas 191 Anexo P. Catalogo correas 193

Anexo Q. Medidas correas 195 Anexo R. Propiedades uniones 197 Anexo S. Medidas uniones 199

Anexo T. Caracteristicas Valvulas rotativas 201

Anexo U. Reconocimiento de fallas en el compresor 203 Anexo V. Artículos Salud Ocupacional Ley 9 de enero 24 de 1.979 205 Anexo W. Simulaciones Térmicas 208 Anexo X. Planos 210

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RESUMEN El proyecto inició con la identificación del problema, se diagnosticó la situación actual del proceso y sistema de limpieza del aire existente, luego se plantearon y evaluaron alternativas de diseño del sistema de evacuación y limpieza. Después de su debida ponderación de las diferentes alternativas, se procedió a desarrollar la ingeniería de detalle de la alternativa que resultó más apropiada. Se aplicaron los distintos conocimientos adquiridos en la carrera para desarrollar cálculos y ejecutar planos de diseño. Por último se corroboraron los procedimientos de cálculo del sistema seleccionado mediante un programa de análisis de elementos finitos. Permitiendo dar continuación a la realización de los manuales de mantenimiento y operación, así como los planos de fabricación, ensamble, montaje y ubicación para el sistema, después se prosiguió a evaluar financieramente el proyecto para comprobar su viabilidad y el impacto ambiental que tendrá al implementarse. PALABRAS CLAVE: Diseño, Sistema de evacuación, Fundición de plomo, Recuperación de Metales S.A.

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INTRODUCCIÓN Los daños ocasionados por las emisiones descontroladas de plomo y otros contaminantes al ambiente están catalogadas como irreparables. De aquí nace la importancia de dar una solución efectiva a este problema por medio de un sistema de equipos y mecanismos que limpian el aire antes de ser evacuados al ambiente. Evitando severos daños a la vegetación y fuentes hídricas, sin dejar de lado el personal y las comunidades vecinas a la planta de procesamiento. Para tal efecto organizaciones como el ministerio de ambiente en Colombia, regulan y normaliza las emisiones permisibles de fuentes fijas en las plantas procesadoras de este material. Además, varios estudios técnicos y la misma organización de control ambiental en Estados Unidos dieron origen a la solución del problema desarrollando procesos estándar para la evacuación de estas emisiones, que garantizan no solamente la reducción de contaminantes sino también la recuperación de material para reingresar al proceso de reciclaje. Teniendo en cuenta la importancia y origen, se planteó el siguiente objetivo “Diseñar un sistema de evacuación y limpieza de las emisiones de gases en el proceso de fundición de plomo secundario en la empresa Recuperación de Metales S.A.” para la cual se busca dar orden al cumplir los siguientes objetivos específicos; Diagnosticar la situación actual de los sistemas de evacuación y control de emisiones contaminantes

Establecer los requerimientos funcionales y parámetros básicos

Establecer el diseño Conceptual del sistema

Establecer y evaluar alternativas de diseño

Desarrollar el diseño detallado del sistema

Evaluar por medio del MEF los elementos críticos

Diseñar y elaborar los Manuales de Operación; Montaje – Instalación, Ensamble; Mantenimiento; Seguridad y Salud en el Trabajo

Elaborar los planos de: Ubicación, Conjunto, Fabricación, Ensamble; Montaje, Eléctricos, Neumáticos y Control

Evaluar el impacto ambiental de la fabricación del sistema

Evaluar financieramente el Proyecto

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El alcance del proyecto, al implementar el sistema de extracción tendrá beneficios de cumplimiento ambiental, se van a reducir las emisiones al ambiente de contaminantes como plomo, cadmio y dióxido de azufre. Además se recuperará una cantidad considerable de material que puede ser reintegrado al proceso. También redundará en la mitigación de la exposición de los empleados y las comunidades aledañas. Para este sistema, el cual presenta la limitación de ser desarrollado únicamente en forma teórica y que para efectos de implementación y fabricación correrá por cuenta de Remétales S.A. Se desarrolla bajo una metodología de diagnóstico de la situación actual y de trabajo investigativo, donde se plantean diferentes alternativas de solución, se inicia un proceso de diseño, se sustentan en una serie de cálculos ingenieriles y consultas de diferentes fuentes de investigación, este diseño es sometido también a simulaciones en software de elementos finitos para corroborar los cálculos realizados.

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1. EMPRESA

1.1 ANTECEDENTES La empresa Recuperación de Metales S.A. identificada con el NIT: 860.067.095-5 fue fundada en la década de los setenta por su actual representante legal Rodrigo Ángel. Ubicada en el barrio Mata Tigres de Bogotá D.C. Su principal actividad económica era la recolección de baterías. Dos años después la empresa creció, inaugurando su propia fundición para extraer el material de plomo de dichas baterías, está ubicada inicialmente en el barrio León XIII de la localidad de Bosa. A partir de este momento la empresa inicio con el comercio de partes de baterías y plomo de alta pureza para distintos usos, incluso llego a producir plomo de exportación. Con los años la regulación ambiental en la capital fue cambiando por lo que fue necesario realizar un traslado de la empresa. A mediados de los noventa la fundición se reubico en inmediaciones del municipio de Soacha, Cundinamarca. En la misma década la empresa dio un gran salto, dando paso a la fabricación y comercialización de baterías para vehículos, bajo el concepto de establecimiento de comercio, la marca se denominó Baterías Ranger. 1.2 CLASIFICACION DE LA ACTIVIDAD La empresa “Recuperación de Metales S.A.” se encuentra inscrita en la Cámara de Comercio de Bogotá. La empresa clasifica en el grupo de actividades económicas presentes en la tabla 1, a continuación. La clasificación se rige bajo los códigos de Clasificación Industrial Internacional Uniforme (CIIU). Tabla 1. Clasificación actividad económica (CIIU)

CODIGO INDUSTRIA

DESCRIPCION

3811 Recolección de desechos peligrosos

3822 Tratamiento y disposición de desechos peligrosos

3830 Recuperación de metales

2429 Industrias básicas de otros metales no ferrosos

4665 Comercio al por mayor de desperdicios, desechos y chatarra

Fuente: Cámara de comercio de Bogotá, 2016. 1.3 LINEAS DE NEGOCIO La empresa cuenta actualmente con 4 líneas de negocio, las cuales son mencionadas de acuerdo al orden jerárquico del proceso:

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Diagrama 1. Líneas de negocios

Fuente: Remétales S.A. 1.4 UBICACIÓN E INSTALACIONES La empresa se encuentra ubicada en las inmediaciones del municipio de Soacha, Cundinamarca, en la vereda de Panamá, Alto el Retiro. Es un sector industrial donde también se encuentran las canteras “Corral Viejo” y “La Cueva del Zorro” además de la Ladrillera Santa Fe, sede Soacha. La empresa cuenta con un área total aproximada de 9.400 m², parcialmente construidos, donde se cuenta con un edificio administrativo, área de parqueo al aire libre para los vehículos de la empresa y el área de trabajo se encuentra cubierta por estructuras techadas.

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Imagen 1. Ubicación Remétales S.A.

Fuente: Google Maps, 2016

1.5 ESTADO ACTUAL DEL PROCESO EN LA EMPRESA 1.5.1 Sistema de producción. Actualmente la empresa cuenta con un sistema de producción rudimentario, diseñado y ensamblado con base en conocimientos empíricos, sin contar con los cálculos necesarios ni fundamentos de la ingeniería necesarios para el diseño del sistema de limpieza que debe ser optimo debido al tipo de producto que se está extrayendo (plomo), el cual es nocivo para la salud y para el ambiente. Cabe resaltar que el sistema actual de extracción y limpieza de la empresa ha evolucionado ya que antes, poseían un sistema de túneles que debido a su longitud, el humo disminuía su temperatura y las partículas suspendidas iban cayendo al transcurrir la distancia. 1.5.2 Equipo. La empresa cuenta con una serie de equipos de la fundición para dar control a las emisiones los cuales se muestran detalladamente a continuación;

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Imagen 2. Trituradora de baterías

Imagen 3. Horno de cubilote

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Imagen 4. Ciclones

Imagen 5. Ventilador de tiro inducido

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2. CONCEPTUALIZACIÓN Y PARÁMETROS

2.1 TECNOLOGÍA ACTUAL 2.1.1 Proceso de fundición de plomo secundario¹. Este proceso² refiere a la producción de plomo a partir de material reciclable como baterías, cañerías o soldaduras. Este material se mezcla proporcionalmente con algún reactivo, que puede ser carbón coque. Los materiales se ingresan al horno, ya sea rotatorio o cubilote, que alcanza temperaturas hasta de 1.000°C, lo suficiente para llevar el material a su punto de fusión. El plomo es extraído en forma líquida a moldes, de donde se sacan los lingotes, también la escoria es retirada en moldes diferentes para su posterior manejo. La eficiencia de este proceso es en promedio 70% plomo metálico y 30% escoria.

Imagen 6. Diagrama del proceso de fundición

Fuente: Evaluación y manejo ambiental de una planta recicladora de plomo (Coronel, 2002).

¹ CENTRO NACIONAL DE REFERENCIA SOBRE CONTAMINANTES ORGÁNICOS PERSIS-

TENTES. (2016). Producción secundaria de plomo. Recuperado de http://www.cnrcop.es

² INTERNATIONAL LEAD MANAGEMENT CENTER INC. (2016). Proceso reciclaje plomo [archivo PDF]. Recuperado de http://www.ilmc.org

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Por otro lado, las emisiones de la fundición son llevadas por un compresor a través de un sistema, que se encarga de recolectar las partículas del material, para ingresarlo nuevamente al proceso de reciclaje, y limpieza, para su posterior evacuación al ambiente 2.1.2 Sistemas de extracción¹. Todo el proceso de fundición de plomo secundario debe contar con un sistema de evacuación para dar un efectivo control a la contaminación y recuperación de material. Estos sistemas cuentan con recolectores de polvos y compuestos metálicos, tales como ciclones, cámaras de sedimentación y el más efectivo, filtro de bolsas. Algunos de los sistemas cuentan con quemadores² y mecanismos de enfriamiento rápido. Los primeros son utilizados para garantizar una combustión completa y eliminar algunos materiales orgánicos y con el enfriamiento rápido se busca disminuir su temperatura por debajo de 250°C, esto con el fin de evitar daños en los recolectores posteriores en el proceso. 2.1.2.1 Separadores ciclónicos³. Son equipos estacionarios, que con su geometría realizan una separación de partículas de un sólido o de un líquido presentes en un gas, a través de la fuerza centrífuga. Estos elementos también pueden separar solidos de líquidos o líquidos de diferentes densidades bajo el mismo principio. Su funcionamiento consiste en la separación de partículas a través de la fuerza centrífuga, obligando al gas a circular en espiral, bajo este movimiento la inercia de las partículas, las obliga a dirigirse a la pared del ciclón, donde chocan y caen para ser recolectadas. Las partes principales de un ciclo son; Entrada de gas: conectada tangencialmente al barril del ciclón o cuerpo cilíndrico. Barril: parte donde el gas inicia el movimiento en espiral descendente. Pierna del ciclón: es un cono invertido que dirige al polvo separado al tubo de descarga. Esta parte del ciclón es la que obliga al gas limpio, iniciar el movimiento de espiral de forma ascendente. Salida de gas: El gas limpio sale por la parte superior debido a su movimiento ascendente.

¹ INTERNATIONAL LEAD MANAGEMENT CENTER INC, Óp. cit. 45 ² Ibíd. p. 56 ³ ECHEVERRI C. A. (2006). Diseño óptimo de ciclones [archivo PDF]. Recuperado de http://www.ingenieroambiental.com

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Imagen 7. Esquema ciclón

Fuente: Universidad Politécnica de Madrid (Diquima, 2016)

El rango de eficiencias esta entre 30 – 95%, dependiendo del tamaño de las partículas que van desde 2,5 a 20 µm de diámetro. 2.1.2.2 Filtros de bolsas¹ (bag house). La unidad de filtros de bolsa consiste en filas de compartimientos aislados (bolsas) de tela por donde el aire contaminado pasa a través de estas y deja las partículas. Las partículas quedan en la cara exterior de las bolsas y alternando el periodo de filtración por bolsa, al funcionar cíclicamente, el polvo acumulado en las bolsas es sacudido y recolectado en un depósito en la parte baja del filtro, donde posteriormente por una compuerta o un sinfín es extraído.

¹ TURNER J. H. MCKENNA J. D. VATAVUK W. M. (1998). Bag houses and filters. Carolina del Norte, E.E.U.U: EPA.

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Imagen 8. Esquema Filtro

Fuente: U.S. Enviromental Protection Agency (Mussati, 2002)

Los filtros de bolsas¹ pueden llegar a contar hasta con 500 bolsas, las cuales están superpuestas sobre estructuras metálicas para dar su forma. Para el proceso de limpieza de las bolsas se cuenta con un juego de válvulas de aire, las cuales se alternan y van imprimiendo aire a las bolsas para liberarlas del polvo acumulado, esta parte del proceso se conoce como, sacudida. Es de resaltar que esta clase filtros cuenta con una efectividad del 99-99,99%. 2.1.2.3 Cámara de sedimentación². La cámara de sedimentación es un compartimiento de gran tamaño donde las partículas caen por gravedad. El gas entra a la cámara donde se expande y disminuirá su velocidad, temperatura y presión. Puede llegar a retener partículas hasta de 50 µm, su principal desventaja es su tamaño ya que se requieren grandes espacios para lograr una considerable expansión del gas. Generalmente son usadas al inicio del proceso, para retirar partículas grandes y abrasivas que puedan causar daños en los elementos de recolección siguientes.

¹ TURNER J. H. MCKENNA J. D. VATAVUK W. M, Op. cit. 78 ² FLAGAN R. C. SEINFELD J. H. (1988). Fundamentals of air pollution engineering. Englewood Clifs, NJ: Prentice Hall

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Existen dos tipos de cámaras de sedimentación¹, la cámara de expansión, es la más básica, donde la velocidad del gas se disminuye drásticamente, esto permite el gas estar más tiempo en la cámara y provocando la caída de las partículas más grandes. El otro tipo son las bandejas múltiples, donde el gas es obligado a circular entre las bandejas delgadas, la eficiencia en esta cámara es mayor debido a que las partículas tienen que recorrer menos distancia en su caída, aunque la velocidad es un poco más alta que en las cámaras de expansión.

2.2 MATERIA PRIMA Las baterías de plomo acido², son básicamente dos electrodos (uno de plomo y otro de dióxido de plomo) sumergidos en una mezcla de agua y ácido sulfúrico. Donde al conectar una carga, se genera energía e inicia una reacción química que se revierte a medida que la batería se descarga. Este proceso hace que las baterías de plomo acido, se les denomine reversibles o secundarias, permitiendo su recarga hasta 1000 veces. Imagen 9. Esquema batería

Fuente: Practical Action (van der Berg, 2009) 2.2.1 Reciclaje³. Debido a su gran cantidad de plomo, los altos precios del material puro y el potencial daño que puede ocasionar a la salud y medio ambiente. Se ha vuelto muy popular la devolución de estas al proceso de reciclaje, como un sistema informal de recolección.

¹ INSTITUTO NACIONAL DE ECOLOGÍA. (2002). Tecnologías de control de contaminantes

procedentes de fuentes estacionarias [archivo PDF]. Recuperado de http://www.inecc.gob.mx ² VAN DER BERG S. (2009). Reciclaje de baterías de plomo ácido usadas. [Archivo PDF]. Recuperado de http://www.practicalaction.org ³ Ibid.

31

El reciclaje de baterías¹, debe ser realizado bajo ciertas normas internacionales, ya que requiere de planes de contingencia para evitar el impacto. Imagen 10. Material para fundir

La ruptura de la batería², donde se vacía su contenido líquido, para ser neutralizado y luego es triturada, para por diferencia de densidades separar los plásticos de los compuestos con plomo.

2.3 MANEJO DE RESIDUOS 2.3.1 Plomo³. La fabricación y reciclaje de baterías, que generalmente se ejecuta como un proceso no regulado, es considerada como una de las actividades con mayor riesgo profesional de exposición al plomo. Cuadro 1. Valores permitidos para plomo

Valor de Referencia Referencia

Aire 0,15 μg/m³ Ambiente EPA

50 μg/m³ Ocupacional OSHA 2005

Agua 0,01 mg/L WHO 2004

0,015 mg/L EPA 2002

Fuente: Diagnostico de salud Ambiental (Idrovo, 2012). El impacto en fauna y flora, se ha presentado en peces principalmente, además de una relación entre el plomo presente en alimentos que fueron regados con agua potencialmente contaminada.

¹ BASEL CONVENTION. (2007). Information and forms in support of the implementation of the Basel Convention. Recuperado de http://www. basel.int

² VAN DER BERG, Op. cit, p. 67

³ IDROVO A.J. (2012). Diagnostico Nacional de Salud Ambiental [archivo PDF]. Recuperado de http://www.minambiente.gov.co

32

En humanos¹, los hace propensos a alteraciones de la salud, presentando anomalías en los sistemas neurológico, cardiovascular, hematológico y renal principalmente. Es posible presentar alteraciones del habla y la memoria a largo plazo, entre otros.

2.3.2 Cadmio². Este es un subproducto de la fundición de plomo secundario, pero esta labor no es la principal causa de contaminación por cadmio, siendo la primera el tabaco. El cadmio puede producir alteraciones en las funciones renales. Cuadro 2. Valores permitidos para cadmio

Valor de Referencia Referencia

Aire 5 ng/m³ Ambiente WHO 2000

5 μg/m³ Ocupacional OSHA 2007

Agua 0,003mg/L WHO 2004

Fuente: Diagnostico de salud Ambiental (Idrovo, 2012) 2.3.3 Emisiones. El manejo de emisiones se da con base a las medidas solicitadas por la CAR (Corporación Autónoma Regional Cundinamarca). Para cumplir los requerimientos la empresa cuenta con el sistema de limpieza compuesto por los ciclones y las tuberías de gran extensión. En donde el humo resultante del proceso de fundición es purificado para su evacuación al ambiente. 2.3.4 Residuos sólidos. El material particulado que es recuperado en el proceso de limpieza de las emisiones de humo, es altamente rico en plomo, por lo que es recogido en las tolvas de cada ciclón y reintegrado al proceso de fundición. Imagen 11. Polvo recolectado

¹ IDROVO A.J., Op. cit, p. 81

² Ibid., p. 82

33

2.4 PARÁMETROS Para los parámetros de diseño se tiene en cuenta la producción del horno en una jornada continua de 12 horas, donde se produce aproximadamente 5 toneladas de plomo. En este turno continuo el horno se carga cada 20 minutos con una carretillada de carbón coque con un peso aproximado de 15 Kg y 4 carretilladas de materia prima con un peso aproximado de 45 Kg cada una. El horno posee una efectividad de entre 70 – 80% por lo que un 30-20% de la materia se transforma en escoria sólida y partículas presentes en el humo de la reacción. Además el diseño tendrá como limitante el área disponible para la construcción del

sistema la cual es de aproximadamente 125 𝑚2 (esta es ocupada por el sistema de extracción actual) Cuadro 3. Parámetros

Ítem Unidad Valor

Tiempo Producción h/día 12

Total Producción Ton/día 5

Tiempo de Batch Min 20

M. Prima por Batch Kg 180

Coque por Batch Kg 15

Efectividad Horno % 75

Área Disponible 𝑚2 125

Efectividad de Limpieza % 99

Temperatura °C 850-1,000

Presión mm-Hg 560

34

3. EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS

3.1 ALTERNATIVAS 3.1.1 Filtro de bolsas¹. La unidad de filtros de bolsa consiste en filas de com-partimientos aislados (bolsas) de tela por donde el aire contaminado pasa a través de estas y deja las partículas. Las partículas quedan en la cara exterior de las bolsas y alternando el periodo de filtración por bolsa, al funcionar cíclicamente, el polvo acumulado en las bolsas es sacudido y recolectado en un depósito en la parte baja del filtro, donde posteriormente por una compuerta o un sinfín es extraído.

Imagen 12. Esquema Filtro de Bolsas

Fuente: Fundamentals of air pollution engineering (Flagan, Seinfeld, 1988)

3.1.2 Precipitadores Electrostáticos² (PES). Es uno de los dispositivos más comunes en los sistemas de control de partículas. Su funcionamiento está basado en aplicar fuerzas eléctricas al flujo de gas. Donde las partículas cargadas son obligadas a fluir a través de un campo electromagnético, el cual se encarga de recolectar las partículas en un electrodo. Estas partículas son evacuadas deslizándose hacia una tolva o con baños de agua periódicos.

¹ TURNER J. H. MCKENNA J. D. VATAVUK W. M. (1998). Bag houses and filters. Carolina del Norte,

E.E.U.U: EPA.

² FLAGAN R. C. SEINFELD J. H. (1988). Fundamentals of air pollution engineering. Englewood Clifs, NJ: Prentice Hall.

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Imagen 13. Esquema PES

Fuente: Fundamentals of air pollution engineering (Flagan, Seinfeld, 1988)

3.1.3 Lavador de gases¹ (Scrubber). Son dispositivos en los cuales se utiliza agua para capturar las partículas presentes en el flujo de gas. Su funcionamiento consiste en rociar agua dentro del dispositivo donde pasa el gas. Las gotas de agua capturan los micros partículas, ya sea por choque o proximidad, y por efecto de la gravedad el lodo formado por el choque es depositado al fondo de la torre de aspersión, de este modo, el curso del gas no se ve alterado y sale por la parte superior de la torre.

¹ TURNER. MCKENNA. VATAVUK, Op. cit

36

Imagen 14. Esquema Scrubber

Fuente: Manual costos de control de aire (Mussati, 2002)

3.2 MÉTODO DE EVALUACIÓN Para la selección de la alternativa más viable se utilizara el método de ponderación (scoring), este método permite identificar una alternativa, cuando haya un problema de decisión multi-criterio. El método cuenta con las siguientes etapas para lograr una decisión acertada; Identificar la hipótesis del problema (1) Definir las alternativas (2) Definir los criterios para la toma de la decisión (3) Asignar una ponderación en una escala de 1 a 5, para cada uno de los criterios (4);

Tabla 2. Valores de ponderación

Escala Importancia

1 No afecta 2 Poco Importante 3 Moderada 4 Importante 5 Muy Importante

37

Establecer en una escala de 9 puntos, donde se medirá cuanto satisface cada alternativa el criterio a evaluar (5);

Tabla 3. Escala de satisfacción

Escala Definición

1 Extra bajo 2 Muy bajo 3 Bajo 4 Medio 5 Alto 6 Muy Alto 7 Extra Alto

Calcular el puntaje para cada alternativa. Este cálculo se realizara con base al siguiente modelo (6);

𝑆𝑗 = ∑ 𝑤𝑖𝑟𝑖𝑗

𝑖

Donde; 𝑆𝑗: Puntaje de la alternativa

𝑤𝑖: Ponderación para cada criterio 𝑟𝑖𝑗: Escala de la alternativa en función del criterio

Ordenar las alternativas de acuerdo a su puntuación, donde la de más alto puntaje será la opción a elegir (7) La siguiente tabla muestra un ejemplo de cómo se debe realizar la matriz; Tabla 4. Matriz de ponderación (scoring)

Criterios Ponderación Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa n

Criterio 1 x y y y

Criterio 2 x y y y

Criterio 3 x y y y

Criterio n x y y y

Total Puntuación a b c

38

3.3 EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS Se realizara la matriz de ponderación para la selección de alternativas, la cual consistirá en comparar, evaluar y seleccionar el componente del subsistema de filtración secundario, debido a su similitud de funcionamiento, altos índices de efectividad, dimensiones e importancia en el proceso muy relevante. 3.3.1 Criterios. Para evaluar las alternativas se tendra en cuenta la siguiente lista de criterios que deben satisfacerse en su totalidad para que sea un diseño de sistema de evacuación y limpieza innovador, económico y viable. Recolección de material: Debe ser fundamental que la alternativa a elegir permita recuperar el material recogido del humo evacuado, ya que este puede ser reintegrado al proceso de reciclaje, además debe de contar con un sistema de fácil recolección y contar con bajos niveles de mantenimiento.

Área ocupada por el sistema: La alternativa a seleccionar debe disminuir en tamaño y longitud la ocupada por el sistema de evacuación y limpieza actual, ya que al ser equipos de gran tamaño, estos tienden a ocupar gran parte del área de la empresa, la cual no puede excederse viéndose restringida por el horno, la trituradora y almacén de material a reciclar.

Efectividad del sistema: La alternativa debe contar con una muy buena efectividad para que sea atractivo en el mercado, actualmente los sistemas de evacuación y limpieza cuentan con una efectividad del 99 %, por lo que debe ser igual o superior para poder dar cumplimiento a las normas ambientales y salubres.

Costos: El costo de la alternativa a elegir no debe ser muy alto, ya que debe ser tentativa para las fundiciones clandestinas, aquellas que funden de noche para no ser sancionadas, quieran optar por un sistema de evacuación y limpieza de humos para legalizar su situación. Para cada uno de los criterios se le su respectiva ponderación de acuerdo a la escala definida anteriormente (Tabla 2.) Tabla 5. Ponderación de criterios

Criterio Valor

C1 Menor % de humedad en el filtrado

5

C2 Área ocupada por el sistema 3

C3 Efectividad del sistema 4

C4 Menor costo 5

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3.3.2 Matriz de ponderación. La siguiente matriz evalúa las alternativas con respecto a los criterios propuestos anteriormente; Tabla 6. Matriz de evaluación de alternativas

Criterios Ponderación Filtro de bolsas

Lavador de gases

Precipitador electrostático

Recolección 5 6 30 2 10 6 30

Área ocupada

3 4 12 6 18 4 12

Efectividad 4 7 28 4 16 6 24

Costos 5 3 15 6 30 2 10

Total Puntuación 85 74 76

El resultado de la evaluación de alternativas, arroja que se debe optar por el filtro de bolsas o bag house para el subsistema de recolección. A pesar de ser de un alto costo y espacio ocupado considerable, las prestaciones que este brinda después de su instalación son efectividades casi del 100% y una buena técnica de recolección de las partículas del gas, ya que como se ha mencionado anteriormente, esta materia puede reintegrarse al proceso de reciclaje, traduciéndose en un menor costo de la materia prima.

40

3.4 CONCEPTUALIZACIÓN DE LA ALTENATIVA Imagen 15. Esquema detallado Filtro de bolsas

Donde; Ingreso (1): El flujo de gas, entra al filtro después de pasar por otros elementos de limpieza mecánicos. La entrada puede darse por la parte inferior o superior del filtro. Bolsas (2): Son elementos compuestos por una tela especial y una estructura de alambre para conservar su forma, encargados de limpiar el gas que pasa a través de ellos, dentro del filtro se encuentran gran cantidad de estas bolsas ubicados en hileras. La efectividad depende del tamaño de los poros de la tela. Sistema de limpieza (3): Es el sistema encargado de limpiar cada cierto intervalo de tiempo las bolsas y así evitar la saturación de polvo en las mismas. Existen sistemas mecánicos, los cuales constan de un motor que por medio de vibración sacuden la bolsa o un sistema de válvulas de aire comprimido, las cuales están programadas para inyectar cierta cantidad de aire a las bolsas. Sistema de recolección (4): El polvo que es eliminado del humo y posteriormente retirado de las bolsas, cae en una tolva donde debe ser extraído para reintegrarlo al proceso. Esta extracción se puede dar por un sistema de compuertas a presión o un tornillo sinfín que se accione periódicamente. Salida del humo (5): El humo limpio sale del filtro para continuar su camino a la atmosfera, puede ser por la parte superior o inferior dependiendo de donde sea la entrada al filtro.

1

2

3 5

6

4

1

7

41

Ventilador de tiro inducido (6): Con su gran potencia es el encargado de hacer circular el humo por todos los subsistemas de limpieza, se encuentra al final del proceso. Chimenea (7): Es la ruta de salida del humo limpio al ambiente, cuenta con un analizador de gases iso-cinético, el cual permite monitorear la calidad de las emisiones.

42

4. INGENIERÍA DE DETALLE

4.1 COMPOSICIÓN Según los procedimientos internacionales del simposio del proceso de plomo primario y secundario de Halifax en 1989¹ los porcentajes de compuestos en el humo están distribuidos de la siguiente forma (Tabla 7), suponiendo que se tiene un volumen de 100m³ al multiplicar este valor por la densidad de los compuestos, se obtiene el porcentaje másico, el cual variara en proporción al volumen; Tabla 7. Porcentajes de compuesto en el humo de fundición de plomo

Compuesto Porcentaje (vol.%) Porcentaje (wt%)

𝐎𝟐 8,0 5,5

𝐒𝐎𝟐 4,7 5,9

𝐂𝐎𝟐 1,0 0,9

𝐍𝟐 68,7 82,6

𝐇𝟐𝐎 17,6 5

Fuente: Primary and Secondary Lead Processing (Jaeck, 1989) Además de contar con un contenido de solido (micro-partículas) las cuales se encuentran clasificadas por su tamaño y naturaleza, es decir su composición. Como se observa en la Tabla 8 y 9, respectivamente;

Tabla 8. Distribución de partículas emitidas (vol.%)

Fuente: Characterization of lead-recycling facility emissions at various workplaces: Major insights for sanitary risks assessment (Uzu, 2011)

Donde, <LD: es menor a la capacidad de detección (LD = 0,01 vol.%)

¹ JAECK M. L. (1989). Primary and secondary lead processing. Halifax, Nova Scotia: Pergamon Press, p. 77.

43

Tabla 9. Contenido de elementos de particulas emitidas

Fuente: Characterization of lead-recycling facility emissions at various workplaces: Major insights for sanitary risks assessment (Uzu, 2011) De acuerdo a la tabla anterior, se identifica que el plomo ocupa un 29,1 % en promedio del volumen de las emisiones del proceso.

4.2 CAUDAL, VELOCIDAD Y DIÁMETRO Debido a los altos costos en los que se incurriría para realizar una medición del caudal y de la composición de los gases y que la empresa ni el desarrollador del proyecto están dispuestos a asumir. Se debe tomar un valor de referencia para conocer un valor teórico del caudal. Para proceder con el cálculo del flujo volumétrico que se produce en el proceso, se partirá del valor de referencia dado en el libro Lead Pollution: Causes and Control de 1981¹, donde el autor menciona que el flujo de humo producido en la producción de plomo secundario, el cual se

denominara caudal teórico (𝑄𝑇), es igual a;

𝑄𝑇 = 7,3 𝑚3

𝑠⁄ → 𝑃𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎/ℎ𝑜𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 (1 𝑃𝑏 𝑡𝑜𝑛ℎ⁄ )

Como los valores de producción de la empresa Remetales S.A. están identificados en la Sección 2.4 Parámetros, la cual corresponde al valor de 405 Pb Kg/h, este valor no alcanza a ser de 1 tonelada/hora en producción. Así que por medio de una regla de tres, se calcula el valor del caudal para la producción de la empresa, con

referencia al caudal teórico (𝑄𝑇).

405 𝑃𝑏 𝐾𝑔

ℎ⁄ ∗ 1 𝑡𝑜𝑛

1.000 𝐾𝑔= 0,405 𝑃𝑏 𝑡𝑜𝑛

ℎ⁄ → 𝑄 = 𝑋

1 𝑃𝑏 𝑡𝑜𝑛ℎ⁄ → 𝑄𝑇 = 7,3 𝑚3

𝑠⁄

¹ HARRISON R. M. LAXEN D. P. H. (1981). Lead Pollution: Causes and control. Lancaster, Reino Unido: Chapman and Hall, p. 76.

44

𝑋 = (0,405 𝑃𝑏 𝑡𝑜𝑛

ℎ⁄ ∗ 7,3 𝑚3

𝑠⁄ )

1 𝑃𝑏 𝑡𝑜𝑛ℎ⁄

= 2,96 𝑚3

𝑠⁄

𝑄 = 2,96 𝑚3

𝑠⁄ ∗ 3.600 𝑠

1 ℎ= 10.656 𝑚3

ℎ⁄

Para la selección del ventilador centrifugo, encargado de succionar el humo producido y garantizar el paso de este por todo el sistema, se utilizara un factor de seguridad de Fs = 1,5, debido a que al ser una carga manual la que se le hace al horno, es posible que las cantidades acá expuestas puedan fluctuar dependiendo del operador y otras razones.

𝑄′ = 𝑄 ∗ 𝐹𝑠

𝑄′ = 10.656 𝑚3

ℎ⁄ ∗ 1,5

𝑄′ = 15.984 𝑚3

ℎ⁄ ∗ 1 ℎ

3.600 𝑠= 4,44 𝑚3

𝑠⁄

La velocidad¹ requerida para el transporte del humo por los conductos debe estar en función de las características de los contaminantes presentes en el mismo, para la selección de la velocidad ideal se regirá bajo los siguientes criterios; Sera denominada velocidad de transporte o de diseño, y será la que garantice el paso por todos los componentes para su tratamiento, además de evitar la sedimentación de los gases en los conductos. La selección de la velocidad debe estar acorde a los enunciados de la siguiente tabla;

¹ Diseño de conductos de sistemas de ventilación localizada por extracción (SVLE). Buenos Aires, Argentina: Universidad de Buenos Aires, p. 6.

45

Tabla 10. Velocidad recomendada para conductos

Fuente: Ventilación industrial (Goberna, 1988) Teniendo en cuenta lo anterior, la velocidad de diseño a seleccionar será igual a 23 m/s (v =23 𝑚

𝑠⁄ ). Conociendo el caudal y la velocidad, se puede conocer el diámetro mínimo que debe tener los ductos, por medio de la ecuación;

𝑄 = 𝑣 ∗ 𝐴

𝐴 = 𝜋 ∗ 𝐷2

4=

𝑄

𝑣

𝐷 = √4 ∗ 𝑄

𝜋 ∗ 𝑣

𝐷 = √4 ∗ 4,44 𝑚3

𝑠⁄

𝜋 ∗ 23 𝑚𝑠⁄

= 0,4957 ≈ 0,5 𝑚

0,5 𝑚 ∗39,37 𝑖𝑛

1 𝑚= 19,68 ≈ 20 𝑖𝑛

46

Donde; Q = Caudal v = Velocidad A = Área D = Diámetro

4.3 TUBERÍAS Teniendo en cuenta el área disponible para la instalación del sistema y las características del producto a transportar. Se debe dimensionar la tubería, el orden de los componentes del sistema y por supuesto seleccionar un material adecuado que resista las altas temperaturas y el contenido abrasivo del humo. El manual de la ventilación industrial¹ recomienda que los ductos se construyan en tubo de acero, y de acuerdo a las características de las emisiones de la fundición de plomo secundario, lo clasifica en un nivel Clase 4 – Prestaciones elevadas, donde lo caracteriza como “Incluye aplicaciones con partículas altamente abrasivas a concentraciones elevadas, utilizada usualmente en la industria pesada como acerías, fundiciones y minería)”², además de que la chapa galvanizada no es recomendable a temperaturas superiores a 200ºC. El tubería seleccionada es un tubo de 20in fabricado en acero ASTM A56 – AISI 1008, laminado en caliente por la compañía Colmena, con un espesor de 12,7 mm (0,5 in) y un peso de 938, 871 Kg para un tubo de 6m. Cumpliendo con lo aconsejado en la Tabla 11, donde recomienda un valor superior a 3,5mm. Los conductos para ventilación localizada deben ser de sección circular ya que esta geometría disminuye las pérdidas de carga y otorga mayor resistencia estructural, permitiendo así menores espesores que en un ducto cuadrado.

Tabla 11. Valores recomendados para espesores

Fuente: Ventilación industrial (Goberna, 1988)

¹ GOBERNA R. Ventilación Industrial (1992). Valencia, España: Conselleria de Treball i Afers Socials, p. 8-2. ² Ibíd. p. 8-2.

47

4.3.1 Accesorios en la tubería. Como se mencionó anteriormente es necesario la implementación de accesorios para dar forma a la tubería, como codos, uniones, cambios de sección, etc. En los cambios de dirección se implementaran codos de 90º con un radio de curvatura de 1,5 veces el diámetro de la tubería, valor que se encuentra entre los rangos aceptables para este tipo de accesorios. 4.3.2 Uniones bridadas. Para realizar las uniones de las secciones de tuberías, codos y cambios de sección se hará por medio de bridas. Las cuales contrarrestaran la dilatación de estas por las temperaturas tomadas del Anexo W, de acuerdo a la formula;

∆𝐿 = 𝛼 ∗ 𝐿 ∗ ∆𝑇 = 1,2𝑥10−5 º𝐶−1 ∗ 6𝑚 ∗ (25 º𝐶 − 5 º𝐶)

∆𝐿 = 0,00144 𝑚 Donde;

∆𝐿 = Variación de longitud 𝛼 = Coeficiente de dilatación del acero L = Longitud de la tubería

∆𝑇 = Variación de la temperatura Las bridas serán DIN2573, las cuales vienen unidas a los tubos en sus extremos y tendrán las siguientes características; Tabla 12. Dimensiones de las bridas DIN2573

Diámetro Exterior (mm)

Diámetro Orificio de

tornillos (mm)

Tornillos Espesor Brida (mm) Numero Tamaño

645 22 20 M20 30

Fuente: Catalogo Técnico (Grupo Almensa, 2015) Los empaques serán de grafito flexible, material que cuenta con alta resistencia química y resulta idóneo para juntas de vapor, gases y medios agresivos y otra gran variedad de aplicaciones industriales, soportando temperaturas de 550°C y -198°C. Estos empaques tendrán las mismas dimensiones que la brida, y contaran con un espesor de 1/16 in.

48

4.3.3 Estructuras. Para sostener la tubería se diseñará una estructura en perfiles de acero estructural A36. Estas estructuras con el fin de proteger las tuberías del pandeo y aliviar los esfuerzos en los cambios de sección que se presentan en las uniones con los componentes. Las partes más críticas del diseño son las que debido a su longitud y geometría, son las que más peso deben sostener y condiciones extremas resistir, debiendo poner una estructura de soporte entre las siguientes secciones: B-C, J-K, R-S. Diagrama 2. Distribución de fuerza por estructura

Como todas las secciones están sometidas a la misma carga distribuida (haciendo cambiar la carga puntual de acuerdo a su longitud) solo se calculara la que posea una mayor carga y geometría más compleja (Sección B-C) el perfil seleccionado para esta, será el que se deba utilizar para todas las estructuras que sostendrán los tubos, esto para conservar la uniformidad y estética del diseño. Como se mencionó anteriormente el tubo seleccionado es un tubo de 20 in fabricado en acero ASTM A53 – AISI 1008 con un peso de 938,871 Kg por 6 m. Para pasar esto a fuerza puntual se multiplica por la gravedad y se divide por la distancia.

𝐹 = 938,871 𝐾𝑔 ∗ 9,8 𝑚𝑠⁄ = 9.200,94 𝑁

49

La carga distribuida será igual a;

𝐹′ =9.200,94 𝑁

6 𝑚= 1.533,49 𝑁

𝑚⁄

El tubo va a estar apoyado sobre dos soportes paralelos que lo sostendrán a lo largo del tubo, se divide la carga distribuida entre estos dos.

𝐹′

2=

1.533,49 𝑁𝑚⁄

2= 766,74 𝑁

𝑚⁄

Como la carga no actuará directamente sobre las caras de los perfiles, si no que actuará de forma diagonal sobre las esquinas de los perfiles, la carga, tendrá componentes en los planos X-Y y X-Z.

𝑅𝑋−𝑌 = sin 30 ∗ 766,74 𝑁

𝑚= 383,37

𝑁

𝑚

𝑅𝑋−𝑍 = cos 30 ∗ 766,74 𝑁

𝑚= 664,02

𝑁

𝑚

50

Tabla 13. Momentos de empotramiento

Fuente: Mecánica de materiales (Beer, 1993) Los momentos dados en los extremos se deberá a que, al ser una viga estáticamente indeterminada, por lo tanto, se debe dirigir a la tabla de empotramientos donde, se da la fórmula para hallar la magnitud del momento y su ubicación.

𝑀𝑋−𝑌 = 𝑀′𝑋−𝑌 =

1

12𝑞𝑙2 =

1

12(383,37 𝑁

𝑚⁄ )(3,1 𝑚2) = 307,02 𝑁 ∗ 𝑚

𝑀𝑋−𝑍 = 𝑀′𝑋−𝑍 =

1

12𝑞𝑙2 =

1

12(664,02 𝑁

𝑚⁄ )(3,1 𝑚2) = 531,76 𝑁 ∗ 𝑚

Donde; M = Momento M’ = Momento en otro extremo q = Carga distribuida l = Longitud de la viga

51

Como resultado los diagramas de cuerpo libre quedarían de la siguiente manera. Diagrama 3. Diagrama de cuerpo libre plano X-Y

↺+ ∑ 𝑀𝑎 = −(1.188,45 𝑁 ∗ 1,55 𝑚) + (3,1 𝑚 ∗ 𝑅𝑏) − 307,02 𝑁𝑚 + 307,02 𝑁𝑚 = 0

= −1.842,1 𝑁 ∗ 𝑚 + (3,1 𝑚 ∗ 𝑅𝑏) = 0

𝑅𝑏 =1.842,1 𝑁 ∗ 𝑚

3,1 𝑚= 594,22 𝑁

∑ 𝐹𝑦 = 0

𝑅𝑎 + 𝑅𝑏 − 1.188,45 𝑁 = 0

𝑅𝑎 = −594,22 𝑁 + 1.188,447 𝑁 = 594,22 𝑁 Diagrama 4. Diagrama de cuerpo libre plano X-Z

52

↺+ ∑ 𝑀𝑎 = (2.058,5 𝑁 ∗ 1,55 𝑚) + (3,1 𝑚 ∗ 𝑅𝑏) − 531,76 𝑁𝑚 + 531,76 𝑁𝑚 = 0

= 3.190,62 𝑁 ∗ 𝑚 + (3,1 𝑚 ∗ 𝑅𝑏) = 0

𝑅𝑏 =−3.190,62 𝑁 ∗ 𝑚

3,1 𝑚= −1.029,23 𝑁

∑ 𝐹𝑦 = 0

𝑅𝑎 + 𝑅𝑏 + 2.058,5 𝑁 = 0

𝑅𝑎 = 1.029,23 𝑁 − 2.058,5 𝑁 = −1.029,23 𝑁 Conociendo las reacciones, es posible conocer los diagramas de fuerza cortante y momento flector. Diagrama 5. Diagrama de fuerza cortante plano X-Y

53

Diagrama 6. Diagrama de momento plano X-Y

Los respectivos diagramas para el plano X-Z, serán; Diagrama 7. Diagrama de fuerza cortante plano X-Z

54

Diagrama 8. Diagrama de momento plano X-Z

Para hallar el momento máximo de toda la viga, se procede a calcularlo de la siguiente manera;

𝑀0 = 𝑀3,1𝑚 = √531,76 𝑁𝑚2 + 307,02 𝑁𝑚² = 614,03 𝑁𝑚

𝑀1,5𝑚 = √153,5 𝑁𝑚2 + 1.329,4 𝑁𝑚² = 1.338,23 𝑁𝑚

Conociendo que es un acero estructural A36, sus propiedades son las siguientes; Tabla 14. Propiedades Acero A36

Propiedad Magnitud

Esfuerzo de fluencia (𝝈𝒚) 250 Mpa

Módulo de elasticidad (E) 200 Gpa

Para dar un factor de seguridad, de acuerdo a los conceptos de diseño, se puede dar un valor de 2, debido a que se conocen todas las cargas y condiciones a las que se somete la estructura, se espera un uso continuo del sistema, además de que una posible falla derive en riesgo para los usuarios del sistema o terceros, con esto el esfuerzo permisible será;

𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 =𝝈𝒚

𝐹𝑆=

250 𝑀𝑝𝑎

2= 125 𝑀𝑝𝑎

55

Donde; 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = Esfuerzo permisible

𝝈𝒚 = Esfuerzo de fluencia

FS = Factor de seguridad Ahora se procede a calcular el modulo elástico mínimo, el cual ayudará a seleccionar el perfil idóneo para la construcción de la estructura.

𝑆 =𝑀𝑚𝑎𝑥

𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚=

1.338,23 𝑁𝑚

125′000.000 𝑃𝑎= 1,07𝑥10−5 𝑚3 = 10,7 𝑐𝑚3

Donde; S = Modulo elástico de la sección transversal Mmáx. = Momento máximo 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = Esfuerzo permisible

Conociendo este valor y dirigiéndose a una tabla de propiedades de los perfiles se selecciona un perfil que tenga un módulo elástico mayor al hallado con la formula. En este caso, el perfil seleccionado es un perfil cuadrado de 80x80x2; Tabla 15. Especificaciones perfil cuadrado 80X80X2

Propiedad Magnitud

Modulo elástico 15,42 cm³

Espesor 2 mm

Radio de giro 3,17 cm

Área Gross 15,42 cm²

Fuente: Tablas perfiles lamina-dos (INTI, 2005)

Imagen 16. Perfil seleccionado


56

Para esta viga el factor de seguridad será igual a;

𝐹𝑆 =𝑆′

𝑆=

15,42 𝑐𝑚³

10,7 𝑐𝑚³= 1,44

Ahora se realiza un chequeo por esbeltez, teniendo en cuenta el apoyo factor de pandeo y la longitud de la columna de la estructura.

Tabla 16. Factor de pandeo

Fuente: Diseño de estructuras en acero (McCormac, 1999)

Se realiza el chequeo por esbeltez a las estructuras, para verificar que no se produzca pandeo en las estructuras, debe cumplir la regla general de;

𝐶ℎ =𝑘𝐿

𝑟≤ 120

𝐶ℎ𝐵−𝐶 =𝑘𝐿

𝑟=

0,5 ∗ 362 𝑐𝑚

3,17 𝑐𝑚= 57,1 ; 𝐸𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒

𝐶ℎ𝐽−𝐾 =𝑘𝐿

𝑟=

0,5 ∗ 943 𝑐𝑚

3,17 𝑐𝑚= 148,7 ; 𝐸𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙 𝑛𝑜 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒

𝐶ℎ𝑅−𝑆 =𝑘𝐿

𝑟=

0,5 ∗ 68 𝑐𝑚


Donde; Ch = Chequeo por esbeltez k = Factor de pandeo L = Longitud de la columna r = Radio de giro mínimo

57

Ahora se procede a calcular el esfuerzo crítico. Primero determinando si la columna es larga o corta, con la siguiente formula.

𝜆 =𝑘𝐿

𝜋𝑟√

𝜎𝑦

𝐸=

0,5 ∗ 362 𝑐𝑚

𝜋 ∗ 3,17 𝑐𝑚√

2,5𝑥108𝑃𝑎

2𝑥1011𝑃𝑎= 0,64

Donde; Si, λ ≤ 1,5; la columna es corta Si, λ > 1,5; la columna es larga Esta diferenciación permite conocer la fórmula que se debe usar para calcular el esfuerzo crítico.

𝜎𝑐𝑟 = (0,658𝜆2)𝜎𝑦 = (0,6580,64²)(2,5𝑥108 𝑃𝑎) = 210,61𝑥106 𝑃𝑎

Donde;

𝜎𝑐𝑟 = Esfuerzo crítico La resistencia de diseño, teniendo en cuenta todas estas variables, será;

𝑅𝑑 = ∅ ∗ 𝐴𝑔 ∗ 𝜎𝑐𝑟 = 0,9 ∗ 3,737𝑥10−4 𝑚2 ∗ 210,61𝑥106 𝑃𝑎 = 70.835,5 𝑁 Donde; Rd = Resistencia de diseño

∅ = Factor de diseño Ag = Área gross Ya teniendo el perfil seleccionado, las estructuras quedaran de la siguiente forma;

58

Imagen 17. Render Sección B-C

Para dar mayor estabilidad y evitar pandeos, se agregarán soportes (arrostramientos) entre los arcos de la estructura, para tal efecto se calculara la distancia mínima que debe haber entre estos soportes.

3

4[𝑘𝐿

𝑟] ≥

𝑘𝐿𝑖

𝑟

Donde; Ch = Chequeo por esbeltez k = Factor de pandeo L = Longitud de la columna Li = Longitud entre arrostramientos r = Radio de giro mínimo Entonces;

3

4[0,5 ∗ 362 𝑐𝑚

3,17 𝑐𝑚] ≥

0,5 ∗ 𝐿𝑖

3,17 𝑐𝑚

𝐿𝑖 ≤ 271,5 𝑐𝑚 Con base en esto, la distancia entre arrostramientos será de 177 cm.

59

Imagen 18. Render Sección R-S

4.3.3.1 Estructura Sección J-K. Como el perfil usado en esta estructura, no cumple con los requerimientos para soportar la carga debido a que su chuequeo por esbelteza de la página 54 dio mayor a 120, se debe seleccionar un nuevo perfil. Para lograrlo, se seleccionara un perfil con un módulo elástico mayor al anterior (4,91 cm³) el cual tendrá relación en un mayor radio de giro. Para garantizar un chequeo por esbeltez que ronde el valor de 120, se debe emplear un perfil con radio de giro igual o mayor a 3,92 cm. Se escoge un perfil cuadrado de 120x120x5. Tabla 17. Especificaciones perfil cuadrado 120X120X5

Propiedad Magnitud


Espesor 5 mm



Fuente: Tablas perfiles lamina-dos (INTI, 2005) Para esta viga el factor de seguridad será igual a;

𝐹𝑆 =𝑆′

𝑆=

22,36 𝑐𝑚³

4,91 𝑐𝑚³= 4,55

𝐶ℎ𝐽−𝐾 =𝑘𝐿

𝑟=

0,5 ∗ 943 𝑐𝑚


Sabiendo ya que la viga es lo suficientemente estable para no pandearse, se calcula el esfuerzo crítico. Determinando si la columna es larga o corta, con la siguiente formula.

60

𝜆 =𝑘𝐿

𝜋𝑟√

𝜎𝑦

𝐸=

0,5 ∗ 943 𝑐𝑚

𝜋 ∗ 4,66 𝑐𝑚√

2,5𝑥108𝑃𝑎

2𝑥1011𝑃𝑎= 1,14

Donde; Si, λ ≤ 1,5; la columna es corta Si, λ > 1,5; la columna es larga El esfuerzo crítico, será igual a;

𝜎𝑐𝑟 = (0,658𝜆2)𝜎𝑦 = (0,6581,14²)(2,5𝑥108 𝑃𝑎) = 145,11𝑥106 𝑃𝑎

La resistencia de diseño, teniendo en cuenta todas estas variables, será;

𝑅𝑑 = ∅ ∗ 𝐴𝑔 ∗ 𝜎𝑐𝑟 = 0,9 ∗ 2,236𝑥10−3 𝑚2 ∗ 145,11𝑥106 𝑃𝑎 = 292.019,36 𝑁 Imagen 19. Render Sección J-K

Las estructuras mostradas anteriormente, deben ser sometidas a la simulación de cargas para comprobar sus esfuerzos e idoneidad.

4.4 CICLONES Conociendo el caudal que circula por las tuberías, se puede realizar la selección de los ciclones de media y alta efectividad en el catálogo de algún fabricante.

61

Se utilizará como base de selección el catálogo de la marca GGE, empresa italiana con instalaciones en Estados Unidos, debido a que en el país no existe una empresa que fabrique estos elementos para este tipo de industria. Se dispondrá de dos ciclones: un ciclón de media efectividad y un ciclón de alta efectividad. Tabla 18. Eficiencias de remoción en ciclones

Tipo de Ciclón Eficiencia (%)

>PM10 PM10 PM2,5

Ciclón de Media 70 - 90 30 - 90 0 – 40 Ciclón de Alta 80 - 99 60 - 95 20 - 70

Fuente: Diseño óptimo de ciclones (Echeverri, 2006) Utilizando el catálogo de GGE, se seleccionan dos modelos de ciclones fabricados con lámina de metal, con recubrimiento de pintura, aplicables como etapa de pre-filtrado en sistemas complejos y resistentes a alta concentración de partículas. Opcional la empresa dispone de varios sistemas para descargar las partículas en la base del cono. Tabla 19. Datos Técnicos

Modelo Diámetro

(mm)

Caudal Max.

(𝒎𝟑

𝒉⁄ )

Perdidas de presión

(mmcda)

Altura Cilindro (mm)

Altura Cono (mm)

CICL 20/NGM (Media)

2.000 19.500 100 3.400 4.000

CICL 20/NGA (Alta)

2.000 19.500 100 4.000 5.300

Fuente: Technical Catalogue Centrifugal Cyclone Separators (GGE, 2015) Utilizando la relación de dimensiones expuesta por Echeverri¹ se deducen otro tipo de dimensiones que pueden ser necesarias a la hora de diseño de planos, todo esto en función del diámetro del cilindro del ciclón. Se realizaran los cálculos para un ciclón de alta eficiencia de tipo Stairman y un ciclón convencional tipo Lapple.

¹ ECHEVERRI C. Diseño óptimo de ciclones (2006). Medellín, Colombia: Universidad de Medellín, p. 5.

62

Imagen 20. Dimensiones del ciclón

Fuente: Diseño óptimo de ciclones (Echeverri, 2006) Tabla 20. Dimensiones del ciclón

Dimensión Nomenclatura Alta Eficiencia

(mm) Convencional

(mm)

Diámetro Dc 2.000 2.000 Altura de Entrada a 1.000 1.000 Ancho de Entrada b 400 500 Altura de Salida S 1.000 1.250

Diámetro de Salida Ds 1.000 1.000 Altura del Cilindro h 4.000 3.400 Altura del Cono z 5.300 4.000

Altura Total H 9.300 7.400 Diámetro Descarga B 750 500 Factor configuración G 551,22 402,88 Número de Cabezas NH 6,4 8 Numero de Vórtices N 5,5 6

Los ciclones diseñados, serán sostenidos sobre una estructura que dará un metro más de altura para permitir la implementación de cualquier sistema de descarga de material captado. Para el cálculo de la eficiencia del ciclón dependiendo del material y tamaño de la partícula, se requiere de la relación de velocidades la cual se da entre la velocidad de saltación (Vs) y la velocidad de entrada esta relación permite saber si habrá una re-suspensión de las partículas que se busca remover.

63

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐸𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑊 = √4 ∗ 𝑔 ∗ 𝜇(𝜌𝑝 − 𝜌)

3 ∗ 𝜌2

Donde;

𝑔 = Gravedad 𝜇 = Viscosidad del aire 𝜌𝑝 = Densidad de la partícula

𝜌 = Densidad del gas Ahora se procede al cálculo de la velocidad de saltación para el ciclón de media y de alta;

𝑉𝑠 =4,913 ∗ 𝑊 ∗ 𝐾𝑏

0,4 ∗ 𝐷𝑐0,067 ∗ √𝑉23

√1 − 𝐾𝑏3

Donde; W = Velocidad Equivalente

𝐾𝑏 = Relación entre ancho de entrada y diámetro del ciclón 𝐷𝑐 = Diámetro del ciclón V = Velocidad de entrada Con este valor se procede a dividir la velocidad de entrada (V) y la velocidad de saltación, si la relación da un número mayor a 1,35 habrá re-suspensión en las partículas. El exponente de los vórtices es un valor adimensional que relaciona la velocidad tangencial y el radio de giro de un movimiento en forma de vórtice. Para este caso, el exponente de vórtice, será el mismo para ambos ciclones, ya que su diámetro es de 2 metros y la temperatura de entrada que se supone sigue a 700ºC.

𝐸𝑥𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑉𝑜𝑟𝑡𝑖𝑐𝑒 = 𝑛 = 1 − (1 − 0,67 ∗ 𝐷𝑐0,14) (𝑇

283)

0,3

𝑛 = 1 − (1 − 0,67 ∗ 2𝑚0,14) (973º𝐾

283)

0,3

= 0,62

64

Donde; Dc = Diámetro del ciclón T = Temperatura del gas en grados Kelvin El tiempo de relajación es un cálculo necesario al momento de hallar la eficiencia del ciclón, este valor representa el tiempo en que la partícula alcanzara la velocidad de caída. Varía según el material y el tamaño de la partícula.

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑗𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 = 𝑇𝑖 =𝜌𝑝 ∗ 𝐷𝑝

18 ∗ 𝜇

Donde; 𝜌𝑝 = Densidad de la partícula

Dp = Diámetro de la partícula

𝜇 = Viscosidad del aire Ahora para calcular la eficiencia por intervalo de partículas, se da por la siguiente ecuación donde el factor de configuración del ciclón (G) cambia según el tipo.

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = ℎ𝑖 = 1 − 𝑒[−2∗(

𝐺∗𝑇𝑖∗𝑄∗(𝑛+1)𝐷𝑐3 )

0,5𝑛+1

]

Donde; G = Factor de configuración Ti = Tiempo de relajación Q = Caudal n = Exponente del vórtice Dc = Diámetro del ciclón Pero, para valor se debe realizar una corrección ya que esta fórmula es para valores de concentración iguales a 2,0 g/m³ y para este caso este valor es igual a 8,2 g/m³, por lo que se corrige por medio de la siguiente relación.

100 − ℎ1

100 − ℎ2= (

𝐶2

𝐶1)

0,182

65

Donde;

ℎ1 = Eficiencia a concentración inicial ℎ2 = Eficiencia a concentración real 𝐶1 = Concentración inicial (2,0 g/m³) 𝐶2 = Concentración real (8,2 g/m³) Todos los cálculos realizados anteriormente, se encuentran en el Cuadro 4 a continuación;

66

Cuadro 4. Calculo de eficiencia de los ciclones

Mate

rial

Densid

ad

(Kg/m

³)

W (m/s)

Vs (m/s) Relación

Expon

ente

de

l

Vórt

ice

Tamaño partícula

(µm)

Tamaño partícula

(m)

Tiempo de Relajación

(s)

Eficiencia (C=2) Eficiencia Corregida (C=8,2)

Media (Kb=0,25)

Alta (Kb=0,2)

Media Alta Media

(G=402,88) Alta

(G=551,22) Media Alta

Alu

min

io

2.6

98

3,34 84,38 75,53 0,27 0,30 0,62

30 a 100 6,50E-05 1,54E-02 97% 98% 96% 97%

10 a 30 2,00E-05 1,46E-03 81% 84% 75% 79%

2,5 a 10 6,50E-07 1,54E-06 18% 20% 0% 0%

1 a 2,5 1,00E-07 3,65E-08 6% 7% 0% 0%

Ars

énic

o

5.7

27

4,87 122,93 110,04 0,19 0,21 0,62

30 a 100 6,50E-05 3,27E-02 99% 99% 98% 99%

10 a 30 2,00E-05 3,10E-03 87% 90% 84% 87%

2,5 a 10 6,50E-07 3,27E-06 22% 24% 0% 0%

1 a 2,5 1,00E-07 7,74E-08 8% 8% 0% 0%

Cadm

io

8.6

50

5,99 151,08 135,24 0,15 0,17 0,62

30 a 100 6,50E-05 4,94E-02 99% 100% 99% 99%

10 a 30 2,00E-05 4,68E-03 90% 93% 88% 90%

2,5 a 10 6,50E-07 4,94E-06 25% 27% 3% 5%

1 a 2,5 1,00E-07 1,17E-07 9% 9% 0% 0%

Cobre

8.9

60

6,09 153,76 137,64 0,15 0,17 0,62

30 a 100 6,50E-05 5,12E-02 99% 100% 99% 99%

10 a 30 2,00E-05 4,84E-03 91% 93% 88% 91%

2,5 a 10 6,50E-07 5,12E-06 25% 27% 3% 6%

1 a 2,5 1,00E-07 1,21E-07 9% 9% 0% 0%

Hie

rro

7.8

74

5,71 144,14 129,03 0,16 0,18 0,62

30 a 100 6,50E-05 4,50E-02 99% 99% 99% 99%

10 a 30 2,00E-05 4,26E-03 90% 92% 87% 90%

2,5 a 10 6,50E-07 4,50E-06 24% 26% 2% 5%

1 a 2,5 1,00E-07 1,06E-07 8% 9% 0% 0%

67

Cuadro 4. (Continuación)

Mate

rial

Densid

ad

(Kg/m

³)

W (

m/s

) Vs (m/s) Relación

Expon

ente

de

l

Vórt

ice

Tamaño partícula

(µm)

Tamaño partícula

(m)


(s)


Media (Kb=0,25)

Alta (Kb=0,2)

Media Alta Media

(G=402,88) Alta


Sod

io

968

2,0

0

50,53 45,23 0,46 0,51 0,62

30 a 100 6,50E-05 5,53E-03 92% 93% 89% 92%

10 a 30 2,00E-05 5,23E-04 70% 73% 61% 65%

2,5 a 10 6,50E-07 5,53E-07 13% 15% 0% 0%

1 a 2,5 1,00E-07 1,31E-08 4% 5% 0% 0%

Níq

ue

l

8.9

08

6,0

8

153,32 137,24 0,15 0,17 0,62

30 a 100 6,50E-05 5,09E-02 99% 100% 99% 99%

10 a 30 2,00E-05 4,82E-03 91% 93% 88% 91%

2,5 a 10 6,50E-07 5,09E-06 25% 27% 3% 6%

1 a 2,5 1,00E-07 1,20E-07 9% 9% 0% 0%

Plo

mo

11.3

40

6,8

5

172,98 154,85 0,13 0,15 0,62

30 a 100 6,50E-05 6,47E-02 99% 100% 99% 100%

10 a 30 2,00E-05 6,13E-03 92% 94% 90% 92%

2,5 a 10 6,50E-07 6,47E-06 27% 29% 5% 8%

1 a 2,5 1,00E-07 1,53E-07 9% 10% 0% 0%

Antim

onio

6.6

97

5,27 132,93 118,99 0,17 0,19 0,62

30 a 100 6,50E-05 3,82E-02 99% 99% 99% 99%

10 a 30 2,00E-05 3,62E-03 89% 91% 85% 88%

2,5 a 10 6,50E-07 3,82E-06 23% 25% 1% 3%

1 a 2,5 1,00E-07 9,05E-08 8% 9% 0% 0%

Zin

c

7.1

40

5,44 137,26 122,87 0,17 0,19 0,62

30 a 100 6,50E-05 4,08E-02 99% 99% 99% 99%

10 a 30 2,00E-05 3,86E-03 89% 91% 86% 89%

2,5 a 10 6,50E-07 4,08E-06 23% 26% 1% 4%

1 a 2,5 1,00E-07 9,65E-08 8% 9% 0% 0%

68


Mate

rial

Densid

ad

(Kg/m

³)

W (m/s)

Vs (m/s) Relación

Expon

ente

de

l

Vórt

ice

Tamaño partícula

(µm)

Tamaño partícula

(m)


(s)


Media (Kb=0,25)

Alta (Kb=0,2)

Media Alta Media

(G=402,88) Alta


Azufr

e

1.9

60

2,85 71,91 64,37 0,32 0,36 0,62

30 a 100 6,50E-05 1,12E-02 95% 97% 94% 96%

10 a 30 2,00E-05 1,06E-03 77% 81% 71% 75%

2,5 a 10 6,50E-07 1,12E-06 16% 18% 0% 0%

1 a 2,5 1,00E-07 2,65E-08 5% 6% 0% 0%

Carb

on

o

2.2

67

3,06 77,34 69,23 0,30 0,33 0,62

30 a 100 6,50E-05 1,29E-02 96% 97% 95% 96%

10 a 30 2,00E-05 1,23E-03 79% 82% 73% 77%

2,5 a 10 6,50E-07 1,29E-06 17% 19% 0% 0%

1 a 2,5 1,00E-07 3,06E-08 6% 6% 0% 0%

69

4.4.1 Estructuras de los ciclones. Para sostener los ciclones, se diseñará una estructura en perfiles de acero estructural A36, estas estructuras con el fin de sostener los ciclones en su sitio, asegurando la suficiente elevación para instalar un recipiente que recoja el material recuperado. Debido a que los ciclones tienen la misma geometría, solo se realizarán los cálculos para el ciclón de alta eficiencia, el cual es más pesado y grande. La selección del perfil de este será el que se deba emplear para el ciclón de media, y así conserva la uniformidad en el diseño. El ciclón tiene un peso de 2.000 Kg, lo cual se multiplica por la gravedad para hallar la carga que representa;

𝐹 = 2.000 𝐾𝑔 ∗ 9,8 𝑚𝑠⁄ = 19.600 𝑁

Dividiendo entre los cuatro apoyos en los que estará posado el ciclón, la carga puntual será igual a;

𝐹′ =19.600 𝑁

4= 4.900 𝑁

Al igual que en el cálculo de la estructura de los tubos, las vigas estarán soldadas a la columna, por lo que llevara dos momentos en cada extremo de la viga. De acuerdo a las tablas de momento de empotramiento.

𝑀 = 𝑀′ =1

8𝑄𝑙

=1

8(4.900 𝑁)(1,95 𝑚) = 1.194,38 𝑁 ∗ 𝑚

Donde; M = Momento M’ = Momento en otro extremo Q = Carga puntual l = Longitud de la viga Como resultado el diagrama de cuerpo libre quedaría de la siguiente manera;

70

Diagrama 9. Diagrama de cuerpo libre estructura del ciclón

↺+ ∑ 𝑀𝑎 = −(4.900 𝑁 ∗ 0.975 𝑚) + (1,95 𝑚 ∗ 𝑅𝑏) − 1.194,38 𝑁𝑚 + 1.194,38 𝑁𝑚 = 0

= −4.777,5 𝑁 ∗ 𝑚 + (1,95 𝑚 ∗ 𝑅𝑏) = 0

𝑅𝑏 =−4.777,5 𝑁 ∗ 𝑚

1,95 𝑚= 2.450 𝑁

∑ 𝐹𝑦 = 0

𝑅𝑎 + 𝑅𝑏 − 4.900 𝑁 = 0

𝑅𝑎 = 4.900 𝑁 − 2.450 𝑁 = 2.450 𝑁

71

Diagrama 10. Fuerza cortante y momento flector

Donde se conoce que el momento máximo es de 1.194,37 Nm Conociendo las propiedades del acero estructural A36, y las cargas a las que se somete, se le da un factor de seguridad de 2;

72


𝐹𝑆=

250 𝑀𝑝𝑎

2= 125 𝑀𝑝𝑎

Ahora se procede a conocer el módulo elástico mínimo.



1.194,4 𝑁

125′000.000 𝑃𝑎= 9,552𝑥10−6 𝑚3 = 9,55 𝑐𝑚3

En este caso, el perfil seleccionado es un perfil cuadrado de 80x80x2. Con las siguientes especificaciones. Tabla 21. Especificaciones perfil cuadrado 80X80X2

Propiedad Magnitud

Modulo elástico 15,42, cm³

Espesor 2 mm







𝐹𝑆 =𝑆′

𝑆=

15,42, 𝑐𝑚³

9,55 𝑐𝑚³= 1,62

Ahora se realiza un chequeo por esbeltez, teniendo en cuenta el apoyo factor de pandeo y la longitud de la columna de la estructura (Tabla 16).

73

El chequeo por esbeltez debe cumplir la regla general de;

𝐶ℎ =𝑘𝐿

𝑟≤ 200

𝐶ℎ =𝑘𝐿

𝑟=

0,5 ∗ 680 𝑐𝑚

3,17 𝑐𝑚= 107,25


𝜆 =𝑘𝐿

𝜋𝑟√

𝜎𝑦

𝐸=

0,5 ∗ 680 𝑐𝑚

𝜋 ∗ 3,17 𝑐𝑚√

2,5𝑥108𝑃𝑎

2𝑥1011𝑃𝑎= 1,2


𝜎𝑐𝑟 = (0,658𝜆2)𝜎𝑦 = (0,6581,2²)(2,5𝑥108 𝑃𝑎) = 136,83𝑥106 𝑃𝑎


𝑅𝑑 = ∅ ∗ 𝐴𝑔 ∗ 𝜎𝑐𝑟 = 0,9 ∗ 1,54𝑥10−3 𝑚2 ∗ 161,74𝑥106 𝑃𝑎 = 184.722,2 𝑁 Ya teniendo el perfil seleccionado, las estructuras quedaran de la siguiente forma;

74

Imagen 22. Render Estructura Ciclón de media y alta eficiencia

Las estructuras mostradas anteriormente, deben ser sometidas a la simulación de cargas para comprobar sus esfuerzos e idoneidad.

4.5 FILTRO DE BOLSAS (BAG HOUSE) Para la selección del filtro de bolsas ideal para la operación, es necesario conocer el mecanismo de limpieza de las mangas, para este caso en particular se usará un mecanismo de limpieza por aire a presión conocido como Pulse-Jet. Con base en esto se necesita la relación entre el gas y las mangas¹ la cual se representa en la siguiente formula, donde se tienen en cuenta variables como la temperatura, el tamaño de la partícula y la carga de polvo en el aire. Cabe resaltar que esta fórmula solo aplica para los filtros con Pulse-Jet.

¹ MUSSATI D. The EPA Air Pollution Control Cost Manual (2002). Carolina del Norte, U.S.A: U.S Environmental Protection Agency, p. 1-23

75

𝐺 𝐶⁄ = 2,878 ∗ 𝐴 ∗ 𝐵 ∗ 𝑇−0,2335 ∗ 𝐿−0,06021(0,7471 + 0,0853 ∗ ln(𝐷)) Donde;

𝐺 𝐶⁄ = Relación gas-manga (fpm) A = Factor del material B = Factor de aplicación T = Temperatura (ºF) L = Carga de polvo en el gas (g/ft³) D = Media másica de diámetro de la partícula (µm) Los factores de material y aplicación se toman del Anexo 03, donde el factor del material es 9,0 para polvos y óxidos de metal, y para el caso del factor de aplicación se toma el valor de 0,9 para recolección de producto. Reemplazando en la ecuación, se tiene que;

𝐺 𝐶⁄ = 2,878 ∗ 9,0 ∗ 0,9 ∗ 275℉−0,2335 ∗ 0,25 𝑔

𝑓𝑡3⁄−0,06021

(0,747 + 0,0853 ∗ ln(2,5))

= 5,63 𝑓𝑡

𝑚𝑖𝑛⁄

Conociendo este valor, se divide el caudal de flujo que se requiere pase por el filtro.

9.410 𝐶𝐹𝑀

5,63 𝐹𝑃𝑀= 1.671,4 𝑓𝑡2

Para calcular el número mínimo de mangas en el filtro, se tienen dos longitudes de mangas que son de 10ft y 8ft, para este caso, se toma las mangas de 10ft, debido a que esta aumenta el área de captación, disminuye el número de bolsas necesarias y por ende el tamaño del filtro. Para un tamaño estándar de las mangas de 5in de diámetro, se calcula el área cubierta por manga.

𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑎𝑛𝑔𝑎 = (5𝑖𝑛 ∗1𝑓𝑡

12𝑖𝑛) ∗ 𝜋 ∗ 10𝑓𝑡 = 13,1 𝑓𝑡2

Con el valor del área, se puede calcular el número mínimo de mangas para garantizar la eficiencia del filtro.

# 𝑑𝑒 𝑏𝑜𝑙𝑠𝑎𝑠 =1.671,4 𝑓𝑡2

13,1 𝑓𝑡2 = 127,6 ≈ 128

76

Con base en esto, se selecciona el colector de polvo Modular Baghouse, de la empresa Donaldson Torit, el cual cuenta con motores de pulso de aire, y una nueva tecnología de mangas, que duplica la vida útil de esta. Se selecciona el modelo 162MTB (W)8 – Tolva corrida el cual tiene las siguientes características; Tabla 22. Dimensiones y especificaciones

Rango Nominal de Flujo de aire

(CFM)

Área de la Tela

(ft²)

Nro. De Mangas

Nro. De Válvulas

Área Ocupada (m²)

Altura (m)

8.310-20.780 2.078 162 18 8,94 8,9

Fuente: Catalogo Donaldson Modular Bag Mouse (2016) 4.5.1 Mangas. La tela¹ es una masa porosa, por donde debe circular el aire, reteniendo las partículas en el lado sucio, y permitiendo el flujo normal del aire limpio. Puede estar constituida por cualquier material fibroso, natural o artificial. La capacidad de esta tela para permitir la circulación del aire se denomina permeabilidad, la cual está entre 7 y 12m³/(m²min). La selección de un tipo de manga debe estar en equilibrio entre eficacia y permeabilidad, debido a que una tela muy eficaz, disminuye su permeabilidad, haciendo más difícil la limpieza de la misma. La eficacia de la tela solo es importante al inicio de la vida operativa de esta, después el mismo material articulado retenido, ayuda a filtrar y retener las partículas. La selección de la tela a utilizar se hará con base a la siguiente tabla;

¹ GOBERNA R. Opcit, p. 4-9 y 4-12.

77

Tabla 23. Características de las telas

Fuente: Ventilación industrial (Goberna, 1988) La mejor elección para el material es el Nylon, específicamente el Nomex, ya que resiste altas temperaturas, tiene buena resistencia a la humedad y en general un desempeño excelente para agresiones de agentes físicos y químicos. 4.5.2 Sistema de limpieza. El filtro de bolsas, al tener un sistema de limpieza por chorros de aire a presión o pulse jet. Este sistema es el ideal teniendo en cuenta la operación continua del horno en la planta y la relación aire-tela, la cual se obtiene de dividir el caudal entre el área de superficie de las mangas.

𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝐴𝑖𝑟𝑒 − 𝑇𝑒𝑙𝑎 =𝑄

𝐴=

4,44 𝑚3

𝑠⁄

193,1 𝑚2= 0,0229 𝑚

𝑠⁄

Conociendo esta relación se dirige a la tabla 24, la cual permite conocer el mecanismo de limpieza más eficaz, para usar.

78

Tabla 24. Filtros de tela y sus características


En conclusión, para una operación continua, y la relación aire-tela de 0,0229, es ideal usar un sistema de limpieza continuo de chorros de aire. Este sistema de aire libera el exceso de partículas acumulado sobre la superficie pero deja una capa residual, ya que así se obtiene una eficacia mayor a una tela nueva. A medida que la tela posee más residuo, efectividad de filtración aumenta pero se incurre en un menor caudal. Una manga puede llegar a trabajar hasta por 2 Kg de polvo por hora, en un metro de superficie. En la gráfica 1, se puede observar de modo general la variación de efectividad entre pulsos de aire.

Grafica 1. Variación del caudal entre pulsos


79

En los filtros con limpieza automática y operación continua, se evita tener que detener el flujo del aire, para limpiar los filtros. Este sistema utiliza un compresor de baja presión, debido a que la presión de entrada del chorro de aire inverso esta entre 85 y 114 psi. Las 18 electroválvulas que controlan el paso de aire a las mangas, funcionan de manera intermitente y no debe durar más de una décima de segundo abiertas dejando pasar el flujo de aire. Se debe enfatizar en tener una fuente de aire comprimido seca, ya que puede humedecer las mangas, creando lodos y recortando su tiempo de vida útil. Cada válvula debe activarse en intervalos entre 1 y 6 minutos. 4.5.3 Compresor. El sistema de limpieza por chorro de aire o pulse jet, requiere de un compresor de aire seco que se encargue de guardar en óptimas condiciones y dirigir el aire a las 18 válvulas que posee el filtro. Teniendo en cuenta que cada válvula por cada pulsación debe llenar 9 mangas y el volumen requerido de aire por manga es de 2.356,19 in³ (0,0386 m³) en total sería un volumen de aire de 21.205,75 in³ (0,347 m³) por pulsación. Cuadro 5. Volúmenes de aire y pulsaciones

Volumen por manga 2.356,14 in³ 0,0386 m³

Volumen por válvula 21.205,75 in³ 0,347 m³

Volumen por todo el filtro 381.703,5 in³ 6,246 m³

Pulsaciones (cada 3 minutos) 20 pulsaciones por hora

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 = 381.703,5 𝑖𝑛3

𝑝𝑢𝑙𝑠𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛⁄ ∗ 20 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠

ℎ⁄

= 7′634.070 𝑖𝑛3

ℎ⁄ ≈ 73,63 𝐶𝐹𝑀

Ese valor correspondería al aire libre requerido por el sistema, pero debe añadírsele un 10% para suplir las pérdidas lineales, las fugas, etc.

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛′ = 73,63 𝐶𝐹𝑀 ∗ 1,1 = 80,99 𝐶𝐹𝑀 Con este valor se evalúa en el catálogo del fabricante para seleccionar el compresor ideal. Teniendo en cuenta que la empresa Remétales S.A.S. cuenta con un compresor Kaeser de última tecnología, el cual se puede emplear en este nuevo sistema, se constatan las características de este, que cumpla con los requerimientos del sistema.

80

El compresor presente en la empresa es un compresor de tornillos Kaeser modelo ASD 40 S T. Con una estructura inteligente y ahorro de energía.

Imagen 23. Compresor

Los compresores de tornillo son más eficiente y silenciosos que los demás tipos, además de proporcionar un caudal y una presión constante. Este compresor cuenta con un separador centrífugo que hace un pre separado de los líquidos condensados. Posteriormente cuenta con un secador refrigerativo con drenaje, el cual garantiza el paso de aire seco al sistema del filtro, donde anteriormente en repetidas ocasiones se mencionó la necesidad de que el aire sea seco, para preservar las mangas.

Imagen 24. Estructura del compresor

Fuente: Catalogo de Compresores de tornillo, serie ASD (Kaeser, 2016)

81

El siguiente cuadro, muestra las características del compresor ASD 40 S T, donde se evidencia que cumple con las condiciones de caudal y presión requeridas para el sistema de filtración por mangas. Tabla 25. Especificaciones técnicas compresor Kaeser Modelo ASD 20 S T

Presión (psi)

Caudal (CFM)

Presión max. (psi)

Potencia (Hp)

Dimensiones (mm)

Niveles sonoros

(dB)

Peso (Kg)

125 162 125 40 1.770 x 900 x

1530 67 792

Fuente: Catalogo de Compresores de tornillo, serie ASD (Kaeser, 2016) 4.5.4 Estructura del filtro. Para sostener el filtro, se diseñará una estructura en perfiles de acero estructural A36, esta estructura con el fin de sostener el filtro en su sitio, que al igual que la estructura del ciclón, asegure la suficiente elevación para instalar un recipiente que recoja el material recuperado. Según el catálogo de Donaldson, el filtro tiene un peso de 4.173,1 Kg, lo cual se multiplica por la gravedad para hallar la carga que representa;

𝐹 = 4.173,1 𝐾𝑔 ∗ 9,8 𝑚𝑠⁄ = 40.896,38 𝑁

Dividiendo entre los cuatro puntos en los que estará apoyado el filtro, la carga puntual será igual a;

𝐹′ =40.896,38 𝑁

4= 10.224,1 𝑁

La carga distribuida será igual a 2.469,6 𝑁 𝑚⁄ . Al igual que en el cálculo de la estructura de los tubos y el ciclón, las vigas estarán soldadas a la columna, por lo que llevara dos momentos en cada extremo de la viga. De acuerdo a las tablas de momento de empotramiento.

𝑀 = 𝑀′ =1

12𝑞𝑙2 =

1

12(2.469,6 𝑁

𝑚⁄ )(4,14 𝑚2) = 3.527,31 𝑁 ∗ 𝑚

Donde; M = Momento M’ = Momento en otro extremo q = Carga distribuida l = Longitud de la viga

82

Como resultado el diagrama de cuerpo libre quedaría de la siguiente manera; Diagrama 11. Diagrama de cuerpo libre estructura del ciclón

↺+ ∑ 𝑀𝑎 = −(10.224,1 𝑁 ∗ 2,07 𝑚) + (4,1 𝑚 ∗ 𝑅𝑏) − 3.527,3 𝑁𝑚 + 3.527,3 𝑁𝑚 = 0

= −21.163,89 𝑁 ∗ 𝑚 + (4,14 𝑚 ∗ 𝑅𝑏) = 0

𝑅𝑏 =−21.163.89 𝑁 ∗ 𝑚

4,14 𝑚= 5.112,1 𝑁

∑ 𝐹𝑦 = 0

𝑅𝑎 + 𝑅𝑏 − 10.224,1 𝑁 = 0

𝑅𝑎 = 10.224,1 𝑁 − 5.112,1 𝑁 = 5.112,1 𝑁

83

Diagrama 12. Fuerza cortante y momento flector

Donde se conoce que el momento máximo es de 3.527,3 Nm Conociendo las propiedades del acero estructural A36 de acuerdo a los conceptos de diseño, se puede dar un valor de 2, debido a que se conocen todas las cargas y condiciones a las que se somete la estructura, se espera un uso continuo del

84

sistema, además de que una posible falla derive en riesgo para los usuarios del sistema o terceros, con esto el esfuerzo permisible será;


𝐹𝑆=

250 𝑀𝑝𝑎

2= 125 𝑀𝑝𝑎

Ahora se procede a conocer el modulo elástico mínimo.



3.527,3 𝑁

125′000.000 𝑃𝑎= 2,82𝑥10−5 𝑚3 = 28,23 𝑐𝑚3

En este caso, el perfil seleccionado es un perfil cuadrado de 80x80x5. Con las siguientes especificaciones. Tabla 26. Especificaciones perfil cuadrado 80x80x5

Propiedad Magnitud


Espesor 5 mm







𝐹𝑆 =𝑆′

𝑆=

31,67 𝑐𝑚³

28,23 𝑐𝑚³= 1,12

Ahora se realiza un chequeo por esbeltez, teniendo en cuenta el apoyo, el factor de pandeo y la longitud de la columna de la estructura (Ver Tabla 16)

85

El chequeo por esbeltez debe cumplir la regla general de;

𝐶ℎ =𝑘𝐿

𝑟≤ 200

𝐶ℎ =𝑘𝐿

𝑟=

0,5 ∗ 254 𝑐𝑚

3,04 𝑐𝑚= 41,78


𝜆 =𝑘𝐿

𝜋𝑟√

𝜎𝑦

𝐸=

0,5 ∗ 254 𝑐𝑚

𝜋 ∗ 3,04 𝑐𝑚√

2,5𝑥108𝑃𝑎

2𝑥1011𝑃𝑎= 1,48


𝜎𝑐𝑟 = (0,658𝜆2)𝜎𝑦 = (0,6581,482

)(2,5𝑥108 𝑃𝑎) = 99,9𝑥106 𝑃𝑎


𝑅𝑑 = ∅ ∗ 𝐴𝑔 ∗ 𝜎𝑐𝑟 = 0,9 ∗ 1,37𝑥10−3 𝑚2 ∗ 99,9𝑥106 𝑃𝑎 = 123.176,7 𝑁 Ya teniendo el perfil seleccionado, las estructuras quedaran de la siguiente forma;

Imagen 26. Render Estructura filtro

86

Las estructuras mostradas anteriormente, deben ser sometidas a la simulación de cargas para comprobar sus esfuerzos e idoneidad. 4.5.5 Soldadura de las estructuras. Las estructuras deben estar unidas por cordones de soldadura. Al ser la estructura del filtro la que más carga distribuida recibe (2.469,6 N/m) los cálculos se harán con base a esta fuerza. Conociendo la longitud de la viga lateral donde se apoya el filtro (2,2 m) y el ancho del perfil (0,08 m) se procede a conocer el tipo de soldadura, el cual está dado por el diseño de máquinas de Norton. Imagen 27. Tipos de soldadura

Fuente: Diseño de elementos de máquinas (Norton, 2002) Teniendo en cuenta la imagen anterior, se resuelven las fórmulas que se ajustan al diseño,

𝐼𝑢 = 𝑏 ∗ 𝑑 = 80 𝑚𝑚 ∗ 80 𝑚𝑚 = 6.400 𝑚𝑚2 Donde;

𝐼𝑢 = Factor geométrico a flexión b = Ancho del perfil d = Alto del perfil Siendo el factor geométrico de la junta, de aquí en adelante, como lo que se quiere conocer es el tamaño de la soldadura, todo se dejara expresado en hc (Altura de la junta) para ser despejado al final.

𝐼 = 0,707 ∗ ℎ𝑐 ∗ 𝐼𝑢 = 0,707 ∗ ℎ𝑐 𝑚𝑚 ∗ 6.400 𝑚𝑚2 = 4.524,8 ℎ𝑐 𝑚𝑚³(29.863,7𝑚𝑚3) Donde; I = Factor geométrico de la junta hc = Altura de la junta

87

El área total de la soldadura será igual a;

𝐴𝑡 = (2 ∗ 𝑑) ∗ 0,707 ∗ ℎ𝑐 = (2 ∗ 80 𝑚𝑚) ∗ 0,707 ℎ𝑐 𝑚𝑚

= 113,12 ℎ𝑐 𝑚𝑚2(746,59 𝑚𝑚2) Donde; At = Área total Con esta información se puede calcular el esfuerzo cortante vertical que soporta la soldadura;

𝜏𝑐 =𝑃

𝐴𝑡=

2.716,56 𝑁

113,12 ℎ𝑐 𝑚𝑚²=

24,02

ℎ𝑐 𝑀𝑝𝑎 (3,64 𝑀𝑝𝑎)

Donde;

𝜏𝑐 = Esfuerzo cortante vertical P = Carga puntual Sobre la junta también actúa un esfuerzo de torsión, que tiene un valor de;

𝜏𝑡 =𝑀

𝐼=

2.716,56 𝑁 ∗ (2,2 𝑚

2 )

4,524 ℎ𝑐 𝑥10−6 𝑚³=

660,4


Donde;

𝜏𝑡 = Esfuerzo de torsión M = Momento ejercido por la carga puntual I = Factor geométrico de la junta Teniendo en cuenta el material a soldar (Acero A36) se debe conocer la fuerza admisible que la soldadura soportara, para ello, se tomará una soldadura para un puente, con las siguientes propiedades. Tabla 27. Propiedades de la soldadura

Metal base Electrodo Esfuerzo Ultimo (𝝉

(𝝉u)

Límite de fluencia

(𝝉y)

A36 E60 427 Mpa 345 Mpa

Fuente: Diseño de elementos de máquinas (Norton, 2002)

88

Conociendo lo anterior, la tensión admisible de la soldadura, debe de ser el 60% del límite de fluencia, debido al factor para corte de filete.

𝜏𝐴𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 = 0,6 ∗ 𝜏𝑦 = 0,6 ∗ 345 𝑀𝑝𝑎 = 207 𝑀𝑝𝑎 Donde;

𝜏𝐴𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 = Esfuerzo admisible para la soldadura 𝜏𝑦 = Limite de fluencia Ahora, se suma el esfuerzo de torsión y el esfuerzo cortante;

𝜏 = 𝜏𝑡 + 𝜏𝑐 =660,4

ℎ𝑐 𝑀𝑝𝑎 +

24,02

ℎ𝑐 𝑀𝑝𝑎 =

684,42


Donde;

𝜏 = Esfuerzo total Para terminar, se halla el esfuerzo de diseño, para el cual se utilizará un factor de seguridad de dos (2), esto debido a que se conocen todas las cargas que puedan afectar la estructura y además porque es el valor que se ha usado en todas las estructuras ya diseñadas.

𝜏𝐷𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 2 ∗ 𝜏 = 2 ∗684,42

ℎ𝑐 𝑀𝑝𝑎 =

1.386,84


Donde;

𝜏𝐷𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = Esfuerzo de diseño Y por último se divide el esfuerzo de diseño, entre el esfuerzo admisible para la soldadura, el resultado será el despeje de la altura de la junta, la cual era la incógnita.

ℎ𝑐 =𝜏𝐷𝑖𝑠𝑒ñ𝑜

𝜏𝐴𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒=

1.386,84 𝑀𝑝𝑎

207 𝑀𝑝𝑎= 6,6 𝑚𝑚

Siendo 6,6 mm la altura mínima de la junta de la soldadura, de acuerdo con lo esto

se utilizara una altura estándar de 5

16 in (7,94 mm).

89

4.5.6 Pernos de sujeción al suelo. Las estructuras se fijarán al suelo por medio de pernos, los cuales estarán sometidos a la reacción de la fuerza normal que produce el peso del equipo en el concreto. Imagen 28. Tipo de carga del perno

Fuente: NTP 893 (Instituto Nacional de Seguridad e Higiene, 2016) Teniendo en cuenta la imagen anterior, los pernos estarán sometidos a la fuerza que se produce por el peso de la estructura y del filtro, este valor tendrá que dividirse entre el número de soportes que tendrá la estructura y el número de pernos por soporte. Tabla 28. Cargas a soportar por el perno

Peso estructura 300,4 Kg

Peso filtro 4.173,1 Kg Total 4.473,5 Kg

Fuerza Total 43.840,3 N Fuerza por soporte 7.306,7 N Fuerza por perno 1.826,7 N (1,8 KN)

Si se utiliza un factor de seguridad de 2, esto teniendo en cuenta que las cargas son estáticas y se conocen todas ellas además no existe vibración.

𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜 = 1,8 𝐾𝑁 ∗ 2 = 3,6 𝐾𝑁 Teniendo en cuenta esto, y que el tipo de concreto será el C20/25, se siguen los datos de capacidad que expone la NTP.

90

Tabla 29. Datos de capacidad

Fuente: NTP 893 (Instituto Nacional de Seguridad e Higiene, 2016) Mirando la tabla 29, se puede ver que un perno aceptable es el M8, pero como se ve más adelante, el M10 será el ideal debido a las tablas de dimensiones entre anclajes y diámetros de la broca. Las placas donde se harán los agujeros para los pernos tendrán un espesor de 3/8 de pulgada con una dimensión de 3 veces el tamaño del perfil, para el caso del filtro es 3 veces 80 mm. Los agujeros se harán a la mitad de la distancia entre el perfil y el borde de la placa. Tabla 30. Datos de capacidad

Fuente: NTP 893 (Instituto Nacional de Seguridad e Higiene, 2016) Teniendo en cuenta las especificaciones dadas, la disposición de los pernos quedara de la siguiente manera;

91

Imagen 29. Disposición de tornillos

Se utilizará un tornillo de cabeza hexagonal con rosca métrica d=M10 y L=100mm.

4.6 PÉRDIDAS EN EL SISTEMA Según el manual de Ventilación Industrial¹, el sistema de extracción, clasifica en un sistema de extracción localizada, es decir que la succión del aire se hace en el mismo lugar donde se produce la combustión o contaminación. Estos sistemas se componen de 4 elementos: Los elementos de captación, el sistema de conductos y chimenea, el depurador y el ventilador. Los principios del flujo de aire en los sistemas de ventilación, están gobernados por dos principios básicos de la mecánica de fluidos: la conservación de masa y energía (No se pretende efectuar un estudio en profundidad de este tema). La conservación de la masa exige que el balance de masa debe ser nulo, por esta razón es necesario depreciar los efectos térmicos, como lo es el cambio de temperatura del gas con respecto a los alrededores de la tubería (Ver Anexo W). Además estas variaciones de hacen variar las presiones y la potencia que absorbe la hélice del ventilador.

¹ GOBERNA R. Óp. cit, p. 1-2 y 1-3.

92

Teniendo en cuenta lo expuesto anteriormente, se puede conocer la densidad del aire por medio de la ecuación expuesta en el manual de la Ventilación Industrial¹, a la temperatura de salida del horno (700ºC) con base en la densidad del mismo a temperatura ambiente.

𝜌700℃ = 1,2 𝐾𝑔

𝑚3⁄ ∗ 293°𝐾

273 ∗ 700℃= 0,36

𝐾𝑔𝑚3⁄

4.6.1 Aceleración del flujo. Conociendo la velocidad del fluido (23 𝑚

𝑠⁄ ) el caudal

(4,44 𝑚3

𝑠⁄ ) el área del conducto (0,193𝑚2) y la densidad del aire a 700ºC

(0,4 𝐾𝑔

𝑚3⁄ ). Se puede obtener la presión dinámica para la velocidad mínima de

diseño.

𝑃𝐷 = 𝜌700℃ ∗ (𝑉

4,43)

2

= 0,36 𝐾𝑔

𝑚3⁄ ∗ (23 𝑚

𝑠⁄

4,43 𝐾𝑔1/2

𝑚1/2𝑚𝑚𝑐𝑑𝑎1/2𝑠

)

2

= 9,78 𝑚𝑚𝑐𝑑𝑎

4.6.2 Método de diseño. Los procedimientos usados son esenciales para calcular la pérdida de carga o presión en un sistema de extracción, el dato de la pérdida de carga junto con el caudal sirven para determinar el ventilador y todas sus características. El cálculo de la perdida de carga en el sistema se hará con base en el método de la presión dinámica. Este método consiste en que todas las pérdidas en conductos y accesorios, se expresan en función de la presión dinámica, las cuales pueden ser calculadas multiplicándola por un factor. 4.6.2.1 Factor de carga. Este factor permite conocer las pérdidas de carga en el tramo a raíz de la fricción, pérdidas expresadas en mmcda por metro de tubería. Este factor, puede ser hallado por medio de la gráfica en el Anexo H, o por la siguiente formula;

𝐻𝑓 = 0,0155 ∗𝑉0,533

𝑄0,612

𝐻𝑓 = 0,0155 ∗23 𝑚

𝑠⁄0,533

4,44 𝑚3𝑠⁄

0,612 = 0,033

¹ GOBERNA R. Óp. cit, p. 1-3.

93

4.6.2.2 Factor para accesorios. Este factor para campanas, codos, uniones. Etc. Es diferente para cada tipo de accesorio. Lo cual hace necesario conocer de antemano los accesorios y el número que se utilizaran en el diseño. Cuadro 6. Factor de Perdida para accesorios

Accesorio Factor de Perdida

Codos 0,39 (en función de PD)

Cámara de Sedimentación 14,67 mmcda

Ciclones 100 mmcda

Filtro de Bolsas 100 mmcda

Campana de Succión 0,18 (en función de PD)

Uniones por Brida 0,49 (en función de PD)

Fuente: Ventilación industrial (Goberna, 1988) Imagen 30. Esquema de identificación de componentes

B C

A E

D

M N

L

J

I K

G

R

H

F

O

S

P Q T

W - Chimenea

U V

Filtro

Ventilador

Ventilador

Tuberia

Codo

Horno Camara

Camara

Ciclon

Media

Ciclon

Alta

94

4.6.2.3 Explicación de cálculos. El resultado de los cálculos de pérdidas se pueden ver en el Cuadro 7, acá se explicara cómo fueron realizados. Los ítems del 1 al 5; los cuales son caudal, velocidad, área y presión dinámica al inicio del tramo, ya se conocen de antemano. Los ítems del 6 al 10; son los que tienen que ver con la succión que produce la campana, en este caso el factor de pérdidas para esta y un factor de aceleración que debe ser igual a 1 en todos los tramos, estos dos se suman para determinar el factor de perdida en la entrada, y luego debe ser multiplicado por la presión dinámica del ítem 5;

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 + 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 = 0,18 + 1 = 1,18

1,18 ∗ 𝑃𝐷 = 1,18 ∗ 9,78 𝑚𝑚𝑐𝑑𝑎 = 11,54 𝑚𝑚𝑐𝑑𝑎 = 𝑆𝑢𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 En los ítems del 11 al 21; se tienen en cuenta las pérdidas producidas por los accesorios y por la longitud de las tuberías, estas pérdidas son sumadas para determinar un factor global en función de la presión dinámica, en el tramo (Item 21)

𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑡𝑟𝑎𝑚𝑜 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑚𝑜 ∗ 𝐻𝑓 = 12,5 𝑚 ∗ 0,03 = 0,41

𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑑𝑜𝑠 = #𝐶𝑜𝑑𝑜𝑠 ∗ 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 = 3 ∗ 0,39 = 1,17

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑡𝑟𝑎𝑚𝑜 = 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑡𝑟𝑎𝑚𝑜 + 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑑𝑜𝑠

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑡𝑟𝑎𝑚𝑜 = 0,41 + 1,17 = 1,58 En el ítem 22, se multiplica el factor global en función de la presión dinámica por la presión dinámica de entrada en el tramo, como se puede ver en el siguiente ejemplo de las perdidas en el tramo A-E.

𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑇𝑟𝑎𝑚𝑜 = 1,58 ∗ 9,78 = 15,48 𝑚𝑚𝑐𝑑𝑎 Este valor, será la presión dinámica de entrada en el tramo siguiente. El ítem 23 representa la presión estática en el tramo, la cual es la suma de la succión producida y de las perdidas en el tramo.

𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛 𝑡𝑟𝑎𝑚𝑜 = 11,54 𝑚𝑚𝑐𝑑𝑎 + 15,48 𝑚𝑚𝑐𝑑𝑎 = 27,02 Esta presión estática es la que se acumula y por medio de la cual es posible conocer la presión estática a la que debe trabajar el ventilador.

95

Conociendo las pérdidas acumuladas que se dan en el Cuadro 7, se puede determinar la presión estática que debe vencer el ventilador para evitar las pérdidas de carga por medio de la siguiente ecuación;

𝑃𝐸𝑉 = 𝑃𝐸𝑆 − 𝑃𝐸𝐸 − 𝑃𝐷𝐸

𝑃𝐸𝑉 = 15,3 − (−447,18) − 13,9 = 448,56 𝑚𝑚𝑐𝑑𝑎 = 17,6 𝑖𝑛𝐻2𝑂 Donde;

𝑃𝐸𝑉 = Presión del Ventilador

𝑃𝐸𝑆 = Presión estática después del ventilador

𝑃𝐸𝐸 = Presión estática de entrada 𝑃𝐷𝐸 = Presión dinámica de entrada

96

Cuadro 7. Cálculo de pérdidas de carga por tramo

ITE

M

CALCULO DE PERDIDAS

TRAMO A-E E-F F-H H-I I-K K-L L-P P-Q Q-S T-V

1 CAUDAL (m3/s) 4,44 4,44 4,44 4,44 4,44 4,44 4,44 4,44 4,44 4,44

2 VELOCIDAD (m/s) 23,00 - 23,00 - 23,00 - 23,00 - 23,00 -

3 DIAMETRO CONDUCTO (m) 0,50 - 0,50 - 0,50 - 0,50 - 0,50 0,50

4 AREA CONDUCTO (m2) 0,20 - 0,20 - 0,20 - 0,20 - 0,20 0,20

5 PRESION DINAMICA (mmcda) 9,78 - 15,48 - 16,26 - 8,70 - 13,08 13,93

6

SU

CC

. C

AM

P FACTOR DE PERDIDA 0,18 - - - - - - - - -

7 FACTOR DE ACELERACION 1,00 - 1,00 - 1,00 - 1,00 - 1,00 -

8 PERDIDA EN ENTRADA EN PD 1,18 - 1,00 - 1,00 - 1,00 - 1,00 -

9 PD ENTRADA 11,54 - 15,48 - 16,26 - 8,70 - 13,08 -

10 OTRAS PERDIDAS (mmcda) 0,00 14,67 0,00 100,00 0,00 100,00 0,00 100,00 0,00 -

11 SUCCION 11,54 15,48 - 16,26 - 8,70 - 13,08 0,00

12 LONGITUD CONDUCTO RECTO (m) 12,50 - 8,20 - 4,40 - 10,10 - 8,62 21,50

13 FACTOR DE PERDIDAS - Hf 0,03 - 0,03 - 0,03 - 0,03 - 0,03 0,03

14 PERDIDAS EN PD 0,41 - 0,27 - 0,15 - 0,33 - 0,28 0,71

15 # CODOS 90º 3,00 - 2,00 - 1,00 - 3,00 - 2,00 1,00

16 FACTOR DE PERDIDA EN CODOS 0,39 - 0,39 - 0,39 - 0,39 - 0,39 0,39

17 PERDIDA EN CODOS EN PD 1,17 - 0,78 - 0,39 - 1,17 - 0,78 0,39

18 # UNIONES - - - - - - - - - -

19 FACTOR DE PERDIDA EN UNIONES - - - - - - - - - -

20 PERDIDAS EN UNIONES EN PD 0,00 - 0,00 - 0,00 - 0,00 - 0,00 0,00

21 PERDIDAS EN TRAMO EN PD 1,58 - 1,05 - 0,54 - 1,50 - 1,06 1,10

22 PERDIDAS EN TRAMO (mmcda) 15,48 - 16,26 - 8,70 - 13,08 - 13,93 15,31

23 PERDIDAS DE PE EN TRAMO (mmcda) 27,02 14,67 31,74 100,00 24,96 100,00 21,78 100,00 27,01 15,31

24 PE ACUMULADO (mmcda) -27,02 -41,69 -73,42 -173,42 -198,39 -298,39 -320,17 -420,17 -447,18

97

4.7 VENTILADOR Conociendo el caudal, la velocidad del fluido y la presión estática. Son suficientes datos para seleccionar el ventilador de tiro inducido. Se seleccionara un ventilador centrífugo de la marca Chicago Blower, para lo cual se utilizará los catálogos y factores de corrección de dicha empresa.

Se seleccionara un ventilador capaz de mover 9.410 CFM (15.984𝑚3

ℎ⁄ ) a una

velocidad de 4.527 FPM (23 𝑚 𝑠⁄ ) a una presión estática de 17,6 𝑖𝑛𝐻2𝑂, una altitud de 22,05 in-Hg (560 mm-Hg) y 300 ºF (150º C) Según la Tabla Correcciones de Chicago Blower, el valor de la altitud requerida no existe, se toma un valor de altitud más alto presente en la tabla, siendo el factor de corrección más alto, para la temperatura deseada. Teniendo en cuenta lo anterior, se ubica en el valor de 300ºF y 24,9 in-Hg y se selecciona el factor de corrección de 1,72. Se procede a corregir los siguientes valores.

17,6 𝑖𝑛 − 𝐻2𝑂 ∗ 1,72 ≅ 30 𝑖𝑛 − 𝐻2𝑂 Revisando la propuesta de motores de la Chicago Blower, y teniendo en cuenta todos los parámetros, el ventilador Size 19 LS/WF, resulta ser el más conveniente de acuerdo a sus características. Tabla 31. Valores del ventilador seleccionado

CFM FPM 30SP

9.456 4.800 RPM BHP 2.205 68,4

Fuente: Industrial Centrifugal Fans (Chicago Blower) Aplicando el factor de corrección como se recomienda en el catálogo, se procede a corregir la potencia y las revoluciones del rotor y del eje, debido a las revoluciones por minuto que arroja el catalogo es necesario realizar las correcciones para un ventilador Clase 4, ya que es el único que resiste estas revoluciones, esto afectara las dimensiones del eje y el chavetero.

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 = 68,4 𝐵𝐻𝑃

1,72= 39,8 𝐵𝐻𝑃 ≈ 40 𝐻𝑃

𝑅𝑃𝑀 𝑅𝑜𝑡𝑜𝑟 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 =2.205 𝑟𝑝𝑚

0,95= 2.321,1 𝑟𝑝𝑚

98

𝑅𝑃𝑀 𝐸𝑗𝑒 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 =2.205 𝑟𝑝𝑚

0,99= 2.227,3 𝑟𝑝𝑚

Ya conociendo las características del ventilador, es necesario conocer el rendimiento bajo el cual trabaja el ventilador, este se calcula con base en la potencia que entrega el ventilador, la cual se encuentra en función del caudal de aire que se desea impulsar y las pérdidas de presión que se producen en el sistema de conductos, dividida entre la potencia que recibe el ventilador en su eje, cuyo valor es el mismo de potencia que se entrega en el catálogo.

𝑃𝑎 = 𝑄 ∗ ∆𝑃 ∗ 𝑔 = 4,44 𝑚3

𝑠⁄ ∗ 443,1 𝑚𝑚𝑐𝑑𝑎 ∗ 9,8 𝑚𝑠2⁄ = 19,28 𝐾𝑊

19,28 𝐾𝑊 ∗1 𝐻𝑃

0,745 𝐾𝑊= 25,87 𝐻𝑃

𝑛𝑣 =𝑃𝑎

𝑃𝑣=

25,87 𝐻𝑃

39,8 𝐻𝑃= 0,65

Donde;

𝑃𝑎 = Potencia entregada

𝑃𝑣 = Potencia del ventilador Q = Caudal

∆𝑃 = Presión del ventilador g = Gravedad 4.7.1 Dimensiones del ventilador. Según el catálogo de Chicago Blower, el ventilador de clase 4 deberá tener las siguientes dimensiones.

Imagen 31. Cotas del ventilador

Fuente: ICF Catalog Chicago Blower (2016)

99

En la Tabla 32, se detallan las dimensiones. Tabla 32. Dimensiones del ventilador

Cota Dimensiones (mm)

Diámetro del Rotor 838,2

Diámetro del Eje 74,61

Medidas del Chavetero 19,1 x 9,53

A 463,55

B 609,6

C 549,28

D 669,93

E 614,36

F 762

G 482,6

H 812,8

J 304,8

K 1.152,53

L 177,8

M 796,93

N 406,4

P 50,8

W 266,7

Fuente: ICF Catalog Chicago Blower (2016) Además, debido al tipo de arreglo que se le dará al ventilador, se tienen en cuenta otras dimensiones especificadas por el fabricante, el tipo de arreglo seleccionado para el ventilador será una TH-CW, la cual cuenta con un marco en T para el motor, el cual soporta un motor hasta de tipo 326T.

Imagen 32. Orientación de la descarga

Fuente: ICF Catalog Chicago Blower (2016)

100

Tabla 33. Dimensiones del ventilador, según arreglo

Cota Dimensiones (mm)

AA 1.284,29

BB 1.422,4

CC 1.590,68

DD 1.392,24

EE 1.339,85

FF 1.427,16

GG 1.279,53

HH 1.763,71

JJ 1.543,1

KK 1.512,89

LL 1.482,73

MM 1.509,71

Fuente: ICF Catalog Chicago Blower (2016) 4.7.2 Transmisión de potencia. Para dar la potencia necesaria al ventilador, se recurre a un motor Siemens trifásico asincrónico de uso pesado el cual contara con las siguientes características; Tabla 34. Características motor

Tamaño Armazón

Potencia RPM Voltaje

324T 40 HP 1.800 230/460 V

Fuente: Catalogo General Motores Eléctricos (Siemens, 2.007) Esta potencia se transmitirá al ventilador mediante un juego de poleas, basándose en los siguientes datos. La potencia efectiva, la cual está dada por la multiplicación entre la potencia nominal del motor y el factor de servicio. El cual para este caso, se tomara el valor de 1,2 (tomado de la Tabla 35)

𝑃𝑒 = 𝑃𝑛 ∗ 𝐹𝑠 = 40 𝐻𝑃 ∗ 1,2 = 48 𝐻𝑃 ≈ 36 𝐾𝑊 Donde; Pe = Potencia efectiva Pn = Potencia nominal Fs = Factor de servicio

101

Tabla 35. Factores de servicio

Fuente: Manual técnico, cálculo de transmisiones (Rexon, 2.005)

Conociendo las velocidades tanto del motor (1.800 rpm) y el eje del ventilador (2.228 rpm) además de haber calculado la potencia efectiva o de diseño. Se procede a seleccionar el tipo de correa. Existen tres tipos de correas, clásicas, de alta capacidad y las europeas. Para este caso se seleccionara una correa de alta capacidad por medio de la siguiente gráfica.

Imagen 33. Perfiles correas de alta capacidad

Fuente: Transmisión de potencia, poleas en “V” (Intermec, 2013)

102

Grafico 2. Perfil de la correa

Fuente: Transmisión de potencia, poleas en “V” (Intermec, 2013)

Según el gráfico, la correa que se adapta a las necesidades del diseño es el perfil 3V o 3VX. La relación de velocidades se establece dividiendo las revoluciones mayores entre las menores, con este número es posible conocer el diámetro de la polea conducida.

𝑖 =𝑅𝑃𝑀 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟

𝑅𝑃𝑀 𝐸𝑗𝑒=

1.800 𝑟𝑝𝑚

2.228 𝑟𝑝𝑚= 0,81

Ahora se debe seleccionar el tamaño de la polea conductora con el número de canales y diámetro menor posible para transmitir la potencia efectiva, a mayor diámetro más capacidad de transmisión por canal, teniendo en cuenta esto son requeridas menos correas. También se ha de tener en cuenta que para una velocidad de 1.800 rpm en la polea conductora o motriz (la que está en el motor) debe de tener un diámetro mínimo con base a la velocidad, que para este caso, el diámetro de la polea, no debe ser inferior a 155 mm o 6,1 in. De acuerdo al Anexo M, la tabla de capacidad de transmisión por canal para las correas tipo 3VX de Intermec. Para una velocidad de 2.300 rpm en el eje más rápido y un diámetro en la polea motriz de 270 mm, la capacidad por canal es de 17,30 Hp.

103

# 𝐶𝑎𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 =𝑃𝑒

𝑃𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙=

48 𝐻𝑝

17,30 𝐻𝑝

𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙⁄= 2,77 ≈ 3 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠

Cumpliéndose la condición de un diámetro para la polea motriz mayor a 155 mm (270 mm) y el menor número de canales. Ahora es posible conocer el diámetro de la polea conducida, con base a la relación de velocidades hallado anteriormente.

𝑖 =∅2

∅1=

𝑅𝑃𝑀 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟

𝑅𝑃𝑀 𝐸𝑗𝑒

∅2 = 1,28 ∗ ∅1 = 0,81 ∗ 270 𝑚𝑚 = 218,7 𝑚𝑚 Para conservar la relación de velocidades, esta polea conductora se fabricara con el diámetro requerido. En consecuencia la polea a seleccionar del catálogo será VQ-3-3V270 y la polea conducida será mandada a fabricar. La distancia entre centros que más se recomienda es que sea 1,5 veces la suma de los diámetros de las poleas.

𝐶 = 1,5 ∗ (270 𝑚𝑚 + 218,7 𝑚𝑚) = 733,1 𝑚𝑚 Conociendo la distancia entre centros es posible calcular la longitud necesaria de la correa, la cual permitirá elegir el modelo de esta, se expresa según la siguiente ecuación;

𝐿 = 2𝐶 + 1,57(𝐷 + 𝑑) +(𝐷 + 𝑑)2

4𝐶

= 2 ∗ 733,1 𝑚𝑚 + 1,57 ∗ (270 𝑚𝑚 + 218,7 𝑚𝑚) +(270 𝑚𝑚 + 218,7 𝑚𝑚)2

4 ∗ 733,1 𝑚𝑚

= 2.314,9 𝑚𝑚 ≈ 91,13 𝑖𝑛 Esta longitud se acerca a la siguiente medida comercial que sería de 95in. Teniendo en cuenta esto, se selecciona la correa 3V-950. 4.7.3 Diseño del eje. Conociendo ya las dimensiones de la polea y las condiciones a las que está sometido el eje del ventilador, se desarrolla el procedimiento de diseño del eje. Aunque las dimensiones del eje ya están dadas por el fabricante, el resultado del procedimiento sirve de comprobación.

104

Imagen 34. Esquema del eje

Potencia = P = 40 HP Material Velocidad = n = 2.228 rpm AISI 1040 Diámetro Polea = Dp = 9,1 in Sy = 71 KSI Diámetro Rueda = Dr = 33 in Su = 80 KSI

𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 = 𝑇 =63.000 ∗ 𝑃

𝑛=

63.000 ∗ 40 𝐻𝑃

2.228 𝑟𝑝𝑚= 1.131,1 𝑙𝑏 ∗ 𝑖𝑛

𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑙𝑒𝑎 = 𝐹𝑁 =𝑇

𝐷𝑝2

⁄=

1.131,1 𝑙𝑏 ∗ 𝑖𝑛

9,1 𝑖𝑛2⁄

= 248,58 𝑙𝑏

𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝐹𝑙𝑒𝑥𝑖𝑜𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑙𝑒𝑎 = 𝐹𝐴 = 1,5 ∗ 𝐹𝑁 = 373,87 𝑙𝑏

𝐹𝐴𝑋 = 𝐹𝐴 ∗ cos 60 = 186,44 𝑙𝑏 𝐹𝐴𝑌 = 𝐹𝐴 ∗ sin 60 = 322,91 𝑙𝑏

𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑅𝑈𝐸𝐷𝐴 = 𝐹𝑅 =𝑇

𝐷𝑅2⁄

= 1.131,1 𝑙𝑏 ∗ 𝑖𝑛

33 𝑖𝑛2⁄

= 68,55 𝑙𝑏

𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝐴𝑥𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑎𝑙 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝐹𝐴𝑉 = 𝑃𝐷𝑆𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 ∗ 𝐴𝐸𝑛𝑡

= 107,48 𝑃𝑎 ∗ 0,183 𝑚2

= 19,66 𝑁 = 4,42 𝑙𝑏

105

Donde;

𝑃𝐷𝑆𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 = Presión dinámica que entra al ventilador 𝐴𝐸𝑛𝑡 = Área de succión del ventilador Diagrama 13. Diagrama de cuerpo libre 3D

Sumatoria de fuerzas y momentos en el plano X – Z;

∑ 𝐹𝑥 = 0

186,44 𝑙𝑏 − 𝑅𝐴𝑋 − 𝑅𝐵𝑋 + 68,55 = 0

𝑅𝐴𝑋 + 𝑅𝐵𝑋 = 254,99 𝑙𝑏

𝑅𝐵𝑋 = 50,9 𝑙𝑏

∑ 𝑀𝐵 = 0

(186,44 𝑙𝑏 ∗ 37,375 𝑖𝑛) − (𝑅𝐴𝑋 ∗ 31,375 𝑖𝑛) − (68,55 𝑙𝑏 ∗ 8 𝑖𝑛) = 0

6951,75 𝑙𝑏 ∗ 𝑖𝑛 − 548,4 𝑙𝑏 ∗ 𝑖𝑛 = 31,375 𝑖𝑛 ∗ 𝑅𝐴𝑋

𝑅𝐴𝑋 = 204,09 𝑙𝑏

106

Sumatoria de fuerzas y momentos en el plano X – Z;

∑ 𝐹𝑦 = 0

−322,92 𝑙𝑏 − 𝑅𝐴𝑌 − 𝑅𝐵𝑌 = 0

𝑅𝐴𝑋 + 𝑅𝐵𝑋 = −322,92 𝑙𝑏

𝑅𝐵𝑋 = 61,75 𝑙𝑏

∑ 𝑀𝐵 = 0

(322,92 𝑙𝑏 ∗ 37,375 𝑖𝑛) + (𝑅𝐴𝑌 ∗ 31,375 𝑖𝑛) = 0

12.096,135 𝑙𝑏 ∗ 𝑖𝑛 = 31,375 𝑖𝑛 ∗ 𝑅𝐴𝑌

𝑅𝐴𝑌 = −384,67 𝑙𝑏 Diagrama 14. Fuerzas cortantes y momentos

𝑀1 = 0

𝑀2 = √1.118,642 + 1.937,522

= 2.237,26 𝑙𝑏 ∗ 𝑖𝑛

186,44 68,55 384,67

204,09 50,9 322,92 61,75

1.118,64

564,87

16,47

Diagrama de Momento (lb*in)

-322,92

61,75

-1.937,52

Diagrama de Cuerpo Libre Plano X-Z (lb) Diagrama de Cuerpo Libre Plano Y-Z (lb)

Diagrama de Fuerzas Cortantes (lb)

186,44

-17,65

-68,55

Diagrama de Momento (lb*in)

Diagrama de Fuerzas Cortantes (lb)

107

𝑀3 = 564,87 𝑙𝑏 ∗ 𝑖𝑛

𝑀4 = 16,47 𝑙𝑏 ∗ 𝑖𝑛 Para el cálculo de los diámetros mínimos del eje, es necesario conocer la resistencia real de la fatiga del material, la cual incluye diferentes factores.

𝑆′𝑛 = 𝑆𝑛 ∗ 𝐶𝑚 ∗ 𝐶𝑠𝑡 ∗ 𝐶𝑟 ∗ 𝐶𝑠 Donde Sn se obtiene de la siguiente gráfica, donde se cruza la resistencia a la tensión (80 Ksi) con las condiciones de superficie, para este caso, será un esmerilado.

Grafica 3. Resistencia a la tensión S’n

Fuente: Diseño de elementos de máquinas (Mott, 2004).

El factor de material será un acero forjado, puesto que su factor será Cm = 1. El factor Cst, depende del tipo de esfuerzo al que se someta, para este caso encontramos cargas axiales y flexionantes, por lo que se toma el factor mayor que es igual a Cst = 1.

108

El factor de confiabilidad, se da de acuerdo al criterio del autor, teniendo en cuenta la siguiente tabla. La confiabilidad deseada será de un 90%.

Tabla 36. Factor de confiabi-lidad


Por último el factor de tamaño, toma en cuenta un diámetro tentativo, en este caso,

como es una comprobación del diámetro del eje que da el fabricante (2 1516⁄ in),

ese será el valor a tomar y se aplicara la siguiente formula.

Tabla 37. Factor de Tamaño


𝐶𝑠 = 0,859 − (0,02125 ∗ 𝐷) = 0,859 − (0,02125 ∗ 2 1516⁄ 𝑖𝑛)

= 0,79 Teniendo en cuenta estos datos, la resistencia a la fatiga será igual a;

𝑆′𝑛 = 𝑆𝑛 ∗ 𝐶𝑚 ∗ 𝐶𝑠𝑡 ∗ 𝐶𝑟 ∗ 𝐶𝑠

= 37 𝑘𝑠𝑖 ∗ 1 ∗ 1 ∗ 0,9 ∗ 0,79

= 26,307 𝑘𝑠𝑖

109

Como el eje debe sostener la polea y el rotor del ventilador, además de una forma escalonada para sostener los rodamientos. Estas discontinuidades geométricas en el eje, como cuñeros y redondeos, cuentan con valores dados en el factor Kt, que varía según la forma y utilidad de la discontinuidad. El valor Kt para los cuñeros de perfil¹ será igual a 2 y en el caso de los chaflanes escalonados agudos² para sostener los rodamientos, Kt tendrá un valor de 2,5. Con la siguiente formula, se conocerán los diámetros mínimos del eje dependiendo de su sección.

∅ = [32 ∗ 𝑁

𝜋∗ √(

𝐾𝑡 ∗ 𝑀

𝑆′𝑛)

2

+3

4∗ (

𝑇

𝑆𝑦)

2

]

13

En el diámetro 1 (∅1) el momento es 0, por lo que la primera parte de la raíz se anula.

∅1 = [32 ∗ 2

𝜋∗ √0 +

3

4∗ (

1.131,1 𝑙𝑏

71.000 𝑝𝑠𝑖)

2

]

13

= 0,655 𝑖𝑛

∅2 = [32 ∗ 2

𝜋∗ √(

2,5 ∗ 2.237,26 𝑙𝑏 ∗ 𝑖𝑛

26.307 𝑝𝑠𝑖)

2

+3

4∗ (

1.131,1 𝑙𝑏

71.000 𝑝𝑠𝑖)

2

]

13

= 1,632 𝑖𝑛

El diámetro 3 (∅3) como no contiene elementos de transmisión, ni discontinuidades geométricas, se suma 0,21 in (6 mm) al diámetro anterior, con el fin de que el escalón no sea superior a la pista del rodamiento y no lo frene.

∅3 = ∅2 + 0,21 = 1,632 𝑙𝑏 + 0,21 𝑙𝑏 = 1,841 𝑖𝑛

∅4 = [32 ∗ 2

𝜋∗ √(

2,5 ∗ 564,87 𝑙𝑏 ∗ 𝑖𝑛

26.307 𝑝𝑠𝑖)

2

+3

4∗ (

1.131,1 𝑙𝑏

71.000 𝑝𝑠𝑖)

2

]

13

= 1,042 𝑖𝑛

¹ MOTT R. Diseño de elementos de máquinas (2004). Ohio, U.S.A: Universidad de Dayton, p. 541 ² Ibid, p. 542

110

∅5 = [32 ∗ 2

𝜋∗ √(

2 ∗ 16,47 𝑙𝑏 ∗ 𝑖𝑛

26.307 𝑝𝑠𝑖)

2

+3

4∗ (

1.131,1

71.000 𝑝𝑠𝑖)

2

]

13

= 0,656 𝑖𝑛

Por efectos de simetría en el eje, los diámetros 4 (∅4) y 5 (∅5) se igualan a los dos primero. Estos datos son meramente enunciativos con el fin de corroborar que las dimensiones del eje en el ventilador, dadas por el fabricante son ideales para su funcionamiento. 4.7.4 Uniones flexibles. Para unir el ventilador centrifugo a la tubería, no puede hacerse por medio de bridas o soldaduras, debido a que la vibración de este podría fatigar y hacer fallar las estructuras de entrada y salida. Por esta razón es necesario seleccionar unas uniones flexibles que garanticen la absorción del movimiento producido por las vibraciones y además conservar la hermeticidad dentro de la tubería. Se emplearan uniones de la marca Arpol, las cuales dan la ventaja de una fácil instalación además de admitir movimientos axiales y absorción de vibraciones. Además de conservar la estanqueidad de acuerdo a la presión interna del conducto. Imagen 35. Unión Flexible

Fuente: Uniones para tuberías (Arpol, 2016) La unión seleccionada será la unión con revestimiento interno de 8 in serie AFZ. La cual contara con las siguientes características. Tabla 38. Dimensiones Unión AFZ

A B D E

Dimensiones 8,03 in 5,50 in 21,10 in 2,40

Fuente: Uniones para tuberías (Arpol, 2016)

111

Imagen 36. Unión Flexible

Fuente: Uniones para tuberías (Arpol, 2016) Este tipo de unión se utilizara a la entrada y a la salida del ventilador centrífugo.

4.8 CHIMENEA La altura de la chimenea debe estar sujeta a la resolución 1632 de 2012 emitida por el ministerio de medio ambiente. Donde se establece que la altura de la chimenea está dada en función de la influencia de las estructuras cercanas, es decir, que la chimenea debe superar 2.5 veces la estructura o edificación más cercana. Como es la empresa está ubicada a las afueras de Soacha, no existen edificaciones de altura cerca de ella. Por esta razón la estructura cercana es el filtro de bolsas que se instalara, por esta razón esta será la altura base.

𝐻𝑇 = 2,5 ∗ 𝐻𝑒 = 2,5 ∗ 8,6 𝑚 = 21,5 𝑚 Donde; HT = Altura de la chimenea He = Altura de la estructura de influencia El diámetro de la chimenea, será el mismo que se usara en todas las tuberías del sistema (20 in o 0.51 m) 4.8.1 Estructura y accesorios. La chimenea estará sujeta a una estructura de forma en forma de torre que tenga el área suficiente y escaleras para que un operario pueda ascender a ella, esto debido a que no se cuenta con el espacio suficiente para proyectar cables tensores y que el muro del que podría sujetarse, no tiene la suficiente altura (4 m) a comparación de la altura de la chimenea.

112

La chimenea estará sujeta a la estructura por medio de abrazaderas y soldaduras. Evitando así el movimiento y posibles pandeos de la estructura. El perfil a utilizar será el mismo que se seleccionó para la de tubos sección J-K, un perfil cuadrado de 120x120x5. Por otro lado, la chimenea contara con un elemento en la cima de esta (cachucha o tapa) que impedirá la entrada de agua, animales y otros elementos a los ductos, ya que después sería difícil de extraer estos elementos.

Imagen 37. Estructura chimenea

4.9 RECOLECCION DEL MATERIAL FILTRADO Para recolectar el material filtrado, es decir, depurar la cámara de sedimentación, los ciclones y el filtro de bolsas se debe emplear un mecanismo que conserve la hermeticidad de los componentes, pero a su vez sea de fácil manejo y fácil extracción. Para esto se utilizara válvulas rotatorias la cuales se seleccionaran con ayuda de la página de Donaldson Company Inc. La cual con solo ingresar algunos valores, mostrará la válvula rotatoria recomendable para esta aplicación.

113

Imagen 38. Selección de válvula en Donaldson

Fuente: Rotary valve sizing tool (Donaldson, 2016) Teniendo en cuenta esto se seleccionara la válvula AN tamaño 10, que tendrá las siguientes características. Tabla 39. Características Válvula AN tamaño 10

Tamaño Nro.

Agujeros Válvula (rpm)

Capacidad Válvula (ft³/rev)

Soporte motor (hp)

Peso (lb)

10 12 22 1,3 ½ - 1 290

Fuente: Rotary valve sizing tool (Donaldson, 2016) Las válvulas rotatorias tipo AN de Donaldson Torit, son soluciones económicas, que permiten el paso de partículas, además de manejar un sellado preciso. A continuación un esquema de cómo funciona esta válvula.

114

Imagen 39. Selección de válvula en Donaldson

Fuente: Rotary valve sizing tool (Donaldson, 2016) Esta válvula está compuesta por un motor que transmite una velocidad baja al rodete que cuenta con aditamentos plásticos en la punta de las aspas, estos cumplen con la función de sellar el paso de las partículas conforme al movimiento de las aspas, como la fricción entre las aspas, la cara interna de la carcasa y el material producen abrasión, los aditamentos plásticos serán los primeros en desgastarse evitando así dañar la carcasa de la válvula e incurrir en gastos mayores.

115

5. SIMULACIÓN DE ELEMENTOS CRÍTICOS Como parte del proyecto se deben simular las condiciones a las que estarán expuestas las estructuras críticas presentes en el diseño. Para este caso, se simularán las estructuras de las secciones B-C, J-K, la estructura del ciclón de alta y la estructura del filtro de mangas. Los procesos de simulación se llevaron a cabo en el software Autodesk de Inventor.

5.1 ESTRUCTURA B-C Aunque para esta estructura, según los cálculos teóricos, se había seleccionado un perfil de 50x50x2, en el momento de la simulación, se demostró que este perfil no era suficiente para las cargas a las que era sometido, ya que el esfuerzo máximo al que se sometía era de 374 MPa, sobrepasando el límite de fluencia del material acero estructural A36 de 250 MPa. Después de esto sabiendo que el perfil debía ser más grande, se decidió utilizar un perfil de 80x80x2, el cual se seleccionó luego de utilizar una metodología diferente para seleccionar este nuevo perfil. La fuerza distribuida a la que se somete el vértice del perfil cuadrado, es de 766,74 N/m, siendo igual a una carga puntual de 2.376,9 N, con restricciones fijas en cada uno de los apoyos. Imagen 40. Esfuerzos de Von Mises, estructura B-C

116

Siendo el esfuerzo máximo ubicado en las uniones de los perfiles que unen los dos arcos en la mitad. Imagen 41. Detalle del esfuerzo

La estructura sometida a un esfuerzo máximo de 78,61 MPa, contará con un factor de seguridad, en función del límite de fluencia del acero A36.

𝐹𝑆 =𝜎𝑦

𝜎𝑀𝑎𝑥=

250 𝑀𝑃𝑎

78,61 𝑀𝑃𝑎= 3,18

Demostrando así que el perfil es idóneo para soportar la carga ya que admite el esfuerzo provocado por esta hasta 3 veces. Además el desplazamiento máximo de la estructura es de 2 mm, lo cual es prácticamente despreciable.

117

Imagen 42. Desplazamiento, estructura B-C

5.2 ESTRUCTURA J-K Al igual en el caso de la estructura B-C, las fuerzas estarán ubicadas en el vértice del ángulo, esto debido a que el tubo estará posicionado en una especie de cunas y la fuerza no actuará directamente sobre la cara del perfil cuadrado. La estructura estará fija en cada uno de los 4 apoyos. Se debe recordar que en este caso, se seleccionó un perfil 120x120x5 de acero estructural A36, la carga distribuida será igual a 766,74 N/m para una puntual de 1.380,2 N.

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Imagen 43. Esfuerzos de Von Mises, estructura J-K

Como se evidencia, el esfuerzo máximo al que se somete la estructura es de 17,84 MPa, ubicándose en las uniones como se muestra en la siguiente imagen; Imagen 44. Detalle del esfuerzo

Además el desplazamiento máximo de la estructura es de 0,794 mm, lo cual es prácticamente despreciable.

119

Imagen 45. Desplazamiento, estructura J-K

Teniendo en cuenta el esfuerzo máximo al que se somete la estructura, se procede a hallar el factor de seguridad de la estructura teniendo en cuenta el límite de fluencia del material.

𝐹𝑆 =𝜎𝑦

𝜎𝑀𝑎𝑥=

250 𝑀𝑃𝑎

17,84 𝑀𝑃𝑎= 14,01

Donde; FS = Factor de seguridad 𝜎𝑦 = Límite de fluencia

𝜎𝑀𝑎𝑥 = Esfuerzo Máximo de la simulación Como conclusión el factor de seguridad confirma que el perfil elegido es idóneo para soportar la carga.

5.3 ESTRUCTURA CICLON DE ALTA EFICIENCIA Para el caso de la estructura del ciclón, las fuerzas puntuales de 4.900N, estarán ubicadas en la mitad de los lados más largos de la estructura.

120

Se debe recordar que en este caso, se seleccionó un perfil 80x80x2 de acero estructural A36. Imagen 46. Esfuerzos de Von Mises, estructura del ciclón

Donde al igual que en la estructura anterior el esfuerzo máximo de 28,81 MPa está ubicado en las uniones de las estructuras. El desplazamiento máximo al que se somete la estructura se ubica en los arrostramientos que nacen a las placas de amarre, donde el desplazamiento máximo es de 0,90 mm.

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Imagen 47. Desplazamiento, estructura ciclón


𝐹𝑆 =𝜎𝑦

𝜎𝑀𝑎𝑥=

250 𝑀𝑃𝑎

18,81 𝑀𝑃𝑎= 8,67

Demostrando así que el perfil es idóneo para soportar la carga ya que admite el esfuerzo provocado por esta hasta 8 veces.

5.4 ESTRUCTURA FILTRO DE MANGAS

En el caso de la estructura del filtro, esta estará sometida a una carga distribuida en todos sus lados del valor de 2.469,6 N/m, la cual transformada en una carga puntual es de 10.224,14 N en las secciones de 4,14 m y de 5.433,12 en las secciones de 2,2 m. Se debe recordar que en este caso, se seleccionó un perfil 80x80x5 de acero estructural A36. De acuerdo a la simulación de la imagen 45, se puede constatar que la estructura en general cumple, y que los esfuerzos se concentran en las bases de las columnas de los extremos y en la parte delantera de la estructura donde no cuenta con láminas de sujeción. Alcanzando valores de esfuerzo aproximados de 5 MPa.

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Imagen 48. Esfuerzos de Von Mises, estructura del filtro

El esfuerzo máximo al que se somete la estructura es de 21,67 MPa es al lado de la unión de la columna delantera como se puede ver a continuación. Imagen 49. Detalle del esfuerzo máximo

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Por otro lado, el análisis muestra que el desplazamiento de la estructura es prácticamente nulo, alcanzando su máximo de desplazamiento con 0,38 mm. Imagen 50. Desplazamiento, estructura ciclón


𝐹𝑆 =𝜎𝑦

𝜎𝑀𝑎𝑥=

250 𝑀𝑃𝑎

21,67 𝑀𝑃𝑎= 11,5

Demostrando así que el perfil es idóneo para soportar la carga ya que admite el esfuerzo provocado por esta hasta 11 veces.

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6. MANUALES

Las siguientes recomendaciones deben servir de guía a los operadores de los equipos que componen el sistema de filtración del humo procedente de la fundición de plomo secundario. Los manuales deben reunir los siguientes requisitos básicos: Ser claro

Ser precisos Ser ordenados

6.1 MANUAL DE OPERACIÓN 6.1.1 Introducción. En el siguiente manual de operaciones para el sistema de evacuación y limpieza en el proceso de fundición, se encontraran los procedimientos a realizar para el funcionamiento de los equipos que constituyen el sistema y así garantizar una filtración eficiente de los gases que deben ser expulsados al medio ambiente, cumpliendo así la obligación legal y ética que esta actividad conlleva. De forma detallada encontrará los procedimientos a realizar, antes, durante y después del proceso de fundición donde se requiera el uso del sistema y la metodología de trabajo. Además del orden jerárquico en la operación y directos responsables. Este manual deberá ser leído por todos los empleados que estén involucrados en el proceso directo de fundición (operador del horno, supervisor, auxiliares y departamento de recursos humanos) evitando así la injerencia en malos hábitos de operación y esclarecer faltas y culpabilidad en caso de algún incidente. Finalizando, el manual deberá ser revisado anualmente con el fin de actualizarlo de acuerdo a las experiencias que surgen sobre la marcha, además de actualizarse inmediatamente, cuando se agregue algún otro componente. El encargado de esta labor será directamente el supervisor e ingeniero de planta, con un respectivo consenso y puntos de vista de los operarios directamente involucrados en su uso. 6.1.2 Objetivo del manual. Garantizar el funcionamiento y operación del sistema de evacuación y limpieza de los humos producto de la fundición de plomo. Asignando tareas, delimitándolas y responsabilidades en cada una de ellas. 6.1.3 Procedimientos. A continuación encontrara de manera ordenada en cuadros las operaciones a realizar para la operación del sistema.

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Cuadro 8. Procedimiento Nro. 1

Nombre del Procedimiento:

Puesta en marcha del sistema

Objetivo del Procedimiento:

Iniciar el proceso de evacuación y limpieza del humo

Descripción: En esta operación se deberán revisar los elementos del sistema y su posterior encendido. Realizar una inspección visual de los componentes y recorrido de la tubería, tal como se describe en el manual de mantenimiento (1) Encender y activar las válvulas de aire, que limpian las mangas de los filtros, para así despegar el material articulado restante de la operación anterior (2) Activar las válvulas de rotatorias de los componentes (cámara de sedimentación, ciclones y filtro) evacuando así cualquier resto de material que pudo haber quedado de la última operación (3) Revisar condiciones normales del sistema neumático (presión, caudal y niveles) (4) Proceder a encender el ventilador centrífugo para así iniciar el proceso de evacuación y limpieza. (5) Esta actividad debe estar supervisada directamente por el operador del horno.

Responsables: Operador del horno



Durante el uso del sistema


Evitar aglomeración de material recogido

Descripción: Durante el proceso de fundición, el cual se puede extender por varias horas, el material recolectado debe ser evacuado para evitar la acumulación y la reintegración al flujo del material particulado que ya se había extraído. Por esta razón se deben activar las válvulas rotatorias de los componentes en la mitad del turno o cada dos horas si el turno supera las 6 horas de continuidad. Esta labor debe ser realizada por los auxiliares presentes, ya que el director responsable (operador del horno) debe estar pendiente del horno.

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Responsables: Auxiliares



Apagado del sistema


Inspeccionar el sistema y verificar sus condiciones para la siguiente operación

Descripción: Después de finalizado el turbo de fundición, el sistema de evacuación debe estar encendido el tiempo suficiente para que la temperatura en el horno se reduzca a temperatura ambiente, debido a que este seguirá emitiendo humo después de apagado, que de igual forma requiere de ser procesado. Posteriormente: Se deben activar las válvulas rotatorias de los componentes (cámara de sedimentación, ciclones y filtro) (1) A continuación se apagara el filtro de bolsas (2) Por último se apagara el ventilador centrífugo (3)

Responsables: Supervisor, Operador del horno y Auxiliares



Secuencia de encendido del filtro


Encender de manera adecuada el filtro

Descripción: Iniciar la válvula rotatoria (1) Iniciar el temporizador de secuencia (2) Iniciar el ventilador (3) Iniciar el proceso de fundición (4)

Responsables: Operador del horno y Auxiliares

Fuente: Installation and operation Manual (Donaldson, 2008) Cuadro 12. Procedimiento Nro. 5


Secuencia de apagado del filtro


Apagar de manera adecuada el filtro

Descripción: Detener el proceso de fundición, dejar el filtro operar durante 15 minutos más (1) Detener el ventilador, dejar el temporizador trabajar 15 minutos más (2) Detener el temporizador y las fuentes de aire (3)

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Responsables: Operador del horno y Auxiliares

Fuente: Installation and operation Manual (Donaldson, 2008) Cuadro 13. Procedimiento Nro. 6


Operación del ventilador centrifugo


Hacer seguro el uso del ventilador tanto para el personal como para el equipo

Descripción: Verificar la posición del rodete y la correcta lubricación de los rodamientos (1) Desbloquear las partes móviles, y rotar el rodete con la mano para comprobar la libertad de giro (2) Revise los tornillos de sujeción y asegure las tapas (3) Encienda el ventilador y déjelo llegar a su velocidad nominal, apáguelo y revise la rotación, vibración excesiva o algo inusual (4) Encienda el ventilador. Recuerde revisar como mínimo cada hora los rodamientos (5) Después de terminado el turno, si supera las 8 horas, verifique que los rodamientos estén bien torqueados y lubricados para el próximo encendido (6)

Responsables: Supervisor y Auxiliares

Fuente: Industrial centrifugal fans manual (Chicago Blower, 2015) Cuadro 14. Procedimiento Nro. 7


Encendido del compresor


Encender de forma correcta el compresor

Descripción: Asegúrese de que nadie está trabajando en el equipo (1) Encienda el interruptor de auto-desconexión (2) Se encenderá un led verde, que indica que el equipo esta energizado (3) Oprima la tecla de encendido “I” (4) El motor del compresor se encenderá, inmediatamente después de que el nivel de presión en la red este por debajo del nivel programado.


Fuente: Manual de servicio, compresor de tornillo (Kaeser, 2016)

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Secuencia de apagado del filtro


Apagar de manera adecuada el filtro

Descripción: Oprimir el botón de apagado “O” (1) El led verde se apagara (2) Apague y asile el interruptor principal (3)


Fuente: Manual de servicio, compresor de tornillo (Kaeser, 2016) Cuadro 16. Procedimiento Nro. 9


Apagado de emergencia del compresor


Detener de forma inmediata el compresor

Descripción: Oprima y gire el botón de “PARO DE EMERGENCIA” (1) Este quedara bloqueado (2) Imagen 51. Botón de emergencia

Fuente: Manual de servicio(Kaeser, 2016)



6.2 MANUAL DE INSTALACION 6.2.1 Introducción. El siguiente manual tiene como fin dar a conocer al personal encargado de estructurar y poner en marcha el sistema de evacuación y limpieza, las acciones y prácticas que se deben llevar a cabo con rigurosidad, necesarias para una correcta instalación y correcta puesta en marcha de los equipos y el conjunto en general.

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La correcta instalación de los componentes garantiza mejores resultados y mayor eficiencia a lo largo de la vida activa del sistema de evacuación y limpieza para la fundición de plomo secundario. 6.2.2 Alineación de la tuberia¹. No se deben deformar la tubería con el fin de alinearla con un conjunto a ensamblar. Antes de atornillar las bridas, las superficies de las tuberías a unir deben estar separadas en un rango no mayor a 200mm. Se deben atornillar de tal forma que las bridas se apoyen uniformemente en la junta. Los orificios deben tener menos de 3 mm de desviación. La longitud de rosca en los pernos de las uniones, deben atravesar y enroscarse por completo las tuercas, se considerará aceptable, siempre y cuando no falte más de un filete. Al momento de ensamblar una junta bridada, solo se usara una empaquetadura entre las caras de contacto. 6.2.3 Soldaduras². La aplicación de la soldadura a las uniones debe hacerse a conformidad con un procedimiento calificado y por soldadores calificados de igual forma. Se le deberá tener identificación clara de cada soldador, y se marcara con el símbolo de identificación del soldador y se llevara registro de ellas. Los puntos de armado deben ser del mismo material de aporte que al del pase de raíz, además estos deben quedar fundidos con el pase de la raíz, a excepción de que estos estén agrietados. Al tener un espesor menor a 19 mm no se realizara tratamiento térmico a la soldadura. Se aplicara una soldadura de filete para complementar la resistencia y evitar desmontaje de las uniones, las dimensiones de esta se harán teniendo en cuenta la Imagen 52. En el caso de soldadura en bridas, estas solo se aplicaran en el cubo de la brida.

¹ Código ASME para tuberías a presión, B31.3 (2010). New York, Estados Unidos: ASME, p. 36 ² Ibíd. p. 63-64

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Imagen 52. Tamaños de soldadura

Fuente: Código ASME para tuberías a presión B31.3 (ASME, 2010) 6.2.4 Instalación de la cámara de sedimentación y ciclones. Al no tener conexiones neumáticas ni eléctricas, lo primero es que se debe posicionar y fijar las estructuras donde va a ir situados estos elementos. Después con una monta carga se ubican en su posición y se ajustan a la estructura. Cuando la cámara y los ciclones estén totalmente fijos, soldé los acoples y tuberías que entran y salen de estos. 6.2.5 Instalación filtro de bolsas¹. El filtro es enviado completo, por lo que solo es necesario levantarlo y ponerlo en su sitio. Antes la estructura de soporte debe estar instalada y fijada, para colocar en ella el filtro desconectado. Conectar todos los ductos con acoples entre las caras. Conectar la línea de aire comprimido, asegurándose que está seco, limpio y regulado. La presión máxima será de 100 psi. Con una grúa o montacargas, posicione la tolva por encima de la superficie de la estructura. Y asegure la estructura. Luego descienda lentamente, y asegure el filtro a la estructura. Realice todas las conexiones. Para la instalación de las mangas, levante la tubería a la posición, donde los tubos Venturi que regulan el paso del aire, queden hacia abajo. Mientras tanto, introduzca la jaula de metal dentro de las mangas y por ultimo instale las mangas y las jaulas en los tubos Venturi utilizando unas tenazas para sostenerlo. 6.2.6 Instalación del compresor². Para instalar el compresor y sus componentes, inicialmente se debe garantizar que el piso este nivelado y estable.

¹ Installation and operation Manual, Pulse Jet Filters (2008). Minneapolis, Estados Unidos: Donaldson Company Inc. p. 5-6-7-8. ² Instrucciones de servicio, compresor de tornillo. Coburg, Alemania: Kaeser Kompressoren. p. 6-35

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Deje suficiente espacio para acceder a todas las piezas del equipo. Si el equipo está a la intemperie se debe garantizar el cuidado de este, protegiéndolo del polvo, el roció la lluvia y los rayos del sol. Garantizar en el cuarto de compresores una buena ventilación, ya que se pueden formar vacíos. Procure guardar la suficiente distancia entre la pared y el compresor. Se debe revisar la instalación cuidadosamente, ya que pudo recibir golpes o sufrir daños durante el transporte. Retire todos los embalajes y seguros de transporte. Se debe estar pendiente del compresor durante las primeras horas de funcionamiento ya que es normal la presencia de fallas técnicas. Controle los niveles de aceite en el separador, el nivel de aceite del motor, niveles de refrigerante. 6.2.7 Instalación del ventilado centrifugo¹. Para obtener mejores resultados, se requiere de una base sólida preferiblemente en concreto para su instalación. Localice donde debe apoyar el ventilador en la base, las piezas del ventilador no deben estar sometidas a estrés o torsión. El ventilador nunca debe estar soportando el peso de la tubería. Los codos deben estar separados del ventilador, según el manual de ventilación industrial² (6 diámetros de tubería en la entrada y 3 diámetros de tubería en la salida) y debe contar con conexiones flexibles en la entrada y descarga. Es recomendable utilizar empaques en las caras de entrada y salida del ventilador para disminuir la fricción. Usar soportes anti vibratorios en los apoyos de la estructura o base del ventilador, estos permitirán absorber vibraciones producidas durante el funcionamiento. Chicago Blower sugiere además utilizar los siguientes valores de torsión dependiendo del tornillo a usar.

¹ Industrial Centrifugal fans manual (2015). Illinois, Estados Unidos: Chicago Blower. p. 2-3. ² GOBERNA R. Ventilación Industrial (1992). Valencia, España: Conselleria de Treball i Afers Socials, p. 8-2.

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Tabla 40. Valores de torque

Fuente: Industrial centrifugal

fans manual (Chicago Blower, 2015) Los rodamientos vienen pre-lubricados, pero asegúrese de que tienen la cantidad suficiente de grasa. Asegúrese también de que los rodamientos están en su posición y apretados. Estos rodamientos deben ser apretados nuevamente después de 24 horas de su primer encendido. Se debe chequear la alineación de las poleas usando algún instrumento, para asegurar una correcta tensión y prolongar la vida de los rodamientos. Como es un motor de más de 20 HP, es normal escuchar un chillido al encenderlo inicialmente. No debe sobre tensionarse las correas. Después de unos días de operación es necesario ajustar las correas de nuevo.

6.3 MANUAL DE MANTENIMIENTO 6.3.1 Introducción. El manual de mantenimiento es un conjunto de acciones que se deben realizar para determinar y evaluar el estado real de los equipos, logrando así preservar y reestablecer el estado ideal del sistema y sus componente. El manual de mantenimiento tiene en cuenta las siguientes medidas: Inspección: Medidas para determinar y evaluar el estado real

Mantenimiento preventivo: Acciones para preservar el estado ideal

Mantenimiento correctivo: Acciones para reestablecer el estado ideal

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6.3.2 Tuberías de sistema y aire comprimido y ciclones¹. La inspección en estos elementos estará basada en el riesgo, donde se reconocen y evalúan las formas de degradación potenciales, esto es importante para estimar la probabilidad de falla en la tubería. Se realizará una inspección visual externa determinando así la condición externa de la tubería, el sistema de aislación, la pintura, revestimientos y soportes. Verificar si hay des-alineamiento, vibración o fugas. Verificar si existen formaciones de corrosión en las uniones con los soportes, de ser así, se deben levantar los apoyos para ser inspeccionados también. En estos en necesario revisar los apoyos horizontales, que no estén provocando corrosión exterior al tubo, y los apoyos verticales, que no se estén llenando de agua, provocando corrosión interna al igual que revisar sus apoyos de no tener grietas. Se deben buscar modificaciones que se hayan hecho sin informar, además de estar pendiente de componentes externos que puedan causar inconvenientes a largo plazo. Debido a que el producto a transportar por los conductos es altamente dañino al medio ambiente y a los trabajadores, el código de inspección API 570² recomienda que se haga máximo, cada 5 años, por lo que para el sistema se realizara cada 3 años. Debe estar fundamentada en todas las formas de degradación que pueden presentarse, tales como perdidas de metal externa o interna, corrosión localizada o general, cualquier tipo de agrietamiento, incluido por corrosión, esfuerzo o asistida por algún otro agente, degradación metalúrgica y degradación mecánica como la fatiga, termo-fluencia, etc. El código ASME para calderas y recipientes a presión³, estandariza, el tipo de ensayo a realizar, dependiendo de la degradación encontrada.

¹ Código de inspección para cañerías API 570 (2005). Washington DC, Estados Unidos: API. p. 15-

19-20. ² Ibíd. p. 28. ³ Código Para Caldera Y Recipientes A Presión. Examinación No Destructiva (2005). New York, Estados Unidos: ASME. p 5.

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Cuadro 17. Tipo de ensayo a realizar con base a imperfecciones

Tipo de ensayo

Imperfección IV LP PM CE R UT EA

Desgaste abrasivo

X X

Grietas X X X

Corrosión uniforme

X

Erosión X X

Grietas por fatiga

X X

Concentradores de esfuerzo

X

IV Inspección

visual LP

Líquidos penetrantes

PM Partículas

magnéticas R Radiografía

UT Ultrasonido EA Emisión acústica

CE Corrientes de

Eddy

Fuente: Código ASME para caldera y recipientes a presión (ASME, 2005) 6.3.2.1 Reparación de soldadura¹. Para reparar un defecto de la soldadura, se hará retirando la soldadura hasta llegar al material, esta sección puede diferir en contorno y dimensiones con la unión inicial, deben hacerse por personal calificado.

¹ Código ASME para tuberías a presión, B31.3 (2010). Óp. cit. p. 64.

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Imagen 53. Imperfecciones típicas en la soldadura

Fuente: Código ASME para tuberías a presión B31.3 (ASME, 2010) Las inspecciones pueden ser realizadas por el personal de mantenimiento o por personal calificado para dirigir las inspecciones externas cuando sea aceptable.

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6.3.3 Filtro de bolsas¹. Los filtros Donaldson requieren poco mantenimiento, las bolsas o mangas deben ser cambiadas periódicamente, dependiendo de la severidad de su aplicación. Además los solenoides deben ser reemplazados cada 2 años. Por último, los filtros se encuentran sometidos a estrés cíclico producido por los pulsos, por esta razón es recomendable, inspeccionar el housing del filtro cada año, además de las conexiones y la estructura de soporte en busca de óxido y fatigas. 6.3.4 Ventilador centrífugo². Con el fin de asegurar la longevidad del ventilador, se debe hacer inspección con frecuencia a los rodamientos y la lubricación del equipo. Limpie el polvo u otras materias en el rotor. Revise que los tornillos, rodamientos, cimientos y poleas no se encuentren flojos. Revise que las poleas estén alineadas correctamente y las correas con la tensión suficiente, el peso debe estar balanceado. El material ajeno al ventilador puede enredarse causando daños en el eje y en el rotor. Revise los soportes del ventilador, que este correctamente sujeto a los cimientos y sin grietas. En caso de sentir vibraciones, apague el ventilador y esté atento si la vibración continua, ya que puede ser causado por un agente externo al ventilador. En caso de que provenga del ventilador, desconecte las poleas y mueva el ventilador por su cuenta, para determinar la causa de la vibración. Cada mes los rodamientos, los tornillos, cimientos, etc. Deben ser revisados y reajustados si es necesario. También es recomendable que máximo cada mes, se programe una jornada de lubricación para todas las partes móviles del ventilador. Los daños potenciales, generalmente comienzan con vibraciones leves y sonidos extraños, por esto es necesario y suficiente con realizar una inspección audio visual para prevenir daños mayores. En caso de persistir vibraciones de mayor frecuencia, un experto debe realizar los análisis de vibraciones con el equipo adecuado.

¹ Installation and operation Manual, Pulse Jet Filters (2008). Óp. cit. p. 9-10.

² Industrial Centrifugal fans manual (2015). Óp. cit. p. 4.

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Como el ventilador va a mover masas de aire contaminado, es necesario que regularmente se inspeccione y se haga un balanceo dinámico y estático, además de limpiar el ventilador y reacondicionar partes interiores. Si el ventilador va a estar parado por un tiempo prolonga, engrase a tope los rodamientos y cubra el motor y otras partes expuestas del ventilador. La operación no debe exceder los valores de temperatura y RPM seguros, ya que estos causaran estrés y fatiga en las aspas del rotor. 6.3.4.1 Motor¹. Para el mantenimiento del motor, la inspección se debe basar en examinar el exterior en busca de daños especialmente en las conexiones, ventiladores y cubiertas. Ajuste los tornillos y accesorios que puedan aflojar durante la operación. La falta de mantenimiento puede causar daños al personal y fallas en el equipo, se debe concentrar en mantener la regularidad en la lubricación de los rodamientos, la resistencia del sistema de aislamiento y la limpieza del motor. Siempre desconecte el equipo antes del mantenimiento. Mantenga una alineación adecuada, además de la tensión en la banda, fundamental contar con una buena lubricación en todo momento. Engrase los rodamientos cada seis meses de operación normales. Para esto recuerde limpiar las piezas y remover la grasa endurecida. Revise el aislamiento periódicamente, cada 5.000 horas de operación, recuerde utilizar el equipo adecuado, como un medidor Megger. El exterior del motor debe encontrarse siempre libre de aceite, polvo, agua y agentes químicos, mantener la entrada de aire libre. Y recuerde drenar la humedad condensada regularmente. 6.3.4.2 Poleas². Revise las paredes de las acanaladuras en busca de grietas o que la superficie se encuentre grasosa. Ocasionalmente es recomendable utiliza runa galga, para evaluar las dimensiones de las canales. Una polea en mal estado puede reducir la vida útil de la correa un 50%.

¹ Instructions horizontal and vertical induction motors. México D.F, México: Siemens. p. 20 ² Poleas en “V”. Bogotá, Colombia: Intermec. p. 14-15-16

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Imagen 54. Estado de la canal

Fuente: Poleas en “V” (Intermec) Verifique que la alineación de los ejes sea correcta, bien centrados y paralelos, utilice una regla o dispositivos más sofisticados para asegurar una alineación. Imagen 55. Tipos de desalineación

Fuente: Poleas en “V” (Intermec) Utilice un cepillo de cerdas duras, para retirar suciedad y elementos que puedan afectar la correa. Asegúrese de no rayar las poleas con el cepillo. Las canales deben quedar libres de aceite, grasa u oxido.

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6.3.4.3 Correas¹. Al momento de cambiar las correas, asegúrese de que sean las mismas poleas originales, tamaño y perfil. Nunca mezcle correas nuevas con usadas. Para instalar la correa, reduzca la distancia entre centros de los ejes, nunca utilice algún elemento para hacer palanca, ya que podría dañar la superficie interna de la correa. 6.3.5 Compresor². Para realizar el trabajo de mantenimiento en el compresor, se debe tener en cuenta limpiar el aceite, combustible o refrigerantes del compresor en piezas de unión y tornillos. Deben eliminarse todas las sustancias que se usaron durante el último funcionamiento de la unidad. Kaeser ofrece un cuadro de trabajos regulares como orientación, estos pueden ser alterados de acuerdo a las condiciones de entorno y servicio. Cuadro 18. Mantenimientos regulares


¹ Ibíd. p. 19.

² Instrucciones de servicio, compresor de tornillo. Coburg, Alemania: Kaeser Kompressoren. p. 9-38

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Además el compresor posee un reconocimiento de fallas indicado por un led, ubicado en la pantalla de control, dependiendo del color del led, se determina de la gravedad del evento. En el anexo T, puede conocer el código del mensaje, la posible causa y la posible solución. Cuadro 19. Tipos de fallas

Fuente: Manual de servicio, compresor de tornillo (Kaeser, 2016) 6.3.5.1 Tanque. Para el depósito de aire comprimido, debe revisarse su estructura que lo sostiene en busca de grietas. Además de revisar su estado superficial en busca de corrosión, estado de la pintura, fugas y medidores. Ocasionalmente se debe purgar el tanque, abriendo la llave para dejar salir el líquido que se pudo llegar a condensar dentro de él.

6.4 MANUAL DE SEGURIDAD Y SALUD EN EL TRABAJO

6.4.1 Efectos del plomo en la salud¹. El Plomo es un metal blando que ha sido conocido a través de los años por muchas aplicaciones. Este ha sido usado ampliamente desde el 5000 antes de Cristo para aplicaciones en productos metálicos, cables y tuberías, pero también en pinturas y pesticidas. El plomo es uno de los cuatro metales que tienen un mayor efecto dañino sobre la salud humana. Este puede entrar en el cuerpo humano a través de la comida (65%), agua (20%) y aire (15%). Las comidas como fruta, vegetales, carnes, granos, mariscos, refrescos y vino pueden contener cantidades significantes de Plomo. El humo de los cigarros también contiene pequeñas cantidades de plomo. El Plomo puede entrar en el agua potable a través de la corrosión de las tuberías. Esto es más común que ocurra cuando el agua es ligeramente ácida. Este es el

¹ CENTRO PARA EL CONTROL Y PREVENCION DE ENFERMEDADES (2016). Plomo. Recuperado de http://www.cdc.gov

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porqué de los sistemas de tratamiento de aguas públicas son ahora requeridos llevar a cabo un ajuste de pH en agua que sirve para el uso del agua potable. Que se sepa, el Plomo no cumple ninguna función esencial en el cuerpo humano, este puede principalmente hacer daño después de ser tomado en la comida, aire o agua. El Plomo puede causar varios efectos no deseados, como son: Perturbación de la biosíntesis de hemoglobina y anemia

Incremento de la presión sanguínea

Daño a los riñones

Abortos y abortos sutiles

Perturbación del sistema nervioso

Daño al cerebro

Disminución de la fertilidad del hombre a través del daño en el esperma

Disminución de las habilidades de aprendizaje de los niños

Perturbación en el comportamiento de los niños

Daños en el feto, afectaciones en el cerebro y sistema nervioso al nacer

6.4.2 Efectos del plomo en el ambiente¹. El Plomo se encuentra de forma natural en el ambiente, pero las mayores concentraciones que son encontradas en el ambiente son el resultado de las actividades humanas. Debido a la aplicación del plomo en gasolinas un ciclo no natural del Plomo tiene lugar. En los motores de los coches el Plomo es quemado, eso genera sales de Plomo (cloruros, bromuros, óxidos) se originarán. Estas sales de Plomo entran en el ambiente a través de los tubos de escape de los coches. Las partículas grandes precipitarán en el suelo o la superficie de aguas, las pequeñas partículas viajarán largas distancias a través del aire y permanecerán en la atmósfera.

¹ ORGANIZACIÓN DE LAS NACIONES UNIDAS (2012). Para la educación, ciencia y cultura.

Recuperado de http://www. revistanova.org

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Parte de este Plomo caerá de nuevo sobre la tierra cuando llueva. Este ciclo del Plomo causado por la producción humana está mucho más extendido que el ciclo natural del plomo. Este ha causad contaminación por Plomo haciéndolo en un tema mundial no sólo la gasolina con Plomo causa concentración de Plomo en el ambiental. Otras actividades humanas, como la combustión del petróleo, procesos industriales, combustión de residuos sólidos, también contribuyen. El Plomo puede terminar en el agua y suelos a través de la corrosión de las tuberías de Plomo en los sistemas de transportes y a través de la corrosión de pinturas que contienen Plomo. No puede ser roto, pero puede convertirse en otros compuestos. El Plomo se acumula en los cuerpos de los organismos acuáticos y organismos del suelo. Estos experimentarán efectos en su salud por envenenamiento por Plomo. Los efectos sobre la salud de los crustáceos pueden tener lugar incluso cuando sólo hay pequeñas concentraciones de Plomo presente. Las funciones en el fitoplancton pueden ser perturbados cuando interfiere con el Plomo. El fitoplancton es una fuente importante de producción de oxígeno en mares y muchos grandes animales marinos lo comen. Este es por qué ahora se pregunta si la contaminación por Plomo puede influir en los balances globales. Las funciones del suelo son perturbadas por la intervención del Plomo, especialmente cerca de las autopistas y tierras de cultivos, donde concentraciones extremas pueden estar presente. Los organismos del suelo también sufren envenenamiento por Plomo. El Plomo es un elemento químico particularmente peligroso, y se puede acumular en organismos individuales, pero también entrar en las cadenas alimenticias. El plomo es un veneno muy potente. Cuando una persona ingiere un objeto de plomo o inhala polvo de plomo, parte del veneno puede permanecer en el cuerpo y causar serios problemas de salud de este elemento. 6.4.3 Evaluación y control¹. En aquellos puestos de trabajo en los que exista riesgo de exposición la empresa están obligada, por sí misma o por medio de servicios especializados, a realizar la evaluación de las concentraciones ambientales de plomo. Las muestras serán necesariamente de tipo personal disponiéndose los elementos de captación sobre el trabajador y serán efectuadas de manera que permitan la evaluación de la exposición máxima probable del trabajador o trabajadores, teniendo en cuenta el trabajo efectuado, las condiciones de trabajo y la duración de la exposición. La duración del muestreo deberá abarcar el 80% de la jornada laboral diaria como mínimo.

¹ INSHT (2016). NTP-165 Plomo, normas para su evaluación y control. Recuperado de http://www.cdc.gov

143

Cuando existan grupos de trabajadores que realicen idénticas tareas que supongan un grado de exposición análogo, las muestras personales podrán reducirse a un número de puestos de trabajo suficientemente representativo de los citados grupos, efectuándose al menos un muestreo personal por cada diez trabajadores y turno de trabajo. Los métodos de muestreo y análisis empleados en la valoración del riesgo de exposición al plomo tendrán una fiabilidad no inferior a ±20%, con un nivel de confianza del 95% para concentraciones ambientales superiores a 30 microgramos de plomo por metro cúbico de aire. 6.4.3.1 Evaluación inicial¹. Las empresas de nueva creación dispondrán de un periodo de seis meses desde su puesta en funcionamiento para realizar la evaluación inicial. Las empresas en funcionamiento dispondrán del mismo periodo, pero desde la entrada en vigor del reglamento. Si esta evaluación pusiera de manifiesto la existencia de algún trabajador con exposición igual o superior al nivel de acción, pero inferior al valor límite ambiental, se efectuará el control periódico tal como se indica en el apartado siguiente. Si la concentración ambiental de plomo es inferior al nivel de acción (75 µg/m3) no será preceptivo el control periódico ambiental siempre que no se alteren las condiciones de trabajo. 6.4.3.2 Control periódico ambiental. La periodicidad será semestral cuando, sin que se alteren las condiciones de trabajo y durante dos controles consecutivos, los resultados indiquen: Concentración ambiental de plomo menor a 100 microgramos por metro cúbico de aire (< 100 µg/m3) (1)

Una cifra de plumbemia que no supere en ningún trabajador los 60 microgramos de plomo por 100 ml de sangre (60 µg/100 ml) (2)

La periodicidad será trimestral en el resto de los casos, siempre que no se alteren las condiciones de trabajo. (3) 6.4.3.3 Superación del valor límite ambiental. Si en la evaluación de la exposición se detectara que se supera el valor límite de la concentración ambiental de plomo (150 µg/m3) se identificarán las causas y se tomarán las medidas para su corrección.

¹ Ibid. Recuperado de http://www.cdc.gov

144

Asimismo el médico o autoridad responsable de la vigilancia médica de los trabajadores establecerá si se procede a una inmediata determinación de los parámetros bioquímicos a los trabajadores implicados. En el caso de que por su naturaleza o importancia no se pueda efectuar la corrección en el plazo de un mes y persista la circunstancia de que se supere el valor límite ambiental, deberá cesar el trabajo en la zona afectada a menos que se tomen las medidas de protección de los trabajadores implicados y teniendo en cuenta el parecer del médico o autoridad responsable de su vigilancia médica. En tanto no se establezcan las medidas correctoras adecuadas, los trabajadores utilizarán equipos de protección personal respiratoria. 6.4.4 Marco legal en el uso de EPP. En Colombia los requerimientos para el uso y la implementación de Elementos de protección Personal en los lugares de trabajo, se encuentran contemplados en la Ley 9 de Enero 24 de 1979 (Titulo III SALUD OCUPACIONAL, Artículos 122 a 124) Ver Anexo V.

145

7. IMPACTO AMBIENTAL

En este capítulo se mostrarán los efectos ambientales que presentarán la fabricación y ensamble del sistema diseñado.

7.1 CRITERIOS Son las actividades que priorizan los impactos ambientales a partir de una calificación cuantitativa y cualitativa. 7.1.1 Probabilidad. Frecuencia con la que se genera el impacto. 10, cuando el impacto se genera una vez al día

5, cuando el impacto es generado una vez al mes

2, cuando el impacto es generado una vez al año

7.1.2 Incidencia. Relación entre el recurso afectado y el impacto ambiental. 10, cuando el impacto afecta directamente un recurso o un medio

5, cuando el impacto afecta indirectamente a un recurso o medio

2, cuando el impacto afecta de forma acumulativa un recurso

7.1.3 Reversibilidad. Es la probabilidad de que un recurso o medio afectado, vuelva a sus condiciones iniciales. 10, cuando el recurso no puede retomar su forma o condición inicial

5, cuando el recurso puede recuperarse

2, cuando el recurso puede recuperarse por sí mismo

7.1.4 Magnitud. Cubrimiento geográfico del impacto ambiental. 10, cuando el impacto tiene un radio de influencia mayor a 5 Km

5, cuando el impacto tiene un radio de influencia de entre 2 a 5 Km

2, cuando el impacto tiene un radio de influencia menor a 2 Km

146

7.1.5 Percepción. Tiempo durante el cual el impacto ambiental se manifiesta en el medio afectado. 10, cuando el impacto se percibe en menos de un año

5, cuando el impacto se percibe entre 1 y 5 años

2, cuando el impacto se percibe en más de 5 años

7.1.6 Duración. Periodo durante el cual el impacto ambiental existe en el recurso o medio afectado. 10, cuando el impacto afecta de forma permanente

5, cuando el impacto afecta de una forma temporal (entre 1 a 10 años)

2, cuando el impacto afecta en un tiempo inferior a 1 año

7.1.7 Grado de importancia. Sumatoria de los valores descritos anteriormente. Entre 81 y 243, tiene un grado de importancia alto

Entre 31 y 80, tiene un grado de importancia moderado

Entre 1 y 30, tiene un grado de importancia bajo

7.2 IDENTIFICACIÓN DE LOS IMPACTOS En el siguiente cuadro se ponderará cada una de las actividades que tienen importancia en los procesos de instalación y operación del sistema.

147

Cuadro 20. Identificación de impactos ambientales

SISTEMA DE EVACUACIÓN Y LIMPIEZA DE EMISIONES EN EL PROCESO DE FUNDICIÓN DE PLOMO SECUNDARIO

Lista de comprobación de impactos ambientales

Criterios de Impacto Ambiental

Gra

do d

e Im

port

ancia

Pro

ba

bili

dad

Incid

encia

Revers

ibili

dad

Magn

itu

d

Perc

epció

n

Dura

ció

n

Fase Actividad Descripción

Insta

lació

n Ubicación

Ubicación del sistema de evacuación

2 2 5 2 2 5 18

Soldadura Uniones en las estructuras

2 5 2 2 2 2 15

Ensamble Posicionamiento de los elementos del sistema

2 2 2 2 2 2 12

Opera

ció

n

Operación Uso debido del sistema

10 10 5 5 10 5 45

Puesta en marcha Implementación del sistema fabricado

2 10 5 5 2 5 29

Mantenimiento Labores de limpieza e inspección

5 10 5 5 5 5 35

Mediciones Evaluaciones periódicas de las evacuaciones

2 2 5 5 2 5 21

TOTAL 175

Según los criterios dados y el diligenciamiento de la matriz anterior, se concluye que el impacto ambiental del sistema es de un grado de importancia alto ya que su valor (175) se encuentra entre los valores determinados en el numeral 7.1.7, ya que puede traer severos daños ambientales a la fauna y la flora de los alrededores de la empresa.

7.3 MITIGACIÓN. Como se puede ver en el Cuadro 20, la mayor parte del puntaje en el grado de importancia, se presentan en la fase de operación. Sumando un total de 130. Esto resume en que es de vital importancia que como plan de mitigación de riesgos, se sigan al pie de la letra los manuales de instalación, operación. Ya que estos garantizaran el buen inicio de operación y una instalación garantice el buen funcionamiento del sistema y que esté cumpliendo con sus funciones.

148

Ya que el obviar algunos pasos de estos manuales, se puede incurrir en malos manejos de residuos y de instalación, que se podrían traducir en contaminación del ambiente y fuga de gases tóxicos. Por otro lado es importante realizar las inspecciones y labores de limpieza descritas en el manual de mantenimiento para todos los equipos, ya que el mal estado de estos puede reducir la eficiencia del sistema. Además se debe de realizar en términos de 6 meses a un año un estudio iso-cinético de los gases que se evacuan al medio ambiente, esto con el fin de constatar que el sistema de filtración está funcionando correctamente y esta cumpliendo con los porcentajes de eficiencia deseados y aprobados por el Ministerio de Medio Ambiente.

149

8. EVALUACIÓN FINANCIERA

El proyecto expuesto se enfoca en el diseño de un sistema de extracción y limpieza del humo producido en el proceso de fundición del plomo secundario. El proceso actualmente no garantiza una limpieza eficaz del humo que es evacuado al medio ambiente, exponiendo de esta manera a la empresa a incurrir en delitos ambientales que según la ley pueden acarrear sanciones monetarias, suspensión de actividades e incluso, la clausura de la empresa, aunque esto se expondrá en este mismo capítulo más adelante. Con el diseño que se realizó, se pretende garantizar una limpieza del humo hasta un 99,9% que exima a la empresa de provocar daños ambientales y además tendrá los siguientes beneficios; Reincorporación en el proceso de las partículas de plomo recuperado

Un sistema de extracción sofisticado y eficaz a comparación del actual

Bajo costo de mantenimiento y operación

En la evaluación financiera se tendrán en cuenta los costos asociados al diseño, los cuales son; Tabla 41. Costos de diseño

Costo Cantidad Unidad $ / Unidad (COP) Total (COP)

Ingeniería

Recurso Humano

1.145 HH $ 7.000 $ 8.015.000

Software 1.000 H $ 4.710 $ 3.958.400

Laptop 1 UN $ 2.000.000 $ 3.300.000

Fungibles

Libros/ Artículos

2 UN $ 105.000 $ 210.000

Papel 3 UN $ 14.400 $ 43.300

Cartuchos de Tinta

5 UN $ 52.000 $ 260.000

Otros Gastos $ 814.000

Total $ 16.600.700

También se deben conocer los costos asociados a la fabricación del sistema, lo cual incluye los materiales y equipos que se necesiten para este fin. Tal y como se describen en la siguiente tabla;

150

Tabla 42. Costos de materiales

Elemento Cantidad Unidad $ / Unidad (COP) Total (COP)

Tubo ASTM A53 - 20" 8 6 m $ 1.850.000 $ 14.800.000

Perfil Cuadrado ASTM A56 80x80x2

25 6 m $ 75.400 $ 1.885.000


5 6 m $ - $ -


27 6 m $ 98.100 $ 2.648.700

Perfil en "L" ASTM A56 L60x5

5 6 m $ 87.050 $ 957.550

Perfil Redondo ASTM A56 60x5

10 6 m $ 80.010 $ 800.100

Codo 90º A53 - 20" - R=1,5D

11 UN $ 600.000 $ 6.600.000

Acople en A53 8 UN $ 350.000 $ 2.800.000

Unión Arpol AFZ 8" 2 UN $ 159.350 $ 318.700

Lamina 3/8" ASTM A56

1 UN $ 1.250.000 $ 1.250.000

Válvula Rotatoria Donaldson AN 10"

5 UN $ 3.505.700 $ 17.528.500

Ciclón GGE de Alta Eficiencia

1 UN $ 12.748.000 $ 12.748.000

Ciclón GGE de Media Eficiencia

1 UN $ 9.561.000 $ 9.561.000

Cámara de Sedimentación

1 UN $ 5.500.000 $ 5.500.000

Colector de Polvo BagHouse Donaldson

162 MTBW 8 1 UN $ 796.750.000 $ 796.750.000

Ventilador Centrifugo Chicago Blower LS/WF

Size 19 1 UN $ 14.341.500 $ 14.341.500

Motor Siemens Trifásico Asincrónico

324T 1 UN $ 1.561.630 $ 1.561.630

Polea Intermec VQ-3V270

1 UN $ 361.900 $ 361.900

Polea Conducida 218,7 mm

1 UN $ 220.000 $ 220.000

Correas Intermec 3V-950

3 UN $ 133.000 $ 399.000

151

Tabla 42. (Continuación)

Elemento Cantidad Unidad $ / Unidad (COP) Total (COP)

Compresor Kaeser Modelo ASD 20 S T

1 UN $ - $ -

Tanque Kaeser 90 Litros/24 galones

1 UN $ - $ -

Tornillo HEX ASTM A-325 GALV. 1" X 4"

1 Caja $ 33.700 $ 33.700

Tornillo HEX ASTM A-325 GALV. 3/8" X 2"

2 Caja $ 28.100 $ 56.200

Tuerca HEX GALV. 3/8"-16

2 Caja $ 16.350 $ 32.700

Tornillo HEX ASTM A-325 GAL. 3/4" X 1 1/2"

2 Caja $ 31.200 $ 62.400

Tornillos M10 X 100 mm

4 Caja $ 30.900 $ 123.600

Arandela plana latón 7/16"

4 Caja $ 6.000 $ 24.000

Tornillos M20 X 100 mm

12 Caja $ 33.700 $ 404.400

Tuerca MR20 12 Caja $ 21.000 $ 252.000

Empaques de grafito flexible 1/16”

30 UN $ 40.000 $ 1.200.000

TOTAL $ 893.220.580

También se deben tener en cuenta los costos de instalación, que están compuestos por; Ensamble y montaje

Mano de obra

Soldadura

Instalación de red de aire comprimido y electricidad

Puesta en marcha

152

Tabla 43. Costos de instalación

Elemento Cantida

d Unidad

$ / Unidad (COP)

Total (COP)

Montaje y ensamble

Mano de obra

4 UN $ 963.649 $ 3.854.596

Taladrado de agujeros

200 UN $ 500 $ 100.000

Corte de material

12% del material comprado

$ 2.522.274 $ 2.522.274

Andamios 3 Semana $ 245.000 $ 735.000

Pintura 5 Día $ 120.000 $ 600.000

Monta carga 5 Día $ 400.000 $ 2.000.000

Soldadura

Soldador 3 Semana $ 375.000 $ 1.125.000

Electrodo E6013

WestArco de 1/8"

70 Kg $ 11.000 $ 770.000

Electricidad

Instalación red eléctrica

1 Trabajo $ 2.200.000 $ 2.200.000

Tablero Trifásico

con puerta de 12

Circuitos

1 UN $ 199.000 $ 199.000

Aire Comprimido

Instalación red aire

comprimido 1 Trabajo $ 5.000.000 $ 5.000.000

Puesta en Marcha

Incluido en la mano de obra $ - $ -

TOTAL $ 23.735.870

Sumando todos los ítems mencionados anteriormente, la inversión final, necesaria para la fabricación instalación y puesta en marcha del sistema será; Tabla 44. Inversión final

Costo de Diseño $ 16.600.700

Costo de Materiales $ 893.220.580

Costo de Instalación $ 23.735.870

TOTAL $ 933.557.150

153

8.1 COMPARACIÓN Como este tipo de diseños varía según componentes, longitud y espacio, no es posible realizar una comparación con lo existente en el mercado. Por otro lado, al ser este sistema un requerimiento para garantizar la continuidad de la empresa, se realizará una comparación entre la inversión necesaria para implementar el sistema y las posibles sanciones que podrían ser aplicadas a la empresa. Según la ley 1.333 de 2.009¹, establece una serie de procedimientos sancionatorios ambientales en los cuales se contempla la imposición de multas a todo aquel que cometa atropellos contra el medio ambiente, sin importar si es una persona natural o una empresa. Esta ley otorga la facultad al estado de imponer multas de hasta 3.500 SMMLV, suspensión de licencia ambiental y licencia mercantil o incluso la clausura de la empresa. Además dispone a poder determinar y cuantificar las medidas de compensación por perdida de la biodiversidad que no puedan ser corregidos o mitigados. Teniendo en cuenta lo expuesto; Cuadro 21. Cuadro comparativo

Inversión Multa Máxima Suspensión de la

licencia ambiental o mercantil

Clausura de la empresa

$ 933.557.120 $ 2.500.000.000

Cesación de acti-vidades por un periodo establecido por el ministerio ambiente, el cual puede ir desde un mes hasta 1 año.

Cierre definitivo de la empresa por no cumplir con la normativa ambien-tal vigente.

Teniendo en cuenta un precio por tonelada del plomo a $ 5.933.000 COP (cifra a octubre de 2.016) y contando con un horno que puede producir hasta 5 toneladas de plomo diarias. Las perdidas con una cesación parcial o definitiva de actividades por parte de la empresa, sería un serio descalabro a las finanzas y perder la participación en un mercado tan lucrativo y constante.

¹ CONGRESO DE LA REPUBLICA (2.009). Ley 1.333 de 2.009. Bogotá D.C, Colombia. El abedul, p. 1.

154

8.2 EVALUACIÓN FINANCIERA POR VPN La mejor forma de comparar lo expuesto en la sección anterior, es realizando una evaluación por medio de algún método financiero. En este caso, se evalúan los 4 posibles casos utilizando el método del Valor presente neto (VPN) y comparando con la tasa interna de retorno (TIR). Suponiendo una producción semanal de 5 toneladas de plomo, un precio de $5.933.000 COP¹ por tonelada de plomo, y una variación anual de 1% en su valor promedio. Grafica 4. Variación precio del plomo por tonelada

Fuente: Precios de mercado (Indexmundi.com, 2016) Además, suponiendo un flujo de efectivo neto del 7% sobre las ventas anuales, los parámetros para realizar la evaluación serán; Tabla 45. Parámetros de la evaluación financiera

Producción anual 240 toneladas de plomo

Ventas anuales $ 1.423.920.000

Flujo de efectivo neto 7%

Flujo de efectivo neto en pesos $ 99.674.400

Tasa de Interés Anual 10%

Teniendo en cuenta lo anterior la evaluación financiera para cada caso, estará referenciada en el siguiente cuadro.

¹ INDEX MUNDI. Plomo precio mensual – Peso colombiano por tonelada (en línea) <www.indexmundi.com>

155

8.3 PROCEDIMIENTOS. Se realizara el cálculo de Valor Presente Neto y Tasa Interna de Retorno para el primer año, los demás procedimientos se resumirán en el Cuadro 22. Grafico 5. Esquema de flujos financieros

8.3.1 Valor presente neto. La primera forma para realizar una evaluación financiera será el valor presente neto, el cual consiste en que la sumatoria de la inversión y futuros ingresos debe igual a cero.

𝑉𝑃𝑁 = ∑𝐹𝑗

(1 + 𝑡)𝑗− 𝐼𝑁𝑉

𝑛

𝑗=1

Donde; j = Numero de periodos Fj = Flujos netos por periodo t = Tasa de interés INV = Inversión Para una fácil comprensión se reducirá el numero de años reemplazados en la formula a continuación.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

$

214.7

24.3

28

$

151.3

72.1

78

$

160.4

54.5

09

$

170.0

81.7

80

$

180.2

86.6

86

$

191.1

03.8

88

$

202.5

70.1

21

$

933.5

57.1

50

$

99.6

74.4

00

$

100.6

71.1

44

$

106.7

11.4

13

$

113.1

14.0

97

$

119.9

00.9

43

$

127.0

95.0

00

$

134.7

20.7

00

$

142.8

03.9

42

156

Se reemplazara en la formula los datos dados en el Grafico;

𝑉𝑃𝑁 = −$933.557.150 +$99.674.4001

(1 + 0,1)1+

$100.671.1442

(1 + 0,1)2

+$106.711.4133

(1 + 0,1)3+ ⋯ +

$214.724.32815

(1 + 0,1)15= $82.849.118

El saldo positivo del resultado de la VPN, significa que al realizar la inversión al cabo de 15 años se recuperara el dinero y aun así será rentable para la empresa. 8.3.2 Tasa interna de retorno. Este valor es la tasa de interés necesaria para que el cálculo del VPN sea igual a cero. Esta tasa tiene efecto en la evaluación del proyecto si se compara con la tasa de descuento, que en este caso es del 10% anual. Si la TIR es mayor a la tasa de descuento, quiere decir que se estima un rendimiento mayor al mínimo requerido.

𝑉𝑃𝑁 = −𝐼𝑁𝑉 +𝐹1

(1 + 𝑡)1+. . . +

𝐹𝑛

(1 + 𝑡)𝑛= 0

El método más sencillo para el cálculo de esta tasa es el de ensayo y error, el cual consiste en cambiar la tasa de interés en la fórmula de VPN hasta que el resultado sea 0. Por lo largo y tedioso del cálculo en esta situación, se procedió a realizar el cálculo en el software Microsoft Excel.

157

Cuadro 22. Evaluación financiera por VPN y TIR

AÑO Flujo de efectivo Valor presente Flujo de efectivo Valor presente

0 933.557.150-$ 933.557.150-$ 933.557.150-$ 933.557.150-$

1 99.674.400$ 90.613.091$ -$ -$

2 100.671.144$ 83.199.293$ 100.671.144$ 83.199.293$

3 106.711.413$ 80.173.864$ 106.711.413$ 80.173.864$

4 113.114.097$ 77.258.451$ 113.114.097$ 77.258.451$

5 119.900.943$ 74.449.052$ 119.900.943$ 74.449.052$

6 127.095.000$ 71.741.814$ 127.095.000$ 71.741.814$

7 134.720.700$ 69.133.021$ 134.720.700$ 69.133.021$

8 142.803.942$ 66.619.093$ 142.803.942$ 66.619.093$

9 151.372.178$ 64.196.580$ 151.372.178$ 64.196.580$

10 160.454.509$ 61.862.159$ 160.454.509$ 61.862.159$

11 170.081.780$ 59.612.626$ 170.081.780$ 59.612.626$

12 180.286.686$ 57.444.894$ 180.286.686$ 57.444.894$

13 191.103.888$ 55.355.989$ 191.103.888$ 55.355.989$

14 202.570.121$ 53.343.044$ 202.570.121$ 53.343.044$

15 214.724.328$ 51.403.297$ 214.724.328$ 51.403.297$

VPN 82.849.118$ VPN 7.763.973-$

TIR 11% TIR 10%

AÑO Flujo de efectivo Valor presente Flujo de efectivo Valor presente

0 933.557.150-$ 933.557.150-$ 933.557.150-$ 933.557.150-$

1 2.400.325.600-$ 2.182.114.182-$ -$ -$

2 100.671.144$ 83.199.293$ -$ -$

3 106.711.413$ 80.173.864$ -$ -$

4 113.114.097$ 77.258.451$ -$ -$

5 119.900.943$ 74.449.052$ -$ -$

6 127.095.000$ 71.741.814$ -$ -$

7 134.720.700$ 69.133.021$ -$ -$

8 142.803.942$ 66.619.093$ -$ -$

9 151.372.178$ 64.196.580$ -$ -$

10 160.454.509$ 61.862.159$ -$ -$

11 170.081.780$ 59.612.626$ -$ -$

12 180.286.686$ 57.444.894$ -$ -$

13 191.103.888$ 55.355.989$ -$ -$

14 202.570.121$ 53.343.044$ -$ -$

15 214.724.328$ 51.403.297$ -$ -$

VPN 2.189.878.155-$ VPN 933.557.150-$

TIR -5% TIR Negativo

VPN = Valor Presente Neto

TIR = Tasa Interna de Retorno

Inversion en el Sistema Suspension de un año

Multa maxima Clausura de la empresa

158

9. CONCLUSIONES

La alta inversión del sistema resulta rentable a largo plazo, en la medida en que se evitan sanciones cuantiosas de tipo ambiental

La reincorporación del material particulado en el proceso de extracción representa mayor recuperación de plomo, incrementando el material disponible para el reciclaje

Con el sistema de extracción implementado en la empresa se reduce la

contaminación ambiental y se reduce además la exposición de los empleados y de la población aledaña

159

10. RECOMENDACIONES

Reutilizar los humos para precalentar el material que ingresa al horno, lo que llevaría a aumentar la eficiencia de la combustión y por ende disminuir los costos operativos

Realizar una estandarización del proceso de limpieza y extracción del material particulado de modo que se puedan seleccionar los mismos componentes y dimensiones para otra industria similar como las empresas de madera, cemento o plantas térmicas

160

BIBLIOGRAFIA BASEL CONVENTION. (2.007). Information and forms in support of the implementation of the Basel Convention. Recuperado de http://www. basel.int CENTRO NACIONAL DE REFERENCIA SOBRE CONTAMINANTES ORGÁNICOS CENTRO PARA EL CONTROL Y PREVENCION DE ENFERMEDADES (2.016). Plomo. Recuperado de http://www.cdc.gov Código ASME para tuberías a presión, B31.3 (2.010). New York, Estados Unidos: ASME. Código de inspección para cañerías API 570 (2.005). Washington DC, Estados Unidos: API. Código Para Caldera Y Recipientes A Presión. Examinación No Destructiva (2005). New York, Estados Unidos: ASME. Diseño de conductos de sistemas de ventilación localizada por extracción (SVLE). Buenos Aires, Argentina: Universidad de Buenos Aires. ECHEVERRI C. A. (2.006). Diseño óptimo de ciclones [archivo PDF]. Recuperado de http://www.ingenieroambiental.com FLAGAN R. C. SEINFELD J. H. (1.988). Fundamentals of air pollution engineering. Englewood Clifs, NJ: Prentice Hall. GOBERNA R. Ventilación Industrial (1.992). Valencia, España: Conselleria de Treball i Afers Socials. HARRISON R. M. LAXEN D. P. H. (1.981). Lead Pollution: Causes and control. Lancaster, Reino Unido: Chapman and Hall. IDROVO A.J. (2.012). Diagnostico Nacional de Salud Ambiental [archivo PDF]. Recuperado de http://www.minambiente.gov.co Industrial Centrifugal fans manual (2.015). Illinois, Estados Unidos: Chicago Blower. INSHT (2.016). NTP-165 Plomo, normas para su evaluación y control. Recuperado de http://www.cdc.gov Installation and operation Manual, Pulse Jet Filters (2.008). Minneapolis, Estados Unidos: Donaldson Company Inc. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Citas y notas de pie de página. 2 ed. Bogotá: ICONTEC, 1.995 (NTC 1487)

161

_ _ _ _ _ _ _ _ Documentación. Presentación de tesis, trabajos de grado y otros trabajos de investigación. 6 ed. Bogotá: ICONTEC, 2.008 (NTC 1486) _ _ _ _ _ _ _ _ Referencias documentales para fuentes de información electrónicas. 1 ed. Bogotá: ICONTEC, 1.998 (NTC 4490) _ _ _ _ _ _ _ _ Referencias bibliográficas contenido, forma y estructura. 6 ed. Bogotá: ICONTEC, 2.008 (NTC 5613) INSTITUTO NACIONAL DE ECOLOGÍA. (2.002). Tecnologías de control de contaminantes procedentes de fuentes estacionarias [archivo PDF]. Recuperado de http://www.inecc.gob.mx Instrucciones de servicio, compresor de tornillo. Coburg, Alemania: Kaeser Kompressoren. Instructions horizontal and vertical induction motors. México D.F, México: Siemens. INTERNATIONAL LEAD MANAGEMENT CENTER INC. (2.016). Proceso reciclaje plomo [archivo PDF]. Recuperado de http://www.ilmc.org MUSSATI D. The EPA Air Pollution Control Cost Manual (2.002). Carolina del Norte, U.S.A: U.S Environmental Protection Agency. ORGANIZACIÓN DE LAS NACIONES UNIDAS (2.012). Para la educación, ciencia y cultura. Recuperado de http://www. revistanova.org PERSIS-TENTES. (2.016). Producción secundaria de plomo. Recuperado de http://www.cnrcop.es Poleas en “V”. Bogotá, Colombia: Intermec. TURNER J. H. MCKENNA J. D. VATAVUK W. M. (1.998). Bag houses and filters. Carolina Del Norte, E.E.U.U: EPA. VAN DER BERG S. (2.009). Reciclaje de baterías de plomo ácido usadas. [Archivo PDF]. Recuperado de http://www.practicalaction.o

162

ANEXOS

163

ANEXO A TUBOS COLMENA

165

ANEXO B CONDUCTOS

167

ANEXO C CATALOGO CICLONES

169

ANEXO D FACTOR PULSE JET

171

ANEXO E CARACTERISTICAS FILTRO DE BOLSAS

173

ANEXO F MEDIDAS FILTRO DE BOLSAS

175

ANEXO G CARACTERISTICAS COMPRESOR

177

ANEXO H DIAGRAMA DE PÉRDIDA POR FRICCIÓN

179

ANEXO I FACTORES DE CORRECION

181

ANEXO J CARACTERISTICAS DEL VENTILADOR

183

ANEXO K MEDIDAS DEL VENTILADOR

185

ANEXO L CARACTERISTICAS DEL MOTOR

187

ANEXO M MEDIDAS DEL MOTOR

189

ANEXO N CAPACIDAD DE TRANSMISION POR CANAL

191

ANEXO O DIMENSIONES DE LAS POLEAS

193

ANEXO P CATALOGO CORREAS

195

ANEXO Q MEDIDAS DE LAS CORREAS

197

ANEXO R PROPIEDADES DE LAS UNIONES

199

ANEXO S MEDIDAS DE LAS UNIONES

201

ANEXO T CARACTERISTICAS VALVULAS ROTATIVAS

203

ANEXO U RECONOCIMIENTO FALLAS DEL COMPRESOR

205

ANEXO V ARTÍCULOS SALUD OCUPACIONAL LEY 9 DE ENERO 24 DE 1.979

Artículo 122.- Todos los empleadores están obligados a proporcionar a cada trabajador, sin costo para éste, elementos de protección personal en cantidad y calidad acordes con los riesgos reales o potenciales existentes en los lugares de trabajo. Artículo 123.- Los equipos de protección personal se deberán ajustar a las normas oficiales y demás regulaciones técnicas y de seguridad aprobadas por el Gobierno. Artículo 124.- El Ministerio de Salud reglamentará la dotación, el uso y la conservación de los equipos de protección personal. Y en la Resolución 2400 de Mayo 22 de 1979 (Titulo IV, Capitulo II De los equipos y elementos de protección, Artículos 176 a 201), dispone: ARTÍCULO 176. En todos los establecimientos de trabajo en donde los trabajadores estén expuestos a riesgos físicos, mecánicos, químicos, biológicos, etc. Los patronos suministrarán los equipos de protección adecuados, según la naturaleza del riesgo, que reúnan condiciones de seguridad y eficiencia para el usuario. ARTÍCULO 177. En orden a la protección personal de los trabajadores, los patronos estarán obligados a suministrar a éstos los equipos de protección personal. ARTÍCULO 178. La fabricación, calidad, resistencia y duración del equipo de protección suministrado a los trabajadores estará sujeto a las normas aprobadas por la autoridad competente y deberá cumplir con los siguientes requisitos: Ofrecer adecuada protección contra el riesgo particular para el cual fue diseñado. (a) Ser adecuadamente confortable cuando lo usa el trabajador (b) Adaptarse cómodamente sin interferir en los movimientos naturales del usuario (c) Ofrecer garantía de durabilidad (d) Poderse desinfectar y limpiar fácilmente (e) Tener grabada la marca de fábrica para identificar al fabricante (f) ARTÍCULO 179. Los lentes de los cristales y de material plástico, ventanas, y otros medios protectores para la vista deberán estar libres de estrías, burbujas de aire, ondulaciones o aberraciones esféricas o cromáticas. La superficie del frente y de la parte posterior de los lentes y ventanas no deberá causar distorsión lateral, a excepción del caso cuando proporcionan correcciones ópticas. ARTÍCULO 180. Para los trabajadores que utilizan lentes para corregir sus defectos visuales y necesiten protección visual complementaria, el patrono deberá suministrar gafas especiales que puedan ser colocadas sobre sus anteojos habituales; en caso de ser imposible utilizar ambos tipos de anteojos, el patrón deberá suministrarles anteojos de seguridad corregidos.

ARTÍCULO 181. Para los trabajadores que laboren en soldadura y corte de arco, soldadura y corte con llama, trabajos en hornos o en cualquier otra operación donde sus ojos están expuestos a deslumbramientos o radiaciones peligrosas, el patrono deberá suministrar lentes o ventanas, filtros de acuerdo a las siguientes normas de matiz o tinte ARTÍCULO 182. Los equipos protectores del sistema respiratorio deberán ser adecuados para el medio en que deben usarse. ARTÍCULO 183. Los respiradores de cartucho químico y las máscaras de depósito no deberán emplearse en lugares cerrados con ventilación deficiente o en ambientes donde el contenido de oxígeno sea inferior al 16%. ARTÍCULO 184. Toda persona que tenga necesidad de utilizar un aparato de respiración, sea de aire u otra atmósfera respirable suplida de depósito o de cartucho químico, será debidamente adiestrada en el uso, cuidado y limitaciones del equipo protector. También será instruida en los procedimientos aplicables en casos de emergencia. ARTÍCULO 185. Los equipos de protección de las vías respiratorias deberán guardarse en sitios protegidos contra el polvo en áreas no contaminadas. Dichos equipos deberán mantenerse en buenas condiciones de servicio y asepsia. ARTÍCULO 192. Los vestidos protectores y capuchones para los trabajadores expuestos a substancias corrosivas o dañinas serán: A prueba de líquidos, sólidos o gases, de acuerdo con la naturaleza de la substancia o substancias empleadas (a) De construcción y material tal que sean aceptados por la Autoridad competente (b) ARTÍCULO 194. Las gafas protectoras para los trabajadores expuestos a emanaciones que pudieran causar lesiones o molestias en los ojos del usuario deberán tener copas de gafas que ajusten estrechamente y no deberán tener aberturas de ventilación. ARTÍCULO 195. Las gafas protectoras, los capuchones y las pantallas protectoras para los trabajadores ocupados en soldadura por arco, soldadura oxiacetilénica, trabajos de hornos, o en cualquier otra operación donde sus ojos puedan estar expuestos a deslumbramientos deberán tener lentes o ventanas filtros conforme a las normas de absorción aceptadas por la autoridad competente.

208

ANEXO W SIMULACIONES TÉRMICAS

210

ANEXO X PLANO

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA Código:

PROCESO: GESTIÓN DE BIBLIOTECA Versión 0

Autorización para Publicación en el Repositorio Digital Institucional – Lumieres

Julio - 2016

1

AUTORIZACIÓN PARA PUBLICACIÓN EN EL REPOSITORIO DIGITAL INSTITUCIONAL

LUMIERES

Yo Juan Guillermo Ángel Forero en calidad de titular de la obra Diseño De Un Sistema De Evacuación Y Limpieza De

Emisiones En El Proceso De Fundición De Plomo Secundario En La Empresa Recuperación De Metales S.A,

elaborada en el año 2.016 , autorizo al Sistema de Bibliotecas de la Fundación Universidad América para que incluya

una copia, indexe y divulgue en el Repositorio Digital Institucional – Lumieres, la obra mencionada con el fin de facilitar

los procesos de visibilidad e impacto de la misma, conforme a los derechos patrimoniales que me corresponden y que

incluyen: la reproducción, comunicación pública, distribución al público, transformación, en conformidad con la

normatividad vigente sobre derechos de autor y derechos conexos (Ley 23 de 1982, Ley 44 de 1993, Decisión Andina 351

de 1993, entre otras).

Al respecto como Autor manifestó conocer que:

La autorización es de carácter no exclusiva y limitada, esto implica que la licencia tiene una vigencia, que no es

perpetua y que el autor puede publicar o difundir su obra en cualquier otro medio, así como llevar a cabo cualquier

tipo de acción sobre el documento.

La autorización tendrá una vigencia de cinco años a partir del momento de la inclusión de la obra en el repositorio,

prorrogable indefinidamente por el tiempo de duración de los derechos patrimoniales del autor y podrá darse por

terminada una vez el autor lo manifieste por escrito a la institución, con la salvedad de que la obra es difundida

globalmente y cosechada por diferentes buscadores y/o repositorios en Internet, lo que no garantiza que la obra pueda

ser retirada de manera inmediata de otros sistemas de información en los que se haya indexado, diferentes al

Repositorio Digital Institucional – Lumieres de la Fundación Universidad América.

La autorización de publicación comprende el formato original de la obra y todos los demás que se requiera, para su

publicación en el repositorio. Igualmente, la autorización permite a la institución el cambio de soporte de la obra con

fines de preservación (impreso, electrónico, digital, Internet, intranet, o cualquier otro formato conocido o por conocer).

La autorización es gratuita y se renuncia a recibir cualquier remuneración por los usos de la obra, de acuerdo con la

licencia establecida en esta autorización.

Al firmar esta autorización, se manifiesta que la obra es original y no existe en ella ninguna violación a los derechos

de autor de terceros. En caso de que el trabajo haya sido financiado por terceros, el o los autores asumen la

responsabilidad del cumplimiento de los acuerdos establecidos sobre los derechos patrimoniales de la obra.

Frente a cualquier reclamación por terceros, el o los autores serán los responsables. En ningún caso la

responsabilidad será asumida por la Fundación Universidad de América.

Con la autorización, la Universidad puede difundir la obra en índices, buscadores y otros sistemas de información que

favorezcan su visibilidad.

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA Código:

PROCESO: GESTIÓN DE BIBLIOTECA Versión 0

Autorización para Publicación en el Repositorio Digital Institucional – Lumieres

Julio - 2016

2

Conforme a las condiciones anteriormente expuestas, como autor establezco las siguientes condiciones de uso de mí obra

de acuerdo con la licencia Creative Commons que se señala a continuación:

Atribución- no comercial- sin derivar: permite distribuir, sin fines comerciales, sin obras

derivadas, con reconocimiento del autor.

Atribución – no comercial: permite distribuir, crear obras derivadas, sin fines comerciales con

reconocimiento del autor.

Atribución – no comercial – compartir igual: permite distribuir, modificar, crear obras

derivadas, sin fines económicos, siempre y cuando las obras derivadas estén licenciadas de la

misma forma.

Licencias completas: http://co.creativecommons.org/?page_id=13

Siempre y cuando se haga alusión de alguna parte o nota del trabajo, se debe tener en cuenta la correspondiente

citación bibliográfica para darle crédito al trabajo y a su(s) autor(es).

De igual forma como autor (es) autorizo (amos) la consulta de los medios físicos del presente trabajo de grado así:

AUTORIZO SI NO

La consulta física (sólo en las instalaciones de la Biblioteca) del CD-ROM y/o Impreso X

La reproducción por cualquier formato conocido o por conocer para efectos de preservación X

Información Confidencial: este Trabajo de Grado contiene información privilegiada, estratégica o

secreta o se ha pedido su confidencialidad por parte del tercero, sobre quien se desarrolló la

investigación. En caso afirmativo expresamente indicaré (indicaremos), en carta adjunta, tal situación

con el fin de que se respete la restricción de acceso.

SI NO

X

Para constancia se firma el presente documento en (la ciudad), a los 13 días del mes de marzo del año 2.017.

EL AUTOR:

Nombres Apellidos

Juan Guillermo Ángel Forero

Documento de identificación No Firma

1.022.384.130

Nota: Incluya un apartado (copie y pegue el cuadro anterior), para los datos y la firma de cada uno de los autores

de la obra.

http://co.creativecommons.org/?page_id=13

DISEÑO DE UN SISTEMA DE EVACUACIÓN Y LIMPIEZA DE...

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