Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniera Escuela de Ingeniera Mecnica

GUA PARA EL DISEO DE UN HORNO ROTATORIO PARA CALCINACIN DE ARCILLA POR LA VA SECA

Hugo Roberto Rodas Rios Asesorado por el Ing. Jos Arturo Estrada Martnez

Guatemala, febrero de 2005

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERA

GUA PARA EL DISEO DE UN HORNO ROTATORIO PARA CALCINACIN DE ARCILLA POR LA VA SECA

TRABAJO DE GRADUACIN

PRESENTADO A JUNTA DIRECTIVA DE LA FACULTAD DE INGENIERA POR

HUGO ROBERTO RODAS RIOS ASESORADO POR ING. JOS ARTURO ESTRADA MARTNEZ

GUATEMALA, FEBRERO DE 2005

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERA

NMINA DE JUNTA DIRECTIVA

DECANO VOCAL I VOCAL II VOCAL III VOCAL IV VOCAL V SECRETARIO

Ing. Sydney Alexander Samuels Milson Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos Lic. Amahn Snchez lvarez Ing. Julio David Galicia Celada Br. Keneth Issur Estrada Ruiz Br. Elisa Yazminda Videz Leiva Ing. Carlos Humberto Prez Rodrguez

TRIBUNAL QUE PRACTIC EL EXAMEN GENERAL PRIVADO

DECANO EXAMINADOR EXAMINADOR EXAMINADOR SECRETARIO

Ing. Jorge Mario Morales Gonzlez Ing. Maurice Bernard Mulet Lezieur Ing. Jaime Ren Urbina Ing. Carlos Humberto Prez Rodrguez Ing. Edgar Jos Bravatti Castro

HONORABLE TRIBUNAL EXAMINADOR

Cumpliendo con los preceptos que establece la ley de la universidad de San Carlos de Guatemala, presento a su consideracin mi trabajo de graduacin titulado:

GUA PARA EL DISEO DE UN HORNO ROTATORIO PARA CALCINACIN DE ARCILLA POR LA VA SECA

Tema que me fuera asignado por la Direccin de la Escuela de Ingeniera Mecnica con fecha 8 de febrero de 2005.

Hugo Roberto Rodas Rios

TABLA X.

ANEXO LADRILLO NECESARIO PARA FORMAR CRCULOS SEGN SU DIMETRO (CRCULOS COMPLETOS)

Dimetro (m) 1.52 1.55 1.57 1.60 1.62 1.65 1.67 1.70 1.72 1.75 1.77 1.80 1.82 1.85 1.88 1.90 1.93 1.95 1.98 2.00 2.03 2.05 2.08 2.10 2.13 2.16 2.18 2.21Fuente: catalogo Refractarios A. P. Green, pp. 115.

arco #2 arco #1 41 32 39 35 38 37 38 38 36 41 35 43 34 45 33 47 32 49 32 50 30 53 29 55 28 57 27 59 26 61 25 63 24 65 23 67 21 71 20 73 19 75 18 77 17 79 16 81 15 83 14 85 13 87 12 89

total 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101

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CONTINUACIN TABLA X.

LADRILLO NECESARIO PARA FORMAR CRCULOS, SEGN SU DIMETRO (CRCULOS COMPLETOS) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 93 95 97 99 101 103 105 107 109 111 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112

2.26 2.28 2.31 2.33 2.36 2.38 2.41 2.43 2.46 2.49

Fuente: catalogo Refractarios A. P. Green, pp. 115.

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B.

TRANSPORTADORES HELICOIDALES

Los transportadores helicoidales o de gusano, son elementos de transporte que empujan materiales lquidos o granulares. Estn constituidos por un eje central alrededor del cual se desarrolla una franja helicoidal, de acuerdo con los requerimientos de precisin los trasportadores helicoidales se construyen ya sea maquinados sobre su eje o como sucede para la mayora de productos, en que es posible construirlos con lmina soldada a un tubo que sirve de eje. Este dispositivo permite lograr buenos resultados y costos bajos de construccin. El gusano transportador se ubica en el interior de una carcaza de lmina, la que confina al material y permite el trabajo de transporte del helicoidal; la carcaza debe separarse ligera y gradualmente del eje del gusano, es decir, que se coloca desalineada o en cua en relacin al eje con el objeto que el material no se atore en su camino. Es necesario tomar en cuenta a la hora de seleccionar los materiales de construccin, que dentro del transportador de gusano tiene lugar una fuerte abrasin por el deslizamiento del material contra las paredes de la hlice del gusano. Al hacer uso de un anlisis con coordenadas cilndricas, es fcil demostrar que para un dimetro de eje (tubo) D y un paso p de las espiras del gusano, el dimetro interno d de los anillos de lmina que sera necesario cortar para generar cada espira, est dado por la siguiente ecuacin; d = (D2+(p/)2)

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El flujo de material en el interior del gusano transportador est determinado por varios factores, a saber, el dimetro del eje (tubo) D, el dimetro exterior de la hlice del gusano , la velocidad de rotacin del gusano en rpm, el paso del gusano p, la densidad del material que se transporta y el grado de llenado del transportador del gusano, ya que de acuerdo a la aplicacin que se est haciendo y de las caractersticas del material que se transporta vara el grado de llenado. Para aclarar este punto piense que no ser el mismo grado de llenado el que se utilice en un transportador de caliza molida al usado en un sistema de inyeccin de plstico; de acuerdo con ello el caudal a travs del gusano transportador est dado por; Q = /4 * % llenado * (2 - D2) * p * * rpm La potencia necesaria para accionar un transportador de gusano, (de acuerdo con un folleto de "operaciones unitarias" y corrigiendo el denominador presentado como 45,000, por 4,500), est dada por la siguiente ecuacin, (COEFICIENTE)(CAPACIDAD Kg/min)(LONGITUD m) CV = 4,500 el coeficiente es = 4.0 para las cenizas = 2.5 para el carbn = 1.3 para los granos

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FIGURA 27.

TRANSPORTADOR DE GUSANO

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APNDICE A.

EJERCICIO DE DISEO

Dimensionar un horno rotatorio para calcinar arcilla de alto contenido de almina. Se requiere para ello 2.12 X 106 J/Kg de material, con una capacidad de 2 TM/hora (2,000 Kg/hora) de arcilla a calcinar, como combustible se utilizar diesel (fuel oil #2), el talud natural del material es 36, se usar un grado de llenado del 10 %, la densidad del arcilla es 2,200 Kg/m3, el horno trabajar por la va seca. Asmase que el largo del horno es de 20 m y el dimetro interior de 1.75 m

Caudal de material Q = capacidad / densidad del material = (2,000 Kg/hora) / (2,200 Kg/m3) = 0.9091 Kg/m3

Area interior A = *d2/ 4 =*(1.75)2/4 = 2.4053 m2

Velocidad del material en el interior del horno Q * 100 Grado de llenado = 60 * V * A entonces,

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V = (0.9091 * 100)/(60 * 0.10 * 2.4053) = 6.299 m/min

Velocidad de rotacin 1.77 * * L * F t= p*d*n entonces, 1.77 * * L * F n= p*d*t

1.77 * 36 * 20 * 1 n= p * 1.75 * 15

si se considera que el grado de llenado sea del 10 %, la pendiente correspondiente sera del 4 %, es decir, de 2.29. 1.77 * 36 * 20 * 1 n= 2.29 * 1.75 * 15 = 3.53 rpm

Determinacin e integracin de cargas Si se asume que el espesor de refractario es de 4" y el espesor de pared metlica de 3/8".

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Considrese el dimetro de los aros de rodadura 0.40 m mayor que el dimetro del cuerpo metlico,

Carga muerta P = *D*e*l*metal+ (D-2e)*s*lais*ais+ (D-2(e+s))*t*lref*ref pero, D = 1.75 + 2*(4"*0.0254 m/") = 1.95 m entonces, P = (20) (1.95*(3/8*0.0254)*7840+1.75*0.10*2,300 Kg/m3) = = 34,439.28 Kg

Carga viva Q1 = 0.1* d2/4 *l* mat = 0.1* 2.4053 *20* 2,200 = 10,583.32 Kg luego, la carga total sera, Q = P + Q1 = = 34,439.28 + 10,583.32 = = 45,022.60 Kg

Reacciones Q cos w= = l 44,986.64 Kg 20 m 45,022.60 Kg * cos 2.29

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= 20 m

= 2,249.33 Kg/m

por simetra del modelo, py = qy, py + qy = w * l = 44,986.64 Kg entonces se supone que py = qy 2 py = 44,986.64 Kg py = 22,493.32 Kg si se desea lograr que el momento flexionante sea el mismo tanto en el centro de la luz entre apoyos como en los apoyos mismos, wx2/2 = (pl - (wl + 2p)x + 2wx2)/4 - wx2/2 4wx2 = pl - (wl + 2p)x + 2wx2 pero, 2p = wl se sustituye, 4x2 + 4lx - l2 = 0 se resueve, -1 + 2 x = ---------- l = 0.207 l 2 de manera que el diagrama de corte y momento quedara como, p = wl/2

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FIGURA 26.

DIAGRAMAS DE CORTE Y MOMENTO

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Potencia requerida Pf = W*bd*td*N*F*5.9569 X 10-4/rd = 44,986.46*0.10*2.35*3.53*0.06*5.9569 X 10-4 = 0.20 = 6.67 KW Pm = (D sin )3*N*L*K = = (1.75 * 0.73)3*3.53*20*0.918 = = 13.51 KW P = Pf + Pm = 6.67 + 13.51 = 20.18 KW (27 hp), el ms prximo motor de tipo comercial sera de 30 hp.

Torque transmitido T = (725.85 * hp)/n = (725.85 * 30)/3.53 = 6168.70 m-Kg.

Fuerzas de traccin F1 = 3T/2R {el radio aproximado de la corona ser 1 m} = 3 (6,168.70)/ (2*1) = = 9,253 Kg. F3 = T/2R = 6,168.70/2 = 3,084.35 Kg

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Verificacin del espesor de placa

Ssmax 0.5. Syp16 0.5. Syp Mm Syp Mr Se2

Tm Di Do4

Ssyp

Tr Sse

2

3 . Do . 1

Para acero estructural ASTM A-36 el lmite de fluencia (Syp) se considera 25.31 X 106 Kg/m2 (36,000 lb/plg2), luego Se = CRCSCFCW (1/Kf) Sn' CR = 1 - 0.08(DMF) con razn de supervivencia de 98%, DMF = 2.05 (tabla 3.2 "Diseo de mquinas", Aaron Deustchmann) entonces, CR = 1 - 0.08(2.05) = 0.836 CS = 0.70 CF = 0.5 CW = 0.833 Kf = 1.3 Sn'= 0.4Su (Su = 42.18 x 106 Kg/m2, 60,000 psi) = 0.4 * 42.18 X 106 = 16.87 X 106 Kg/m2

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luego, Se = 0.836 * 0.70 * 0.5 * 0.833 * 1/1.3 * 16.87 X 106 = = 3.16 X 106 Kg/m2 al sustituir en la ecuacin de corte mximo, y transponer trminos, 16v [(19,344 + 25.31 X106)2 + (6,1668.70)2] 0.5*25.31 X 106**(1.95)3

1 - (Di/1.95)4 =

1 - (Di/1.95)4 = 1.102 X 10-3 (Di/1.95) = 4v(1 - 1.102 X 10-3) = 0.9997 Di = 1.949 ________________OK

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REFERENCIAS

1

"ESTUDIO TCNICO SOBRE LAS ARCILLAS Y EL CAOLN DE GUATEMALA", Direccin General de Minera, Ministerio de Energa y Minas, Guatemala 1,988 (ensayo indito). DUDA, Walter. Manual tecnolgico del cemento. Traducido por Antonio Sarabia Gonzlez. Espaa: Editores tcnicos asociados. 1,977. ALLIS CHALMERS CORP. Rotary Kilns. Estados Unidos. Allis Chalmers corp. folletos. DUDA, Walter. Op. cit. H. W. FLIR. "folleto de refractarios" , Harbison y Walker H. W. FLIR. Op. cit H. W. FLIR. Op. Cit DUDA, WALTER "Manual Te