DISEO DE UNA SECADORA DE GRANOS DE ARROZ

DISEO DE UNA SECADORA DE GRANOS DE ARROZ

PROYECTO DE DISEO MECANICO:

DISEO DE UNA SECADORA DE GRANOS DE ARROZ.

2013

UNT

INTEGRANTES:HARO CASTILLO ALBERT JHONRODRIGUEZ GUTIERREZ WILMER MANUELRUIZ SANCHEZ WILINTHON JAVIERVASQUEZ HERNANDEZ LUIS EDUARDOVERGARAY TAMAYO WILSON NICOLAS

CURSO:DISEO MECANICO

DOCENTE:ING. SANCHEZ BUSTAMANTE JUAN JAVIER.

INGENIERIA MECANICA X CICLO

DISEO DE UNA SECADORA DE GRANOS DE ARROZ

I. ESPECIFICACIONES DE DISEO

1.1. INTRODUCCION:PROBLEMAS DE DISEO: Disear una Secadora de granos de arroz para el sector Industrial apto para su posterior consumo.

PROPOSITO O USO: La mquina diseada debe secar cualquier variedad de Arroz existentes en la zona de instalacin (Valle Jequetepeque).

EFECTOS NO DESEADOS:El arroz se quiebra durante el proceso en un porcentaje menor de 1.5% del peso total de ingreso de arroz.

CARACTERISTICAS ESENCIALES:La temperatura ideal de calentamiento del aire se mantendr a travs de un Sistema de control automtico con retroalimentacin equipada con sensores trmicos, mandando las seales correspondientes a un ventilador auxiliar (pequeo) que regulara la temperatura del aire caliente al ingreso del secador.

1.2. NECESIDADES DEL CLIENTE:RENDIMIENTO FUNCIONAL: El mecanismo de secado ser por medios trmicos con aire caliente. El secado de arroz debe hacerse a una temperatura de 40C. El secado de arroz debe hacerse con aire caliente en un tiempo de 30 minutos por pasada. El combustible para el secado ser pajilla de arroz. La mquina debe procesar, como mximo, 3 toneladas/hora. El arroz ser descargado a travs de un tornillo para el embolsado.

ENTORNO OPERATIVO: Temperatura inicial de arroz a 23C en la zona residencial con humedad que puede variar entre 16% a 22% de humedad absoluta. El transporte del arroz llegara al secador por medio de un elevador y rampa que lo descarga en la tolva de entrada al secador.

ECONOMA: Debe tener una vida econmica mnima de 10 aos. LIMITACIONES GEOMETRICAS: El rea de trabajo de la instalacin es de 161 m2 con una altura de instalacin de 10 metros. Los componentes de la mquina deben ser de fcil montaje.

MANTENIMIENTO, REPARACION Y RETIRO: Mantenimiento Preventivo cada 6 meses. Las partes ms expuestas al desgaste son cambiables y estn colocadas en lugares de fcil acceso.

LA FIABILIDAD, ROBUSTEZ: La mquina debe tener una buena estabilidad y rigidez. No deben ocurrir fallas en la vida econmica.

SEGURIDAD: Debe proveerse las instrucciones de montaje, uso y mantenimiento. Deben proveerse indicadores de los parmetros de funcionamiento y avisos de prevencin de accidentes.

CONTAMINACION: No debe generar ruidos ms all de los permitidos en las normas ambientales.

FACILIDAD DE USO: Simple aadido de arroz a la secadora. Fcil ingreso de aire caliente por medio de un ventilador (tiro forzado). Por medio de un elevador de cangilones ser recirculado el arroz a la secadora.

FACTORES HUMANOS: La puesta en marcha de la maquina ser posible cuando estn garantizadas las condiciones de seguridad para personas y elementos del equipo. Debe contar con seales sonoras y/o visuales para indicar cualquier falla y as proteger la integridad fsica de la persona.

ASPECTO Buenos acabados superficiales, no debe presentar asperezas ni rebabas. Los materiales deben ser seleccionados con un diseo adecuado. Los materiales para la fabricacin deben estar disponibles en el mercado. Las piezas que formen parte de la maquina sern de fcil manufactura. Estar fijada con pernos de anclaje.

II. CALCULO DE INGENIERIA PARA EL SECADO DE ARROZ

2.1. NECESIDADES DEL SECADO:El secado es un proceso de gran importancia en la cadena de produccin de alimentos, ya que el contenido de humedad es, sin duda, la caracterstica ms importante para determinar si el grano corre el riesgo de deteriorarse durante el almacenamiento en silos, para que a continuacin sea descascarado.Es el mtodo universal de acondicionar los granos por medio de la eliminacin del agua hasta un nivel que permita su equilibrio con el aire ambiente, de tal forma que preserve su aspecto, sus caractersticas de alimentos, su calidad nutritiva. El secado en exceso es un desperdicio, ya que no solo se gasta energa sino que tambin se puede llegar a degradar el producto.El proceso de secado se define como la remocin de sustancias voltiles (a lo que llamamos humedad) de una mezcla que se encuentra en un producto solido por medio de calor. Esta definicin excluye la concentracin de una solucin o una mezcla por evaporacin, etc.

Figura 01: Esquema de cadena productiva.

2.2. CONTENIDO DE HUMEDAD:Sabemos que la medicin de la humedad del grano se fija sobre la llamada "base hmeda", es decir, la cantidad de agua que tiene el grano en total, o sea, sobre su peso de materia seca ms agua.

En ciertas operaciones, sobre todo para trabajos cientficos, es preferible usar la humedad en "base seca", que es la cantidad de agua que tiene el grano en relacin solamente a la cantidad de materia seca.

2.3. PARAMETROS DE SECADO:Los parmetros que influyen en la tasa de secado, cuando se secan granos con aire forzado, son: la temperatura y la humedad relativa ambiente, la temperatura y el flujo de aire de secado, el contenido de humedad inicial y de equilibrio de los granos, dado el caso, la velocidad de dichos granos dentro del secador. El tipo de grano y las condiciones en la fase de campo tambin pueden influir en su tasa de secado.

Los parmetros de secado citados no son independientes. Esto quiere decir que influyen en la tasa de secado como un conjunto de factores y no aisladamente. El manejo adecuado de dichos parmetros permite determinar el equipamiento apropiado para las condiciones especficas de secado.

A la temperatura y la humedad relativa del aire ambiente, muchas veces no se les da importancia para el secado a altas temperaturas. Estos parmetros tienen poca influencia sobre la tasa de secado; en cambio, determinan la cantidad de energa necesaria para alcanzar la temperatura de secado. Cuanto menor sea la temperatura ambiente, mayor ser la cantidad de energa necesaria para calentar ese aire, lo que determina un mayor costo del secado.El contenido de humedad inicial tambin influye en la tasa de secado. Cuanto ms elevado sea el contenido de humedad de un producto, mayor ser la cantidad de agua evaporada por unidad de energa. Con elevados contenidos de humedad, las fuerzas de absorcin de la estructura celular del material sobre las molculas de agua, son menores que cuando el contenido de humedad del producto es ms bajo. En consecuencia, se utiliza un mayor porcentaje de energa disponible para evaporar la humedad contenida en los granos ms secos.

La temperatura del aire de secado es el parmetro de mayor flexibilidad en un sistema de secado a altas temperaturas e influye significativamente en la tasa y la eficiencia de secado y en la calidad del producto final. Un aumento de dicha temperatura significa un menor consumo de energa por unidad de agua evaporada y una mayor tasa de secado. En cambio, las temperaturas de secado ms elevadas pueden causar daos trmicos ms acentuados en los granos. La temperatura de secado, junto con los flujos de aire y de granos, determina la cantidad de agua evaporada en un secador.

2.3.1. Tiempo de Secado:El tiempo de secado es relativo, adems de la capacidad de evaporacin del sistema, al tipo y a la humedad inicial del producto y teniendo presente que la evaporacin del agua no es lineal, ocurre ms rpido a la humedad elevada y algo lento en la proximidad de los lmites de conservacin y en el arroz puede ser de 3-4 puntos/h al inicio contra casi 1 punto/h en la fase final, hay que tener en cuenta la cantidad de humedad removida durante un solo paso a travs del secado no debe exceder del 6%, si estas condiciones no son mantenidas, rajaduras y arrugamiento de los granos puede resultar.

Depende adems de la condicin del aire ambiente durante el ao, esto significa que la operacin del sistema puede ser dividida en partes de tal manera que se ahorre al mismo tiempo en el consumo de combustible.

2.4. ANALISIS ENERGETICO EN LA SECADORA:Entrada del arroz

Salida del aire hmedo

Entrada del aire hmedo

Salida del arroz

Para determinar el contenido de agua a evaporar realizamos un anlisis termodinmico del proceso. Sabemos que el arroz tiene un contenido inicial de humedad del 22%, y lo que se quiere es llevarlo a una humedad relativa de 15% que es ideal para el almacenamiento.

Sin embargo no es recomendable hacer esta baja de una humedad en una sola pasada, ya que el grano tiende a presentar fisuras, y se recomienda por norma no bajar ms de 6 grados por pasada. Por esta razn que se harn en 2 pasadas una de 22% a 18.5% y la otra de 18.5% a 15% de humedad absoluta en base hmeda.

2.5. Flujo volumtrico del grano en la secadora (m3/h) [1].

Dnde:

: Flujo volumtrico del grano en la secadora [ : Densidad del arroz [ [1]

Se tiene:

2.6. Cantidad de agua a eliminar (w) [2].2.6.1. Cantidad de masa seca.

kg

2.6.2. Masa de agua contenida inicialmente.

2.6.3. Masa de agua contenida al final.

412.94kg

Por lo tanto la cantidad de agua que se evapor por hora fue de:

Se tiene tambin el 600 de agua se define como la cantidad de calor necesaria para evaporar 1kg de agua (calor latente de vaporizacin del agua).

=

2.6.4. Determinacin de la humedad relativa (CARTA SICROMETRICA) [3].Para facilitar los clculos de los cambios en procesos con mezcla de aire seco-vapor de agua, es conveniente utilizar una grfica de algunos de los parmetros importantes en un diagrama que se conoce con el nombre de CARTA SICOMETRICA.Para determinar la humedad relativa del aire utilizamos los siguientes parmetros de entrada:

2.6.4.1. Propiedades termodinmicas del aire hmedo [4]. Temperatura Bulbo Hmedo: El termmetro de bulbo hmedo recibe sobre s un flujo de aire constante por medio de un sistema de ventilacin. Se evapora as la humedad y se retira energa del bulbo hmedo. La temperatura baja, y al llegar al punto de equilibrio, se estabiliza. La temperatura que registra el termmetro en esas condiciones se llama temperatura psicomtrica de bulbo hmedo. (Tbh).

Temperatura de Ampolla Seca:Temperatura de bulbo secootemperatura secaes la medida con untermmetroconvencional de mercurio o similar cuyo bulbo se encuentra seco.

Con la temperatura del aire a 23C su humedad relativa ser de 73% punto (1), y calentando el aire asta hasta 40C obtenemos una humedad relativa de 28% punto (2), y la humedad relativa del aire a la salida de la secadora es de 62% punto (3).

Utilizando la carta psicomtrica calculamos la humedad relativa.

Figura 02: Carta Psicomtrica. A la entrada de la secadora:HR=28%X1=13 = 0.013

A la salida de la secadora:

HR=59%X1=173= 0.0173

Nota: cuanto ms saturado salga el aire de la secadora, mejor ser la eficiencia energtica de la mquina.

2.6.5. Masa de aire a utilizar (M).

2.7. Eficiencia de la secadora [5].Se determina por la relacin de la cada de temperatura que se aprovech y la cada de temperatura que se pudo haber aprovechado, tambin es la relacin entre las kcal mnimas necesarias para evaporar el agua de una masa determinada de granos y la cantidad de kcal realmente consumidas.

Dnde: : Temperatura del aire a la entrada de secador (caliente) : Temperatura del aire a la salida del secador (aire usado) : Temperatura de entrada del grano (temp. de ambiente)

Esto significa que un 41.18% de la energa consumida del combustible se pierde en esta secadora. Una secadora moderna con un diseo ms racional, puede aumentar su eficiencia a 75% o ms.

La eficiencia se podra aumentar si la temperatura de salida del aire hmedo baja, pero esto no es del todo factible debido a que el aire en un trayecto tan corto y en poco tiempo no puede disminuir mucho, dado que la cada de temperatura del aire es de aproximadamente 10 (valor recomendado por la FAO) [1]

2.8. Clculo de la energa producido por la pajilla (C) [5].Viene hacer las consumidas por cada de combustible que reacciona. Se expresa de la siguiente forma:

Dnde: : Combustible en [ : Poder calorfico inferior de la cascara de arroz [ Pero adems se sabe que la eficiencia se puede calcular del siguiente modo:

Entonces la mejor forma de medir la eficiencia de una secadora es calcular las kcal consumidas para evaporar 1 kg de agua.

Entonces

2.9. Clculo del consumo la pajilla (C).Se puede calcular el consumo de pajilla de arroz, en el horno como:

2.10. Dimensionamiento de los mdulos [6].2.10.1. Determinacin del ngulo de talud.El ngulo de talud se define con el mnimo grado de inclinacin para que un cuerpo resbale en una determinada pendiente, este ngulo depende de muchos factores como es el tipo de grano, la rugosidad del grano y de la superficie de rodadura, para el arroz este Angulo lo podemos determinar por el valor recomendado por la FAO, 26 grados de inclinacin y con un coeficiente de friccin que vara entre 0,394 a 0,601 en las paredes.

Figura 03: Angulo de talud.

Segn datos proporcionados por INDUHORTS y mediante la comprobacin experimental hemos podido determinar que en ngulo apropiado para que el arroz se deslice con facilidad es de 36, para evitar la compactacin del grano que pudiese ocurrir entre las alas de las bandejas opuestas asegurando el flujo del producto.

Figura 04: Angulo apropiados para que deslice el arroz.

2.10.2. Dimensionamiento.Para evitar problemas de compactacin del grano y para que los mismos no obstruyan el flujo del grano se opt una separacin entre las bandejas de 50 cm, y de largo 1.5m.

La distancia de separacin entre las secciones de los mdulos es 40 cm, distancia que es adecuada para que el aire fluya a lo largo de las bandejas.

Para dimensionar el alto de cada mdulo se tom muy en cuenta la factibilidad de construccin, de movilizacin, as como la de montaje, considerando el aprovechamiento de las planchas de acero para el forro exterior, dando 1.4m la altura total de cada mdulo.

En el ancho se tom en cuenta la capacidad que tiene cada mdulo, para ello se define el nmero de secciones del mismo, como consecuencia se tom la decisin de colocar 2 secciones dando un ancho de 1.4m.

Cabe recalcar que cada dimensionamiento del mdulo se lo hizo optando por una infinidad de posibilidades, tomando en cuenta el mejor aprovechamiento del material, disminuyendo el desperdicio y reduciendo tiempos en la produccin, adems la facilidad de transporte y montaje , debido a que cada mdulo saldr de la fbrica completamente armado solo para montar en el sitio de trabajo.

2.11. SELECCIN DEL VENTILADOR [7]Para seleccionar el tipo de ventilador necesitamos el caudal y la presin esttica.2.11.1. CALCULO DEL CAUDAL DE AIRE[8]:Conocida la cantidad de agua a evaporar y calculado el consumo energtico, es til determinar la cantidad de aire para transportar la cantidad de calor ya establecida.Segn los estudios tcnicos realizados el caudal se determina del siguiente modo:

Dnde: - T: Diferencia entre la temperatura de secado y la temperatura ambiente. - 17: constante de Foster. Luego:

Por tanto:

2.11.2. CALCULO DE LA PRESION ESTATICA:Por clculos tcnicos realizados por la FAO para hallar la presin esttica es necesario hallar primero el caudal q por metros cbicos de capacidad y posteriormente mediante tablas se calcula la presin esttica.Luego:)

Primero hallamos la capacidad esttica del arroz que es igual a la suma de las dos columnas de arroz presentes en la secadora es decir:

Dnde: W, L, H, Son las dimensiones de la columna de arroz en la secadora.W=0.5m, H=1.5m, L=1.4m

Luego determinamos la cantidad de flujo de aire que el ventilador debe proporcionar:

Segn la tabla adjunta la presin esttica es [9]:

Luego trasformando de unidades tenemos:

Con estos valores (Pe=32.9mmca y caudal=52316 m3/s) entonces procedemos a la seleccin del ventilador tomando en consideracin que estos valores cumplan los requerimientos del ventilador que se seleccionara.Para esto tenemos los siguientes resultados: Utilizamos un software de la compaa europea OTAM

2.11.3. Caracterstica del ventilador a elegir [7]

RFS RFD.- Los ventiladores de la lnea RF poseen rotores de palas huecas en perfil aerofolio inclinadas hacia atrs (Airfoil), o auto limitadores de potencia... Estn proyectados para una operacin silenciosa y de alto rendimiento (hasta 90%). Trabajan con aire o gases limpios. Son equipos usados donde la economa de energa es factor determinante para la operacin del sistema.

RFS - simple aspiracin- Caudal de aire: 700 a 350.000 m/h;- Presiones Estticas: 10 a 450 mmca;

RFD - doble aspiracin- Caudal de aire: 1.400 a 600.000 m/h;- Presiones Estticas: 10 a 300 mmca;

APLICACIONES: Aire acondicionado; ventilacin y exhaustin industrial, comercial y domstica; estufas y secadores.

2.12. DISEO DE UN TRANSPORTADOR DE TORNILLO [8]: Disear un transportador de tornillo cuya capacidad es de 3 Ton/h y una longitud de transporte de 1.80m.

2.12.1. Caractersticas fsicas del material: Se debe conocer las caractersticas fsicas del material y la capacidad de transporte requerida en pie3/hr; como tambin la capacidad mxima que el conductor debe transportar. Propiedades fsicas del material: Peso especfico (36 lb./pie3); pagina 283 [8] Clase de material: B26S Tamao granular. Menos de 3/4 pulg. Fluye libremente. Grupo de componentes: 1A-1B-1C: Servicio normal1A: Cojinetes de Babbit y Colgador.1B: Cojinetes de Madera y Colgador.1C: Cojinetes de Rodamiento.Capacidad del material: 3 Ton/h = 62.5 pies3/h

2.12.2. Determinacin del dimetro y la velocidad del transportador:Ingresamos a la Tabla 2 (Pg. 284) [8] con la primera letra y los dos ltimos nmeros del cdigo del material: B26Hallamos el tamao del conductor por la capacidad e interpolamos para determinar la velocidad adecuada.Tenemos 30% de grado de carga. Vmx. req= 120 RPM Lmx. Terrn= 3/4 pulg. (Tamao mximo del terrn) (Dimetro del tornillo) ; despejando:Tenemos que la velocidad requerida ser:Velocidad requerida: (30%)

2.12.3. Componentes del conductor:Estos datos los obtenemos de la Tabla 3 (Pg. 284 [8])Donde; La longitud mxima del tornillo es: Lmx. Tornillo= 100 piesPor lo tanto; Cumple con la longitud del transporte requerido 1.80m = 5.9 pies) Factor de potencia: K= 46 Dimetro de acoplamiento: .

2.12.4. Clculo de la potencia de accionamiento:La siguiente formula es aplicado para calcular la potencia:

Dnde:A: potencia equivalenteG: 1; cuando A=5.0 o masEn tabla; si A