cenidet
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
Departamento de Ingeniería Mecatrónica
TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS
“Diseño y Construcción de un Prototipo a Escala de una Cámara de Separación para la Limpieza de Caña de Azúcar”
presentada por: Miguel Ángel García Terán
Ing. Electromecánico por el I.T. de León Y
Juan Fernando Rivera Meza Ing. Electromecánico por el I.T. de León
como requisito para la obtención del grado de:
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica
Director de tesis: Dr. Carlos Daniel García Beltrán
Co-Director de tesis:
Dr. José María Rodríguez Lelis
Jurado: Dr. Dariusz Szwedowicz Wasik – Presidente
Dr. José Ruiz Ascencio – Secretario Dr. Raúl Pinto Elías – Vocal
Dr. Carlos Daniel García Beltrán – Vocal Suplente
Cuernavaca, Morelos, México. 7 de Febrero de 2007
DEDICATORIAS A mis padres: Crispín García y Ma. de Lourdes Terán Juárez
A mis hermanos: Carlos, Víctor, Teresita, Jacobo, Gloria y Emmanuel
A mis abuelos: José Luis Terán y Tomasa Juárez
Irene García y Antonio
A la familia Terán Juárez
A mi esposa Petra Rivera Meza
Miguel García
AGRADECIMIENTOS
A Dios por darme la vida y poner en mi camino a gente tan maravillosa, por darme salud, esperanza y alegría cuando me encuentro desesperado. A mis padres por darme la oportunidad de superación gracias a su esfuerzo y sacrificio, así como por su amor y cariño, por los valores y principios que me inculcaron los cuales guian mi vida. Gracias por su confianza. A mis hermanos por sus consejos y regaños los cuales me ayudaron a tomar mejores decisiones, gracias por su apoyo y cariño. Ustedes son un ejemplo a seguir. A la familia Terán Juárez, por su apoyo y cariño, gracias por sus consejos en los momentos mas oportunos. A mis amigos Fernando, Ángel, Rafa, Jazmín y Josué por tantas noches de desvelo cuando estudiamos. Porque formamos una familia al cuidarnos siempre y apoyarnos cuando alguno decaía. Siempre los recordare con mucho cariño gracias. A la familia Fuentes por su apoyo y comprensión, por soportarnos y alimentarnos gracias Silvia, Carmen, Marco, Abuelita y Chabela son una familia especial. Al Doctor José Maria Rodrigues Lelis por sus regaños y consejos los cuales me ayudaron a madurar, gracias por el apoyo y la confianza que deposito en un servidor espero no defraudarlo. Al Doctor Carlos Daniel García Beltrán gracias por sus consejos y comentarios tan atinados, por su apoyo y confianza. A los integrantes del honorable departamento de tribología Arturo, José, Sergio y Gilberto por sus comentarios, amistad y apoyo brindado durante mi estancia en el departamento gracias señores cuenten con un servidor siempre. A Toño, Chava, Melvin y Diap los nuevos integrantes de tribología. A mi compañero de tesis Juan Fernando Rivera Meza por el esfuerzo y dedicación que mostró durante el desarrollo de este trabajo, por sus consejos y comentarios, por la ayuda que siempre me brindo en los momentos mas difíciles. Gracias por tu amistad. A mi amada esposa por compartir su vida conmigo, por soportar la distancia, la soledad, por darme ánimos cuando me sentí derrotado. Gracias por tu apoyo ante mi enfermedad, por darme un motivo para luchar y esforzarme así como ayudarme a formar el futuro de nuestro hogar. Gracias por darme la oportunidad de hacerte feliz no te defraudare. Te amo Este logro le pertenece a todas las personas que forman parte de mi vida y que de alguna manera me ayudaron a seguir adelante gracias. Para un servidor lo más importante es obtener el titulo de “hijo, hermano, amigo y esposo” y solo ustedes lo pueden otorgar.
Miguel García
DEDICATORIAS A DIOS nuestro SEÑOR. A mi madre: Sra. Petra Meza. En memoria del mejor ejemplo que he tenido en mi vida. Recordando tu
fortaleza y anhelando la sabiduría de toda una vida, con el mismo afán de ser
una persona recta, honrada, humilde y agradecida.
Confío en que tienes la paz que tanto mereces, aunque no dejo de extrañarte.
A mi padre: Sr. Juan Rivera Ponce
(Enero 1945- Noviembre 1994) †
Fernando Rivera
AGRADECIMIENTOS No alcanzo a contar a todas las personas a las que debo agradecer por todo su apoyo, amistad y consejos, es por eso que ofrezco disculpas si involuntariamente omito algún nombre. Desde lo más profundo de mi corazón deseo dedicar y dar gracias a DIOS por el regalo de la vida y por la libertad que ÉL siempre me ha dado, sin ÉL nada es posible, al más especial, a ÉL.
Todo mi amor y agradecimiento a la persona que aceptó traerme a esta vida, siendo ella el motor que genera la fuerza para alcanzar este sueño, Gracias: Mamá, GRACIAS, por querer de esa manera tan especial a mi padre y mis hermanos. Ten presente que la gloria más grande que tengo es el ser hijo tuyo. Gracias a todos y cada uno de mis hermanos Juan, Norma, Bruno, Marilú, Peque, Lupita y Gus quienes con el paso del tiempo confiaron en mí, respetaron y apoyaron mis decisiones. Es muy grato saber que cuento con ellos como hermanos. A mis cuñados: Chuy, Erika, Blanca, Abel y “Mike” gracias por cuidar y acompañar a mis hermanos. Gracias a mis ilustres amigos: “Lobo”, Alfredo, Christian, Josué, Iván por escucharme, por su apoyo y comprensión, por disfrutar de inolvidables momentos. A mis compañeros del Cenidet muy especialmente a mi segunda familia: Rafilla, Ángel, Josué, Jaz, Samuel y el “Mike”, por compartir días memorables. Al distinguido grupo de tribología: Arturo Abundes, José Navarro, Sergio Reyes y “profe” Piña, por sus consejos y apoyo en la elaboración de la presente investigación. A cada uno de los integrantes de ese incomparable y glorioso equipo bicampeón chunchetrónico, plagado de cracks: Ariel, “el Ñor”, Chente, Fercho, Beto y Joaquín. Al Sr. Ramiro Ramírez por su amistad y por compartir conmigo lo más valioso de toda persona: sus sabios consejos y vivencias que ha acumulado en su admirable pasado y brillante presente. Por su amistad y apoyo a: Silvia, “Chivis”, Marco, Lety, Karla, Nancy y Lupita por aparecer en mi vida cuando más los necesitaba y al grupo de la Iglesia 3 de Mayo por tan loable labor que realizan, por mostrarme y acompañarme en el caminar al encuentro con el SEÑOR. A mi amigo y compañero de toda la vida: Mike, ya que fue, es y siempre será un placer trabajar contigo, sobre todo por tu calidad humana, gracias “amiguillo”. A todos ustedes de eximia personalidad.
Fernando Rivera
AGRADECIMIENTOS A nuestros asesores: Dr. José María Rodríguez Lelis y Dr. Carlos Daniel García Beltrán, por guiarnos en el camino de la investigación, por brindarnos parte de su valioso tiempo y darnos sus sabios consejos, esperamos no defraudarlos. Al CENIDET y a nuestros profesores de maestría: Dr. Raúl Garduño, Dr. Vicente Guerrero, Dr. Dariusz Szwedowicz, Dr. Hugo Calleja, M.C Martín Gómez. A todo el personal que labora dentro de la institución, especialmente al: Ing. David Chávez, Sr. Ponce y Sr. Wenceslao. Al comité revisor: Dr. Dariusz Szwedowicz Wasic, Dr. José Ruiz Ascencio y Dr. Raúl Pinto Elías, por sus aportaciones y comentarios para el enriquecimiento de este trabajo. A la DGEST por su apoyo durante nuestra estancia en CENIDET. Al Ing. Mario Rodríguez y a todo el personal del Ingenio Emiliano Zapata, que labora en la brigada de muestreo, por su apoyo en la recolección de datos de interés en la presente investigación. A nuestros profesores de licenciatura: Ing. Bulmaro Aranda, Ing. Gerardo Casillas, Ing. Mayagoitia, Ing. Rojas, Ing. Villaseñor, Ing. José Gutiérrez, Ing. José Luis Torres, Ing. Zermeño, Ing. Rubén Valdivia, Ing. Gabriel Hernández, Dr. Rogelio Navarro, Dr. Zamarrón y muy especialmente al Ing. David Gómez Carrasco, pues Dios lo necesitó en SU Reino, descanse en paz.
Miguel García Fernando Rivera
Resumen Este trabajo presenta el desarrollo de un prototipo de una cámara de separación para la
limpieza de caña de azúcar. El principio sobre el cual se fundamentó el prototipo fue el
concepto de lecho fluidizado. Para implementar el sistema de lecho fluidizado se emplearon
ventiladores axiales, los cuales generan la fuerza de arrastre necesaria para separar las
impurezas de la caña de azúcar. Con base en un estudio de campo, se realizó el análisis
físico de 3 principales variedades de caña, que se cosechan en el estado de Morelos: MY
55-14, CP 72-2086 y CP 62-290. El análisis físico de éstas permitió obtener curvas de
fuerza y coeficiente de arrastre y se determinó la fuerza necesaria para separar las
impurezas sin pérdidas de tallo a causas del arrastre. Se realizaron pruebas para obtener la
eficiencia de limpieza tanto del prototipo como de la cámara de limpieza de las máquinas
cosechadoras comerciales. Se demostró que una cámara de separación de lecho fluidizado
presenta mayor eficiencia que una cosechadora comercial al cosechar caña en verde de
variedad MY 55-14.
Palabras claves: lecho fluidizado, fuerza de arrastre, cosecha en verde.
Abstract This report shows the development of a sugar cane cleaning chamber prototype. Fluidized
bed was the main principle the prototype was based on. Axial ventilators were used in the
fluidized bed, providing the drag force necessary to separate the impurities from the sugar
cane. Based on a field study, the physical analysis of the three main sugar varieties
harvested in Morelos was carried out: MY 55-14, CP 72-2086 and MEX 62-690. The
physical analysis of these varieties allowed to obtain drag force as well as drag coefficient
curves, and the force necessary to separate the impurities without stem losses due to drag
was determined. Tests were made to obtain the cleaning efficiency of the prototype as well
as a commercial harvester sugar cane cleaning chamber. The tests demonstrated that a
fluidized bed cleaning chamber showed better efficiency when harvesting green cane of the
MY 55 – 14 variety.
Key words: fluidized bed, drag force, green harvest.
Contenido
Página Lista de figuras....................................................................................................... i
Lista de tablas ....................................................................................................... v
Nomenclatura .......................................................................................................vii
Introducción...........................................................................................................xi
Capítulo I. Antecedentes en el proceso de cosecha de caña de azúcar .......... 1
1.1 Introducción .............................................................................................. 1
1.2 Antecedentes históricos ............................................................................ 2
1.3 Bibliografía .............................................................................................. 10
Capítulo II. Bases teóricas: Separación de sólidos, fuerza de arrastre y fluidización........................................................................................................... 13
2.1 Introducción ............................................................................................ 13
2.2 Objetivo de la separación de sólidos....................................................... 13
2.3 Fuerza y coeficiente de arrastre.............................................................. 15
2.4 Fluidización ............................................................................................. 19
2.5 Bibliografía .............................................................................................. 26
Capítulo III. Diseño y desarrollo del prototipo .................................................. 27
3.1 Introducción ............................................................................................ 27
3.2 Consideraciones de diseño..................................................................... 27
3.3 La caña de azúcar................................................................................... 29
3.4 Cálculo del lecho fluidizado..................................................................... 32
3.4.1 Selección de los ventiladores .......................................................... 36
3.5 Diseño: sistema mecánico del prototipo.................................................. 37
3.5.1 Estructura mecánica ........................................................................ 38
3.5.2 Sistema de transportación ............................................................... 38
3.5.3 Sistema de Transmisión de la potencia ........................................... 40
3.5.4 Selección de rodamientos................................................................ 42
3.5.5 Sistema de lecho fluidizado ............................................................. 42
3.6 Sistema de control del prototipo.............................................................. 45
3.6.1 Control difuso................................................................................... 45
3.6.2 Instrumentación electrónica ............................................................. 47
3.6.3 Control de velocidad en lazo abierto................................................ 47
Contenido
Página
3.7 Bibliografía .............................................................................................. 49
Capítulo IV. Pruebas y resultados del prototipo............................................... 51
4.1 Introducción ............................................................................................ 51
4.2 Obtención del coeficiente y fuerza de arrastre........................................ 51
4.3 Condiciones de pruebas ......................................................................... 54
4.4 Eficiencia del prototipo. ........................................................................... 55
4.5 Eficiencia de máquinas cosechadoras comerciales ................................ 61
4.6 Relación costo – beneficio de la cámara de separación de lecho
fluidizado…… .................................................................................................... 67
4.7 Extrapolación del prototipo...................................................................... 68
4.8 Bibliografía .............................................................................................. 70
Capítulo V. Conclusiones y trabajos futuros .................................................... 71
5.1 Conclusiones .......................................................................................... 71
5.2 Mejoras y trabajos futuros....................................................................... 73
Anexo A. Calibración de galgas extensométricas ................................................. 75
Anexo B. Curvas de fuerza y coeficiente de arrastre ............................................ 79
Anexo C. Interfaz gráfica para la regulación de velocidad del ventilador ............. 93
Anexo D. Pruebas y resultados ............................................................................ 95
Anexo E. Planos mecánicos................................................................................ 101
i
Lista de figuras Figura Descripción Página 1.1
Máquina cosechadora de caña de azúcar. Elementos que
constituyen la máquina cosechadora.
3
1.2 Sensor acústico montado sobre extractor primario en una
máquina cosechadora.
5
1.3 Esquema tecnológico de las cosechadoras cubanas de caña
de azúcar KTP-1, KTP-2, KTP-2M, KTP-3S.
6
1.4 Secador de lecho fluidizado pulsante. 8
2.1 La esfera en una corriente de fluido mostrando el punto de
estancamiento en la superficie frontal y atrás.
16
2.2 Patrones característicos de flujo que pasa por un cilindro
circular a varios números de Reynolds.
16
2.3 Coeficiente de arrastre para esferas y cilindros. 17
2.4 Coeficientes de arrastre para cilindros elípticos y estructuras. 18
2.5 Lecho fluidizado típico. 21
2.6 Dependencia entre la caída de presión del fluido y su
velocidad en un lecho fluidizado.
21
2.7 Dependencia entre la porosidad de un lecho fluidizado y la
velocidad del fluido.
22
3.1 Diseño conceptual. 28
3.2 Principio de Arquímedes. 33
3.3 Dimensiones promedio de diámetro y longitud para las
variedades MY 55-14, CP 72-2086 y MEX 69-290.
34
3.4 Elementos que constituyen la caña de azúcar. 34
3.5 Sistema estructural. 38
3.6 Banda metálica. 39
3.7 Motorreductor necesario para la transmisión de la potencia. 39
3.8 Sistema de transportación. 40
3.9 Sistema de transmisión de potencia: Poleas y banda. 41
Lista de figuras Figura Descripción Página
ii
3.10 Diagrama de cuerpo libre y reacciones en los rodamientos. 42
3.11 Ventiladores. 43
3.12 Vista isométrica de la cámara de limpieza. 44
3.13 Vista lateral izquierda de la cámara de limpieza, en ésta se
observan los ventiladores.
44
3.14 Enlace de los sistemas de transportación, transmisión de
potencia y ventiladores montados sobre la estructura.
44
3.15 Sistema de sensado. 45
3.16 Esquema del principio de los sensores. 46
3.17 Esquema general de un sistema de control de lógica difusa. 46
3.18 Diagrama a bloques del control de velocidad en lazo abierto
para el ventilador en la segunda etapa de limpieza.
48
3.19 Interfaz gráfica para variar la velocidad del ventilador en
segunda etapa de limpieza.
48
4.1 Banco de pruebas galgas extensométricas. 52
4.2 Curvas de fuerza de arrastre contra presión en un tallo de la
variedad MY 55-14.
52
4.3 Secciones sobre las cuales se aplicó el flujo de aire para cada
elemento: tallo, punta y cepa.
53
4.4 Curvas de coeficiente de arrastre contra número de Reynolds
en un tallo de caña MY 55-14.
54
4.5 Eficiencia de la cámara de separación. Materia vegetal con
10% de impurezas.
56
4.6 Impurezas después de la cámara de separación. Materia
vegetal con 10% de impurezas.
56
4.7 Tallo moledero a la entrada y salida de la cámara de
separación. Materia vegetal con 10% de impurezas.
57
Lista de figuras Figura Descripción Página
iii
4.8 Impurezas a la entrada y salida de la cámara de separación
contra velocidad de ventilador. 10% de impurezas.
57
4.9 Eficiencia de limpieza: del prototipo y de las cosechadoras. 65
iv
Página en blanco intencionalmente.
v
Lista de tablas Tabla Descripción Página 3.1 Características de la variedad MY 55 – 14. 30
3.2 Características de la variedad MEX 69 – 290. 31
3.3 Características de la variedad CP 72– 2086. 32
3.4 Densidad de punta, tallo moledero y cepa. 33
3.5 Valores de velocidad y Re para los puntos crítico y de trabajo
para un valor de kw de 2. Estos valores corresponden a la
variedad MY 55-14.
35
3.6 Valores de velocidad y Re para los puntos crítico y de trabajo
para un valor de kw de 2. Estos valores corresponden a la
variedad MEX 69290.
35
3.7 Valores de velocidad y Re para los puntos crítico y de trabajo
para un valor de kw de 2. Estos valores corresponden a la
variedad CP 722086.
36
3.8 Descripción de los elementos estructurales. 38
3.9 Descripción de los elementos del sistema de transportación. 40
3.10 Descripción de los elementos del sistema de transmisión de
potencia.
41
3.11 Descripción de los ventiladores. 43
3.12 Pruebas de velocidad del fluido en las etapas de limpieza. 43
4.1 Coeficiente y fuerza de arrastre contra número de Reynolds
en un tallo MY 55-14.
53
4.2 Pruebas que se realizaron con variedad de caña de azúcar
MY 55-14, al variar la velocidad del ventilador y el porcentaje
de impurezas.
55
4.3 Eficiencia del prototipo. 58
4.4 Porcentaje de impurezas presentes en la salida del
prototipo.
58
Lista de tablas Tabla Descripción Página
vi
4.5 Pérdidas de tallo moledero en el prototipo. 59
4.6 Velocidad del aire – Fuerza de arrastre en tallo de la
variedad de caña de azúcar MY 55-14.
59
4.7 Velocidad del aire – Fuerza de arrastre en una punta de la
variedad de caña de azúcar MY 55-14.
60
4.8 Velocidad del aire – Fuerza de arrastre en una raíz de la
variedad de caña de azúcar MY 55-14.
61
4.9 Porcentaje de materia vegetal entrante a las cámaras de
limpieza de las máquinas cosechadoras comerciales.
62
4.10 Porcentaje de eficiencia del prototipo a diversas velocidades
del ventilador, al presentar el 18% de impurezas entrantes.
62
4.11 Porcentaje de materia vegetal presente a la salida tanto de la
cámara de limpieza de la máquina cosechadora CAMECO®
como a la salida del prototipo.
63
4.12 Porcentajes de materia vegetal presente tanto a la salida de
la cámara de limpieza de la máquina cosechadora CLASS®
1003 como a la salida del prototipo.
64
4.13 Porcentajes de materia vegetal presente tanto a la salida de
la cámara de limpieza de la máquina cosechadora CLASS®
1003 como a la salida del prototipo.
66
4.14 Comparativa entre la eficiencia del prototipo bajo distintas
cantidades de impureza entrante y la eficiencia de máquinas
cosechadoras comerciales.
67
4.15 Datos de la zafra 2005-2006 en el ingenio Emiliano Zapata,
ubicado en Zacatepec, Morelos.
68
vii
Nomenclatura
Símbolo Descripción A Área del cuerpo.
Ar Número de Arquímedes.
CD Coeficiente de arrastre.
CL Coeficiente de suspensión.
1d Diámetro de polea menor.
Dp Diámetro de partícula esférica.
eDp Diámetro equivalente de partícula.
f Coeficiente de corrección en transmisión por banda.
FD Fuerza de arrastre.
FL Fuerza de sustentación.
g Gravedad.
ho Altura del lecho fijo.
tK Factor de corrección de temperatura ambiente.
Kw Número de fluidización.
UK Factor por razón de transmisión.
xK Factor de fricción a causa de los rodillos.
yK Factor para determinar la fuerza de la banda y la carga de
flexión de ésta sobre los rodillos.
43, 21 kkkk y, Factores empíricos evaluables.
L Longitud del transportador.
m Masa del lecho.
n' Relación de velocidad con respecto a n1.
1n Frecuencia de rotación de la polea menor.
N Potencia a transmitir.
1N Potencia a transmitir por correa.
•
Q Flujo másico.
Nomenclatura Símbolo Descripción
viii
Re Número de Reynolds.
oRe Número de Reynolds de trabajo.
ocRe Número de Reynolds crítico.
acT Tensión a causa de los accesorios.
amT Tensión a causa de la aceleración del material.
eT Tensión banda transportadora.
pT Tensión entre la polea y la banda.
v Velocidad fluido.
tv Velocidad tangencial banda transportadora.
V Volumen.
hV Volumen hueco.
Vo Velocidad de trabajo.
Voc Velocidad crítica.
sV Volumen sólido.
bw Peso lineal de la banda.
mw Peso lineal del material a transportar.
x Porcentaje de velocidad del ventilador. y Eficiencia de la cámara de separación.
1y Porcentaje de impurezas después de la cámara de separación.
β Relación entre el diámetro de los agujeros de la parrilla y el
diámetro de la misma.
f∆P Diferencia de presión del fluido.
ε Porosidad.
oε Porosidad del lecho fijo.
Nomenclatura Símbolo Descripción
ix
φ Diámetro.
ϕ Relación entre el área efectiva de la parrilla y su área total.
µ Viscosidad del fluido. ρ Densidad fluido.
aρ Densidad aparente.
pρ Densidad de una partícula aislada.
υ Viscosidad dinámica del fluido. ψ Esfericidad de partículas.
x
Página en blanco intencionalmente.
Introducción
xi
Introducción. La cámara de limpieza ó separación en las máquinas cosechadoras de caña de
azúcar utiliza un sistema de succión a base de ventiladores. Estos generan la
fuerza necesaria para eliminar la materia no deseada como: punta, raíz ó cepa y
follaje, mientras el tallo moledero se lleva hasta un contenedor. Si la fuerza de
succión es mayor al peso del tallo moledero provoca pérdidas de trozos de caña.
Por el contrario si la fuerza de succión es menor al peso de la materia no deseada,
la separación no es satisfactoria y por tanto los índices de impurezas se
incrementan. El exceso de impurezas incrementa los costos de cosecha,
transporte y molienda, además de reducir la calidad del producto final, el azúcar
[1].
Las investigaciones que varios autores realizaron con el interés de mejorar el
desempeño de las máquinas cosechadoras enfocan su desarrollo en la cámara de
limpieza. En Cuba [2] aprovecharon el flujo de aire de un extractor axial e
incorporaron baterías de tambores, para dispersar la materia vegetal y procesarla
de forma continua bajo cualquier alimentación. De ésta manera realizaron un
excelente trabajo de expulsión de las impurezas. En Cuba [3] disminuyeron el
número de partes móviles para reducir el peso de los equipos y el consumo de
potencia, además utilizaron un flujo de aire en torbellino ascendente para
estabilizar los índices de limpieza al cosechar en verde.
La forma más común de generar el flujo de aire en las máquinas cosechadoras es
a través de extractores que se ubican en la parte superior de la cámara de
separación. Sin embargo, las cámaras de limpieza con mejores resultados son
aquellas que utilizan un flujo de aire ascendente. Los sistemas de lecho fluidizado
se utilizan para separar sólidos por medio de un flujo ascendente a través de un
lecho de partículas. En [4] se determinó que entre ciertos límites de velocidades
de gas es posible que el lecho fluidizado se mantenga y se desarrolle. Un claro
ejemplo de la aplicación del lecho fluidizado se presenta en el secado de granos.
Introducción
xii
Los sistemas de lecho fluidizado se utilizan en la industria para rompimientos
catalíticos, generación de energía y en procesos minerales. En el presente trabajo
se muestra el diseño de una cámara de limpieza de caña de azúcar bajo el
concepto de lecho fluidizado, la cual hipotéticamente mejorará la calidad de
limpieza de la caña de azúcar.
La investigación se desarrolla en 5 capítulos. El capítulo 1 presenta las
investigaciones relevantes concernientes a la cámara de separación. El capítulo 2
describe los conceptos y bases teóricas: fuerza y coeficiente de arrastre y el
proceso de fluidización, que son los fundamentos de la investigación. El diseño del
prototipo y los parámetros que lo rigen se presentan en el capítulo 3, así como la
construcción del prototipo. El capítulo 4 describe las pruebas que se realizaron al
prototipo de la cámara de separación para determinar su eficiencia. Este capítulo
muestra los resultados al utilizar la variedad de caña de azúcar MY 5514, además
presenta una comparativa entre la eficiencia del prototipo y las cámaras de
separación de cosechadoras comerciales para la misma variedad de caña de
azúcar. Con base en estas condiciones, se obtienen eficiencias entre 87.5% y
97.2%. El capítulo 5 muestra las conclusiones al utilizar un sistema de lecho
fluidizado en el proceso de limpieza de caña de azúcar; así como, las sugerencias
de trabajos futuros dirigidos a complementar este trabajo.
Introducción
xiii
Bibliografía. [1] Baerdemaeker, J., A. Munack, et al. 2001. “Mechatronic Systems,
Communication, and Control in Precision Agriculture.” IEEE Control Systems
Magazine 21(5).
[2]Peralta, Abreu y Urioste, Alejandro 1977.
http://www.ocpi.cu/doc/1982/t34526.pdf., Consultada en mayo de 2005 .
[3] León, Noe y Abreu, Jorge 1982. http://www.ocpi.cu/doc/1982/t34240.pdf., Consultada en mayo de 2005 .
[4] Valaboju, Srinivasa, 2004. “Real Time Modeling and Control of Circulating
Fluidized Bed”.
http://ieeexplore.ieee.org/iel5/9080/28813/01295617.pdf?tp=&arnumber=1295617
&isnumber=28813. Consultada en Agosto de 2005.
Introducción
xiv
Página en blanco intencionalmente
Capítulo I Antecedentes
1 Cenidet
Capítulo I. Antecedentes en el proceso de cosecha de caña de
azúcar 1.1 Introducción
La caña de azúcar es una planta que se constituye de manera básica por tallo,
punta ó cogollo, raíz ó cepa y hojas. El primero de éstos es el que contiene la
mayor cantidad de sacarosa. Su origen exacto se desconoce sin embargo, se
considera que fue en el archipiélago de Melanesia en Nueva Guinea, 8000 a
15000 años antes de Cristo, donde se inicia su difusión [1 y 2].
La cosecha de caña de azúcar se lleva a cabo de forma manual o mecanizada,
cuando la planta alcanza su madurez óptima y máxima humedad. Este proceso
consiste de manera general en el corte, alza y transporte de la materia vegetal. En
la cosecha manual ó semimecanizada el corte se hace con un machete y el alza
se lleva a cabo con máquinas alzadoras. Sin embargo, la cosecha mecanizada se
realiza con máquinas cosechadoras que requieren de terrenos adaptados, para
que el proceso de cosecha sea eficiente y rentable. La calidad de la caña que se
cosecha se condiciona por la quema del plantío, la buena operación de las
cuchillas cortadoras y la variedad de caña. Estas máquinas realizan el trabajo de
100 hombres al día, cortan la caña, la limpian, la alzan y dejan caer en los
camiones de transporte los cuales la llevan a fábrica, [3].
En la actualidad los procesos de cultivo y cosecha de caña de azúcar se orientan
a aumentar la producción a menor costo, en la conservación del suelo y el medio
ambiente [2]. Las máquinas cosechadoras requieren menor mano de obra para
cosechar, son más eficientes, ofrecen seguridad en la cosecha de caña, no son
selectivas con las condiciones de la caña y permiten cosechar caña sin quemar.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 2
La cosecha mecanizada es más económica que la cosecha manual, sin embargo
requieren de fuertes inversiones para equipos, talleres y mano de obra
especializada, así como adecuación del campo [3]. Las máquinas cosechadoras
de caña de azúcar cuentan con una cámara de limpieza que tiene como objetivo
eliminar la materia vegetal no deseada: hoja, punta y raíz ó cepa durante el
proceso de cosecha.
1.2 Antecedentes históricos
La cosecha de la caña azúcar mediante la quema del follaje representó el único
método de cosecha. Este método genera contaminación severa en el ambiente.
Sin embargo, varios países aún practican esta técnica de manera frecuente. El
inicio de la cosecha mecanizada en verde y la aparición de las primeras máquinas
cosechadoras mejoraron el proceso de cosecha de caña de azúcar [3]. Los
beneficios que aporta esta práctica son:
Evitar la quema previa del plantío.
Disminuir la contaminación ambiental.
Al evitar la quema se disminuye la erosión de los suelos, por lo que
se mejora la estructura de estos y su fertilidad, además de reducir los
requerimientos de agua y herbicidas.
Reducir las pérdidas de sacarosa en caña. Existen pérdidas del 8% a
las 24 hr y 15% a las 48 hr después de quemar el follaje de caña azúcar.
Incrementar la rapidez de cosecha.
Reducir el esfuerzo.
En la figura 1.1, se muestran las bandas de transportación, el picador, el
despuntador, los discos de corte, el sinfín divisor, los tambores alimentadores, los
rodillos para derribar y la cámara de limpieza. Estos son los elementos de una
máquina cosechadora de caña de azúcar. Cuando la máquina cosechadora se
Capítulo I Antecedentes
3 Cenidet
desplaza entre el plantío, el despuntador ó cortador de cogollos elimina la punta,
los sinfines divisores levantan la caña acamada y los rodillos de derribo la inclinan,
para que los discos inferiores la corten. Los tambores alimentadores llevan la caña
al picador y la seccionan en trozos, que son dirigidos hacia la primera etapa de
limpieza de la cámara de separación. La diferencia de peso entre el tallo moledero
y el resto de la materia vegetal permite que el extractor elimine los elementos
ligeros. La materia vegetal se traslada a una segunda etapa de limpieza por medio
del transportador, para ser vertida finalmente en camiones que la transportan al
ingenio.
Figura 1.1 Máquina cosechadora de caña de azúcar cubana y los elementos que la constituyen
[7].
La cámara de limpieza tiene como objetivo separar las impurezas del tallo
moledero, este sistema lleva los trozos de tallo moledero hasta un contenedor
mientras la materia extraña cae al suelo. La separación se realiza por la diferencia
de pesos entre los elementos involucrados en la cosecha y utiliza un sistema
neumático de succión que se basa en extractores. El porcentaje de materia no
deseada es un indicador de la calidad del producto después del corte. Si la fuerza
de succión que generan los extractores no es suficiente, los índices de impurezas
aumentan y los costos de cosecha, transporte y molienda se incrementan. Por otro
lado si la fuerza de succión se excede provoca pérdidas económicas al eliminar
EXTRACTOR PRIMARIO
RODILLO DE DERRIBO
SINFINES DIVISORES
CORTA COGOLLOS
DISCO DE CORTE INFERIOR
EXTRACTOR SECUNDARIO
TAMBORES ALIMENTADORES
PICADOR
TRANSPORTADOR
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 4
tallo moledero. En esta sección se presentan algunos estudios enfocados a la
mejora de la cámara de limpieza y a los sistemas de lecho fluidizado.
En Cuba [4] realizaron una investigación con el fin de mejorar la cámara de
limpieza de las máquinas cosechadoras de caña de azúcar. Los autores
aprovecharon el flujo de aire de un extractor axial e incorporaron baterías de
tambores dispersores situados con cierta inclinación, de manera que su cámara de
limpieza era capaz de succionar y expulsar la materia vegetal no deseada.
Con sus aportaciones en el diseño de la cámara de limpieza permitieron un
procesamiento continuo del volumen de masa vegetal bajo cualquier alimentación
y lograron mayor eficiencia de cosecha, en comparación con los sistemas de esa
época. La cámara de limpieza estaba cerrada en su parte superior y lateral pero
disponía de una ventana enrejillada a lo largo del tambor dispersor en la parte
inferior. En la parte inferior se aspiraba aire que pasaba a través de la masa
vegetal en dispersión, de ésta manera se realizó un excelente trabajo de expulsión
de las impurezas.
Diseñadores cubanos [5] disminuyeron el número de partes móviles y sintetizaron
los órganos de trabajo para trasbordo y limpieza en un solo elemento. Lograron
disminuir el peso de los equipos y el consumo de potencia, así como estabilizar los
índices de limpieza donde manejaron un alto flujo de masa vegetal sin quemar.
Además, sustituyeron la cámara de limpieza por un transportador limpiador
neumático con un túnel donde se introducía la masa vegetal picada y situaron la
entrada del túnel después del órgano picador, de tal forma que la dirección del
túnel se aproximara a la dirección en que eran lanzados los trozos de caña por el
picador. Así aprovecharon el impulso que adquiría la masa vegetal como impulso
inicial para su transporte.
Por otro lado, con un ventilador de gran caudal y mediana presión en el extremo
inferior del túnel generaron una fuerte corriente de aire que movía la masa vegetal
Capítulo I Antecedentes
5 Cenidet
dentro del mismo. Al final del túnel con un separador limpiador cilíndrico separaron
el tallo moledero de la materia no deseada, a causa de un flujo de aire en
torbellino ascendente con velocidad menor que la existente en el túnel. Este flujo
se generó porque el túnel desembocaba tangencialmente en el cuerpo cilíndrico
del separador y en un ángulo hacia arriba con respecto a la horizontal, [5].
En la Universidad de Queensland, Australia [6] desarrollaron un sistema de
limpieza de caña de azúcar, donde su principal aportación consistió en incorporar
un sensor acústico en una de las aspas del ventilador primario, con el cual se
determinó la cantidad de tallos que impactaban contra las aspas. Con éste sistema
a medida que el sensor detectaba mayor cantidad de impactos de tallo,
incrementaron la velocidad del ventilador, y viceversa. La figura 1.2 muestra el
sensor acústico que se montó sobre una de las aspas del extractor.
Figura 1.2 Sensor acústico montado sobre extractor primario en una máquina cosechadora [6].
En un estudio cubano [7] se desarrolló una investigación teórico-experimental,
donde compararon el desempeño de las cámaras de limpieza de las cosechadoras
KTP1 y KTP2. El objetivo fue aumentar la eficiencia de la cámara de limpieza y
disminuir las pérdidas de caña por expulsión en los ventiladores. Calcularon la
trayectoria de las partículas que se sometieron a la acción de una corriente de aire
inclinada – horizontal. Para alcanzar su objetivo, determinaron los parámetros
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 6
principales de trabajo de las cámaras de limpieza y obtuvieron un modelo
matemático que permitió establecer criterios para el diseño de cámaras de
limpieza semejante a las utilizadas en las cosechadoras KTP. Además
fundamentaron la posibilidad de utilizar las técnicas de simulación por
computadora en el estudio de las cámaras de limpiezas de las cosechadoras
cañeras tipo KTP.
Evaluaron experimentalmente la eficiencia de las cosechadoras mediante técnicas
de simulación por computadora. Los resultados de la investigación, mostraron que
las cosechadoras tipo KTP-2 presentaron eficiencias del 64.25% contra el 57.75%
del tipo KTP-1. La figura 1.3 muestra un esquema de las cosechadoras cubanas
KTP, en ella se observan los principales sistemas que la componen, tales como la
sección receptora y de descarga, órgano picador, transportador, ventiladores y
cámara de limpieza.
1.- SECCIÓN RECEPTORA 5.- CÁMARA DE LIMPIEZA
2.- Órgano picador 6.- Transportador de Descargo
3.- Transportadores 7.- Motor
4.- Ventiladores
Figura 1.3 Esquema de las cosechadoras cubanas de caña de azúcar KTP-1, KTP-2, KTP-2M,
KTP-3S [7].
Los estudios que se realizaron en torno a la cámara de separación lograron
evolucionar el proceso de cosecha de caña de azúcar. Sin embargo, la eficiencia
de los sistemas restantes y la experiencia del operador afectan la eficiencia de la
cámara de limpieza.
Capítulo I Antecedentes
7 Cenidet
Por otro lado, El proceso de fluidización se usó por primera vez en 1921 para
gasificar carbones de pequeña granulometría. Los sistemas de lecho fluidizado se
difundieron en la industria química y encontraron aplicación para forzar reacciones
químicas, crear atmósferas adecuadas en la generación de microorganismos,
tratamiento de lodos, así como en el secado de granos para la industria agrícola.
Desde los años 50`s el lecho fluidizado se utiliza como técnica en la metalurgia
para dar un tratamiento térmico a los metales y para alimentar el calor necesario y
generar vapor en la industrial manufacturera [8, 9, 10, 11,12, 13].
La industria emplea principalmente 2 tipos de lecho fluidizado, el circulante y el
pulsante. El lecho fluidizado circulante ó CFB por sus siglas en ingles es uno de
los sistemas no lineales más complejos. Este se utiliza en diversos campos
industriales para rompimientos catalíticos, generación de energía y en otros
procesos minerales. Al compararlo con el lecho fluidizado convencional, el CFB
tiene la ventaja de presentar mejor contacto interfacial. El método CFB es
relativamente nuevo para forzar reacciones químicas en las industrias petrolera y
química, [9].
Los lechos fluidizados pulsantes por ser de los más empleados industrialmente ha
sido el foco de diversas investigaciones, en las cuales se ha determinado que
entre ciertos límites de velocidades del flujo ascendente que pasa a través de
partículas sólidas es posible que el lecho fluidizado se mantenga y se desarrolle.
Un lecho fluidizado bajo éstas condiciones recibe el nombre de lecho fluidizado
pulsante. Este se expande mientras existan pulsos de gas y se contrae en el
intervalo de tiempo en el que el gas deja de circular, permite manejar frecuencias
de 0.5, 1 y 1.5 Hz y diámetros de columna variable por ejemplo de 0.056, 0.201m.
Con base en [9], las ventajas de lecho fluidizado pulsante son:
a) Capacidad de usar mayores tamaños de partículas.
b) Mejor contacto sólido gas.
c) Mejora la transferencia de masa y calor.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 8
d) Permite mayores flujos de gas, especialmente para partículas
pequeñas.
Un ejemplo de la aplicación del sistema de lecho fluidizado pulsante se presenta
en el proceso de secar grano y otras partículas. En este lecho el flujo de aire
elimina la humedad de los granos y separa los elementos secos de los húmedos.
En la figura 1.4 se muestra un lecho fluidizado pulsante típico, para el secado de
partículas de zanahoria, donde los pulsos se obtienen por la rotación de la válvula
de mariposa.
Figura 1.4 Secador de lecho fluidizado pulsante [14].
Con base en lo anterior, se concluye que la cámara de limpieza es un elemento
importante de las máquinas cosechadoras, a causa de la función que realiza. Sin
embargo el problema principal es controlar el flujo de aire que determina la fuerza
necesaria para separar en forma eficiente las impurezas de la caña de azúcar.
Una cámara de limpieza eficiente representa mejor desempeño de la maquinaria
en el proceso de cosecha, mayor competitividad y crecimiento, utilidades para la
empresa y en el mejor de los casos estos beneficios se reflejan en la economía y
el desarrollo sustentable del área.
Los sistemas desarrollado en [4 y 5] presentan característica que mejoraron el
proceso de cosecha en verde de caña de azúcar, al dispersar la materia vegetal y
flujos de aire ascendentes para manejar materia vegetal de forma continua. Y por
otro lado los sistemas de lecho fluidizado permiten separar ó clasificar sólidos con
base en la velocidad del fluido. Por tanto, se concluye que para procesar materia
Capítulo I Antecedentes
9 Cenidet
vegetal de forma continua es recomendable utilizar un sistema de transportación a
base de rodillos y bandas transportadoras, así como, corrientes de fluido en forma
ascendente. Además, es posible reducir la cantidad de impurezas al contar con
una segunda etapa de limpieza, esto evita que la materia extraña atrapada entre el
tallo moledero llegue a los camiones de carga. Al tener en cuenta lo anterior se
puede formular la hipótesis de que es posible utilizar un sistema de lecho
fluidizado para la limpieza de caña de azúcar y aumentar la eficiencia de la
cámara de separación.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 10
1.3 Bibliografía [1] Chávez, Marcos, 1999, “Nutrición y fertilización de la caña de azúcar en Costa
Rica”, XI Congreso Nacional Agrónomo / III congreso Nacional de Suelos.
http://www.mag.go.cr/congreso_agronomico_XI/a50-6907-III_193.pdf. Consultada
el 16 de Noviembre de 2006.
[2] Sánchez, Tibayde, 2004, “Caña de azúcar”, Universidad Central de
Venezuela, Facultad de Agronomía, Instituto de Agronomía,
http://espanol.geocities.com/cultivosuno/tema_1.zip. Consultada en Noviembre de
2006.
[3] Baerdemaeker, J., A. Munack. 2001. “Mechatronic Systems, Communication,
and Control in Precision Agriculture.” IEEE Control Systems Magazine 21(5).
[4]Peralta, Abreu y Urioste, Alejandro 1977.
http://www.ocpi.cu/doc/1982/t34526.pdf., Consultada en mayo de 2005 .
[5] León, Noe y Abreu, Jorge 1982. http://www.ocpi.cu/doc/1982/t34240.pdf., Consultada en mayo de 2005 .
[6] Billingsley, John y Harris, Harry . Universidad de Queensland. http://www.ncea.org.au/Onfarm/CaneLossMonitor/acoustic_signals_from_cane_bill
e.htm., Consultada en julio de 2005 .
[7]Martínez, Arturo, Gómez, Alfredo y Martínez, Carlos 2004. http://www.infoagro.com/maquinaria/limpieza_cosechadoras.asp, Consultada en
mayo de 2005 .
[8] Rosabal, Julio y Valle, Manuel 1998. “Hidrodinámica y separaciones
mecánicas tomo II”. Instituto Politécnico Nacional (México). Ministerio de
educación superior (Cuba).
[9] Valaboju, Srinivasa, 2004. “Real Time Modeling and Control of Circulating
Fluidized Bed”.
http://ieeexplore.ieee.org/iel5/9080/28813/01295617.pdf?tp=&arnumber=1295617
&isnumber=28813. Consultada en Agosto de 2005.
Capítulo I Antecedentes
11 Cenidet
[10] Pozos, Miguel 1987. Tesis de licenciatura: “Estudio experimental sobre
transferencia de calor en un lecho fluidizado vertical sólido-líquido”. Universidad
Veracruzana.
[11] Peralta, Javier. 1991. Tesis de licenciatura: “Remoción de sílice de salmuera
geotérmica por medio de lecho fluidizado”. Universidad Autónoma del Estado de
Morelos.
[12] De la Cruz Gómez Carlos 1985. Tesis de doctorado: “Estudio de los
fenómenos de transporte en la reacción de tostación del Cinabrio en un reactor de
lecho fluidizado”. Escuela técnica superior de ingenieros industriales, Universidad
politécnica de Madrid.
[13] Kobayashi, M., 1970. “Pulsed-Bed approach to fluidization”. Chemical
Engineering Progress Symposium Series 105: Fluidization fundamentals and
application. Vol. 66.
[14] Reyes, A., Muñoz P. y Moyano P. http://dpi.eq.ufrj.br/ciaiq_22/CD/formCrCongreso/papers/01a/01a_281.pdf.
Consultada en noviembre de 2006.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 12
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Capítulo II Bases teóricas
13 Cenidet
Capítulo II. Bases teóricas: Separación de sólidos, fuerza de arrastre y
fluidización.
2.1 Introducción
La fuerza de arrastre es la principal fuerza presente en la separación de sólidos. Al
inyectar un fluido a través de un lecho de partículas, éstas experimentan una
fuerza en la dirección del movimiento del fluido. Sí la velocidad del fluido aumenta
de forma gradual, las partículas pueden presentar ligeros movimientos incluso
pueden ser arrastradas por el fluido, lo que resulta en la separación de sólidos. En
este capítulo se presentan los conceptos de fuerza de arrastre y fluidización,
presentes en la separación de sólidos.
2.2 Objetivo de la separación de sólidos
En la industria química y alimenticia se separan materiales sólidos con frecuencia
para preparar sustancias, forzar reacciones químicas ó incluso para retener
elementos no deseables. La separación de sólidos es la acción de separar
materiales sólidos y agruparlos de acuerdo al tamaño de las partículas, granos o
trozos. Este procedimiento es importante para el análisis físico de las partículas,
para el control de calidad de los productos, así como, en la eficiencia de
operaciones tales como la molienda [1].
Un conglomerado de partículas puede componerse por diferentes sólidos, granos
ó trozos que pueden presentar propiedades diferentes, como: densidad, dureza,
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 14
esfuerzo último y módulo de elasticidad. Sin embargo pueden presentar
propiedades comunes, esto a causa de su estado de agregación, tal como: la
densidad aparente, la porosidad y el coeficiente de fricción, [1].
La densidad de la partícula pρ se refiere a la densidad de una partícula aislada, la
cual depende de las propiedades del sólido. Ésta suele determinarse por diversos
métodos, como el principio de Arquímedes. La ecuación 2.1 muestra la expresión
de la densidad de la partícula:
sp V
m=ρ (2.1)
La densidad aparente aρ es la masa de material correspondiente a la unidad de
volumen ocupado por el mismo. Ésta siempre es menor que la densidad de la
partícula, esto a causa de los espacios entre las partículas que forman el
conglomerado. El volumen que ocupa el conglomerado de partículas es la suma
del volumen del sólido y el volumen del hueco [1], esto se muestra en la ecuación
2.3.
Vm
=ρa (2.2)
hs V+V=V (2.3)
La relación del volumen del hueco y el volumen total de la partícula se denomina
porosidad y esta representada por la ecuación 2.4:
VV
=ε h (2.4)
La porosidad y la densidad aparente dependen de la compactación del
conglomerado, es decir, de la presión externa que se ejerza sobre el
conglomerado. Si las partículas son pequeñas la porosidad se mantendrá casi
constante al aumentar la presión externa.
Capítulo II Bases teóricas
15 Cenidet
2.3 Fuerza y coeficiente de arrastre La fuerza de arrastre sobre una superficie lisa se define como la componente de
fuerza sobre un cuerpo que actúa paralela a la dirección de movimiento [2, 3, 4, y
5]. Un cuerpo en movimiento sumergido en un fluido experimenta fuerzas de
arrastre y sustentación por la acción del fluido. Estas fuerzas son las mismas sin
tomar en consideración si el cuerpo se mueve en el fluido ó el fluido se mueve
sobre el cuerpo. “El arrastre es la fuerza sobre un cuerpo provocado por un fluido
que resiste el movimiento en la dirección del recorrido del cuerpo” [5].
El arrastre tiene aplicación en el campo de la transportación, para determinar los
efectos de la resistencia del aire sobre: aviones, automóviles, trenes y camiones.
Estos sistemas deben contrarrestar la fuerza de arrastre que experimentan con la
fuerza propulsora que generan, [5]. En la ecuación 2.5 se muestra expresión de la
fuerza de arrastre:
2AρvCF
2D
D = (2.5)
Como se muestra en la ecuación 2.5, la fuerza de arrastre depende de: la
velocidad del fluido ó del cuerpo, el diámetro ó área del cuerpo, la viscosidad del
fluido, la densidad del fluido y de un factor de arrastre adimensional. El valor de
éste factor esta en función de la forma del cuerpo, el número de Reynolds, la
rugosidad de la superficie y la influencia de otros cuerpos o superficies en la
vecindad y se obtiene de forma experimental.
La figura 2.1 muestra una esfera sumergida en la corriente de un fluido, las líneas
de corriente muestran la trayectoria del fluido además del flujo alrededor de la
esfera, el punto s se conoce como punto de estancamiento y aquí el fluido se
encuentra en reposo. La presión en éste punto, es mayor a la presión estática en
el punto 1 ubicado en la corriente libre a causa de la presión dinámica. Si la
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 16
presión en el punto de estancamiento aumenta, se produce una fuerza sobre el
cuerpo que se opone a su movimiento [2, 3, 4 y 5].
Figura 2.1. La esfera en una corriente de fluido mostrando: el punto de estancamiento en la
superficie frontal y en la parte posterior la excitación turbulenta [5].
El fluido se adhiere a la superficie de un cuerpo cuando fluye alrededor de éste,
posteriormente la capa se desprende en un punto tal del cuerpo y provoca una
excitación turbulenta. La presión en la excitación es mas baja que en el punto de
estancamiento, por tanto se crea una fuerza que actúa en dirección opuesta al
movimiento del cuerpo, esta fuerza es la presión de arrastre. La figura 2.2 muestra
los patrones característicos de flujo que pasa por un cilindro a diferentes números
de Reynolds. Se observa que al aumentar el valor del número de Reynolds la capa
se desprende en diferentes puntos.
Figura 2.2 Patrones característicos de flujo que pasa por un cilindro circular a varios números de
Reynolds [4].
Capítulo II Bases teóricas
17 Cenidet
La figura 2.3 muestra valores de coeficiente de arrastre contra número de
Reynolds en esferas y cilindros dentro de fluidos viscosos. En la figura se observa
que el coeficiente de arrastre aumenta para valores bajos de Reynolds. Caso
contrario ocurren para valores altos de Reynolds, el coeficiente de arrastre
disminuye. El número de Reynolds es una relación de fuerzas inerciales y fuerzas
viscosas y viene dado por la ecuación 2.6:
υµρ vD
=vD
=Re (2.6)
Figura 2.3. Coeficiente de arrastre para esferas y cilindros [5].
Por otra parte, la figura 2.4 muestra valores de coeficiente de arrastre para
cuerpos de diferentes formas con números de Reynolds desde 3.0 X 104 hasta 2
X105, se observa que los cuerpos tienen una elipse como sección transversal con
diferentes relaciones de longitud y el coeficiente de arrastre disminuye
drásticamente para cilindros elípticos finos, [5].
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 18
Figura 2.4. Coeficientes de arrastre para cilindros elípticos [5].
Cuando una esfera cae en un fluido viscoso y no hay separación de la capa
adherida a la superficie del cuerpo y la capa permanece unida a la superficie. En
este caso el arrastre es a causa de la fricción más que a la presión de arrastre.
George G. Stokes encontró una relación para el coeficiente de arrastre y el
número de Reynolds cuando éste es menor 1.0. Esta relación, de acuerdo con [5],
esta dada por la ecuación 2.7:
vDρ24µ
=Re24
=CD (2.7)
Sustituyendo la ecuación 2.7 en la 2.5, la fuerza de arrastre es:
ρDvAµ12
=A2vρ
ρvDµ24
=F2
D (2.8)
Capítulo II Bases teóricas
19 Cenidet
2.4 Fluidización
La fluidización se define como un fenómeno ó estado que ocurre cuando se hace
pasar un fluido en forma ascendente por un lecho de partículas sólidas y éstas
adquieren las propiedades del fluido, como resultado de la suspensión de
partículas por fuerzas de arrastre ascendentes. [1,6], afirman que las partículas se
pueden fluidizar con: gas ó líquido. Los tipos de lecho fluidizado se clasifican en
[7]:
Fijo: pequeño flujo ascendente que pasa a través de espacios ó huecos
entre partículas inmóviles.
Expandido: aumenta el flujo y las partículas se mueven y comienza una
vibración pero en zonas restringidas.
Mínimo: al incrementar el flujo justo hasta que las partículas quedan
suspendidas y las fuerzas de fricción de las partículas y el fluido son iguales
al peso de la partícula.
Homogéneo ó líquido: se aumenta el flujo y presenta una gran
homogeneidad este lecho.
Gas- sólido: su comportamiento es diferente al de los líquidos, ya que el
lecho fluidizado de gas – sólido es muy inestable. Los sólidos llegan a ser
arrastrados con la corriente del fluido. Se le conoce también como lecho
fluidizado disperso ó diluido.
La fluidización incipiente: al aumentar la velocidad del flujo se alcanza el
punto donde la velocidad del fluido aplica suficiente fuerza para soportar
partículas.
En la presente investigación emplea un lecho fluidizado gas-sólido, ó lecho
fluidizado disperso, con comportamiento agregativo. El lecho fluidizado a altas
velocidades se comporta:
Fluidización particular: cada partícula actúa de manera independiente.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 20
Fluidización agregativa: las partículas forman pequeños paquetes y se
mueven juntos formando huecos y burbujas las cuales pasan a través del
lecho y éstas son arrastradas en el fluido.
Además existen factores que afectan la fluidización, [7]:
Densidad de la partícula.
Tamaño y distribución granulométrica de los sólidos.
Forma de entrada del fluido.
Tendencia de los sólidos a agruparse ó romperse.
Geometría del recipiente.
Forma esférica ó no de los sólidos.
Porosidad ε.
Si en un canal vertical se coloca una partícula sólida y se hace pasar una corriente
de fluido con una velocidad tal que provoque una fuerza de arrastre igual al peso
de la partícula inmersa en el fluido, la partícula quedará suspendida en la
corriente. Si el diámetro de la partícula es pequeño en comparación con el
diámetro del cilindro del lecho, ésta velocidad será igual a la caída de la partícula
en el seno del fluido y es llamada velocidad de arrastre, un aumento pequeño de
su valor provoca el arrastre de la partícula, porque las fuerzas de arrastre se
hacen superiores al peso de la misma. Si un conglomerado de partículas se coloca
y el fluido tiene una velocidad igual a la de caída, se obtendrá una capa de
partículas en que las mismas estarán suspendidas. El lecho fluidizado típico, como
se muestra en la figura 2.5, consiste de un cilindro vertical con su parte inferior
limitada por una parrilla, malla ó plancha perforada, [1].
Capítulo II Bases teóricas
21 Cenidet
Figura 2.5. Lecho fluidizado típico. 1cilindro vertical, 2 parrilla, 3 sólido fluidizado [1].
A medida que se aumenta la velocidad del fluido, referida al área transversal
horizontal del lecho, la diferencia de presión del fluido a través del lecho aumenta
y la porosidad sigue manteniendo su valor inicial 0ε . Esto se representa por la
línea AB en las figuras 2.6 y 2.7. A partir de la velocidad del punto A el cual es
característico para cada sistema, las partículas comienzan a agitarse en su
posición. Sin embargo, aún no comienza la fluidización, pues las fuerzas de
fricción estáticas de las paredes sobre el lecho comprimido en cierto grado por su
propio peso, además de las fricciones entre partículas, mantienen a éstas en su
sitio hasta alcanzar una diferencia de presiones que venza las fuerzas.
Figura 2.6 Dependencia entre la caída de presión del fluido y su velocidad en un lecho fluidizado
[1].
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 22
La diferencia de presiones en el punto C, que se muestra en la figura 2.7,
corresponde a la porosidad máxima que puede obtenerse en el lecho con las
partículas en contacto. Cuando la velocidad del fluido se incrementa aún más, las
partículas se separan y comienza la fluidización, observándose casi siempre una
disminución de presión que puede ser ligera si el lecho fijo no estaba muy
compacto. En el punto D la fuerza ejercida hacia arriba por el fluido se iguala al
peso aparente del lecho, la velocidad en éste punto se denomina velocidad
mínima de fluidización ó velocidad crítica Voc. Un aumento posterior en la
velocidad del fluido tiene el efecto de aumentar la altura del lecho y su porosidad,
manteniéndose la diferencia de presión del fluido aproximadamente constante. La
fluidización subsiste hasta que se llega a una velocidad superficial ua igual a la
velocidad de caída del cuerpo en el fluido ó velocidad de arrastre, entonces el
lecho se destruye por el transporte de las partículas fuera del sistema, siendo la
porosidad del lecho prácticamente igual a la unidad, ver punto E, [1]. La figura 2.8
análoga a la figura 2.7 muestra la dependencia entre la porosidad del lecho
fluidizado y la velocidad en el lecho.
Figura 2.7 Dependencia entre la porosidad de un lecho fluidizado y la velocidad del fluido [1].
Por otra parte, la velocidad crítica ó mínima de fluidización es un parámetro
fundamental en la operación de lechos fluidizados. Ésta se determina en
instalaciones experimentales aunque existen correlaciones para calcularla. La
Capítulo II Bases teóricas
23 Cenidet
velocidad mínima de fluidización se puede calcular si se conoce la caída de
presión del fluido a través de la capa, que debe ser igual al peso aparente de la
misma en el seno del líquido dividido entre el área transversal del lecho, [1].
ρ)g-p)(ρoε-1(oh=f∆P (2.9)
Donde ho -altura del lecho fijo antes de comenzar la fluidización; oε -porosidad del
lecho fijo; pρ -densidad de las partículas; ρ–densidad del fluido. Sustituyendo en la
ecuación de Ergun [1] y recordando que ρ∆=∑ fPF se obtiene:
ooc
o3o
2ocopoo h75.1
Re)1(150
DpV)1(g))(1(h
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
ψε−
ψεε−
=ρ
ρ−ρε− (2.10)
Donde:
µρ
= ococ
DpVRe (2.11)
Al multiplicar ambos miembros de la ecuación 2.10 por 223 µρDp y considerando
la esfericidad 1=ψ para partículas redondeadas se tiene:
23o
22oc
2
3o
oco2
p3
µερVDp
75.1+µε
ρDpV)ε-1(150=
µgρ)ρ-ρ(Dp
(2.12)
El miembro izquierdo de la ecuación 2.12 es el criterio de Arquímedes, esto se
muestra en la ecuación 2.13:
2oc3
ooc3
o
o Re75.1Re)1(
150Arε
+εε−
= (2.13)
Para régimen turbulento es posible encontrar el número de Reynolds crítico como:
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 24
75.1Arε
=Re3
0oc (2.14)
Sustituyendo la ecuación 2.14 en 2.13 y considerando la porosidad inicial 0ε =0.4,
se tiene la expresión de O. Todes para el cálculo de la velocidad crítica en lechos
fluidizados [1]:
Ar23.51406ArReoc
+= (2.15)
Para partículas no esféricas el valor de Dp de las ecuaciones 2.11 y 2.12 se debe
sustituir por:
Dp1Dpe ψ= (2.16)
Donde Dpe es el diámetro equivalente de las partículas en el lecho fluidizado; ψ
es la esfericidad de las partículas y Dp es el diámetro de una esfera del mismo
volumen que el diámetro de la partícula. A medida que aumenta la velocidad del
fluido aumenta la altura del lecho por encima del valor inicial ho, así como la
porosidad. La relación entre la porosidad y la altura del lecho viene dada por la
ecuación 2.17, la cual se obtiene al considerar constante la masa de partículas
presentes en el lecho y cualquier velocidad que se encuentre por debajo de la de
arrastre, [1].
)1(h)1(h oo ε−=ε− (2.17)
Y:
A)1(hm poo ρε−= (2.18)
Capítulo II Bases teóricas
25 Cenidet
En la industria se acostumbra a operar los lechos fluidizados en el rango de
75.055.0 −=ε . La ecuación 2.19 define el número de fluidización Kw como la
relación entre la velocidad de trabajo del fluido en el lecho fluidizado y la velocidad
mínima de fluidización:
oc
ow V
V=K (2.19)
Kw depende de las condiciones del sistema y en muchas ocasiones se determina
experimentalmente. El valor de Kw = 2 se encuentra en muchas ocasiones en
sistemas industriales. La velocidad de arrastre para la cual se destruye la capa
fluidizada debe corresponder a la velocidad de caída de las partículas en el seno
del fluido.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 26
2.5 Bibliografía [1] Rosabal, Julio y Valle, Manuel 1998. “Hidrodinámica y separaciones
mecánicas tomo II”. Instituto Politécnico Nacional (México). Ministerio de
educación superior (Cuba).
[2] Fox, Robert. y McDonald, Alan. 1995. “Introducción a la mecánica de fluidos”.
4ª edición. Ed. Mc. Graw Hill.
[3] Mataix, Claudio 1982, “Mecánica fluidos y máquinas hidráulicas” 2ª edición,
Ed. HARLA.
[4] Munson, Bruce R. y Young, Donald F. y Okiishi, Theodore H. 2003, “Fundamentos de mecánica de fluidos” 2ª edición. Ed. LIMUSA WILEY.
[5] Mott, Roberto L. 1996, “Mecánica de fluidos aplicada” 4ª edición, Ed.
PRENTICE HALL.
[6] Peralta, Javier. 1991. Tesis de licenciatura: “Remoción de sílice de salmuera
geotérmica por medio de lecho fluidizado”. Universidad Autónoma del Estado de
Morelos.
[7] Pozos, Miguel 1987. Tesis de licenciatura: “Estudio experimental sobre
transferencia de calor en un lecho fluidizado vertical sólido-líquido”. Universidad
Veracruzana.
[8] Rosabal, Julio y Garcell, Leonel 1998. “Hidrodinámica y separaciones
mecánicas tomo I”. Instituto Politécnico Nacional México. Ministerio de educación
superior (Cuba).
[9] Baerdemaeker, J., A. Munack,. 2001. “Mechatronic Systems, Communication,
and Control in Precision Agriculture.” IEEE Control Systems Magazine 21(5).
Capítulo III Diseño del prototipo
27 Cenidet
Capítulo III. Diseño y desarrollo del prototipo
3.1 Introducción
En éste capítulo se presentan las características físicas de la caña de azúcar que
se cosecha en el estado de Morelos, la descripción de los parámetros de diseño,
así como el procedimiento de diseño y la construcción del prototipo.
3.2 Consideraciones de diseño
Los parámetros principales que se consideran para el diseño de la cámara de
separación de lecho fluidizado son:
Variedad de caña de azúcar
Geometría y dimensiones del prototipo
El flujo másico de materia vegetal
Velocidad del flujo ascendente
Estos parámetros son la base del diseño del prototipo, donde es necesario
determinar propiedades físicas de la materia vegetal, para encontrar velocidades
de trabajo de lecho fluidizado.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 28
Por otro lado, las características generales de funcionamiento deseadas en el
prototipo son:
Generar un movimiento longitudinal continuo
Transportar la materia vegetal a través de las etapas de limpieza
Esparcir la materia vegetal para facilitar el proceso de separación de
impurezas
Direccionar la salida de las impurezas
Implementar un sistema de transmisión de potencia sencillo, económico y
eficiente
Regular la velocidad del ventilador de acuerdo con las necesidades de
cosecha
Con base en las características generales de funcionamiento, la figura 3.1 muestra
el diseño conceptual del prototipo, el cual será constituido por un sistema de
transportación a base de rodillos y bandas transportadoras (c). El sistema de
transmisión de potencia debe ser sencillo, económico y seguro, un sistema que
consiste en poleas y bandas trapezoidales tipo A (e) es el adecuado. Para generar
el flujo de aire ascendente se propone el uso de ventiladores axiales (a), y las
impurezas se direccionarán por medio de las tapas superiores (d) hacia los
costados del prototipo. Todos los elementos se montaran sobre una base
estructural (b).
1er etapa de separación (b) Estructura
de base
2da etapa de separación
(d) Tapassuperiores
(a) Ventilador
(a) Ventilador
(c) Banda transportadora (malla)
M
(e) Poleay banda
Figura 3.1 Diseño conceptual.
Capítulo III Diseño del prototipo
29 Cenidet
3.3 La caña de azúcar
El cultivo de caña de azúcar es importante para la economía de México, éste
genera más de 300 mil empleos permanentes. La superficie que se destina a esta
gramínea es alrededor de 535 mil hectáreas que se distribuyen en 15 entidades y
la producción se aproxima a 34.8 millones de toneladas de caña y 3.1 millones de
toneladas de azúcar, [1]. Lo que respecta al estado de Morelos, éste es
eminentemente agrícola, siendo uno de sus productos más representativos la
caña de azúcar, gramínea que se cultiva en 20 municipios del estado [2].
De la caña de azúcar se pueden obtener un gran número de productos y
subproductos industriales como azúcar en sus diferentes presentaciones, etanol,
ácido acético, glicerina, aldehídos, ésteres, metanol y otros. La producción de
azúcar en nuestro país está siendo afectada por la importación de grandes
cantidades de Centroamérica y de países de Sudamérica como Colombia, lo cual
repercute en la baja del precio y como consecuencia, en una depresión de la
economía de 15 estados de la república productores de caña de azúcar y de
alrededor de 12 millones de personas que dependen económicamente de este
cultivo. Por lo que si la industrialización de la caña de azúcar se complementa con
la producción de etanol a partir de ella, se podrá dar un fuerte impulso a la
economía dependiente del cultivo de la caña y se estarán disminuyendo tanto el
consumo de combustibles derivados de recursos no renovables como la
contaminación atmosférica [2]. El decaimiento del cultivo de caña en México se
evidencia en la falta de publicaciones en años recientes.
La caña de azúcar es uno de los principales cultivos que se realiza en el estado de
Morelos y sus rendimientos por hectárea son aceptables por contar con
maquinaría agrícola moderna. El área que ocupa éste cultivo se aproxima a las 18
mil hectáreas y los rendimientos medios son de 108 toneladas de caña y 10.5
toneladas de azúcar por hectárea. Uno de los factores que puede influir en la
superación de éste cultivo en el estado de Morelos es el empleo de máquinas
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 30
cosechadoras. Tres de las variedades de caña de azúcar que se cultivan en el
estado de Morelos son:
MAYARI 55 – 14 ó MY 55 – 14
MEX 69 – 290
CP 72 – 2086
La variedad MAYARI 55 – 14 ó MY 55 – 14 es de origen cubano. La tabla 3.1
muestra que ésta variedad es resistente al acame y tolerante a enfermedades
como la roya, el carbón y el barrenador, además presenta en promedio diámetro
de 0.029m y longitud de 2.8m.
Tabla 3.1. Características de la variedad MY 55 – 14 [1,3].
CARACTERÍSTICAS
País de origen Cuba
Progenitores CP 34 – 79 x B 45181
Altura (m) 2.80
Diámetro (m) Medio: 0.029
Despaje Regular
Fibra (%) 12.5
Sacarosa (%) jugo 17.79
Requerimientos de agua Tolerante
Resistencia al carbón Moderadamente tolerante
Resistencia a la roya Susceptible
Resistencia al barrenador Tolerante
Capítulo III Diseño del prototipo
31 Cenidet
Lo que respecta a la variedad MEX 69 – 290, esta es de origen mexicano es
resistente diversas enfermedades como la roya, el carbón y el barrenador. Esta
variedad contiene bajo contenido de fibra sin embargo, es sensible a la falta de
agua. Esto implica que en ocasiones la máquina cosechadora se hunda si el
terreno esta húmedo. Ver tabla 3.2.
Tabla 3.2. Características de la variedad MEX 69 – 290 [3].
CARACTERÍSTICAS
País de origen México
Progenitores Mex 56 – 476 x Mex 53 – 142
Despaje Regular
Fibra Bajo contenido
Sacarosa Alto contenido
Requerimientos de agua Susceptible
Resistencia al carbón Resistente
Resistencia a la roya Resistente
Resistencia al barrenador Resistente
Por último en la tabla 3.3 se muestran las características de la variedad CP 72 –
2086, donde se aprecia que es susceptible a la falta de agua. Por otro lado, ésta
es de maduración temprana y resistente al acame, la roya y al barrenador.
Además, contiene altos niveles de sacarosa y bajos niveles de fibra. A causa de
estas propiedades, es solicitada con frecuencia por los cañeros.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 32
Tabla 3.3. Características de la variedad CP 72– 2086 [3].
CARACTERÍSTICAS
Progenitores CP 62 - 374 x CP 63 – 588
Despaje Regular
Fibra Bajo contenido
Sacarosa Alto contenido
Requerimientos de agua Susceptible
Resistencia al carbón Resistente
Resistencia a la roya Resistente
Resistencia al barrenador Resistente
3.4 Cálculo del lecho fluidizado
Con base en la sección 2.4 se concluye que la velocidad del fluido en el sistema
de lecho fluidizado es la clave para que la separación se realice de forma eficiente.
La velocidad mínima de fluidización ó velocidad crítica Voc, y la velocidad de
trabajo Vo, están en función de la densidad del fluido y la partícula, así como del
diámetro de la partícula, la viscosidad del fluido y el área del lecho.
En la presente investigación se utiliza aire en el sistema de lecho fluidizado, por
tanto la densidad y viscosidad dinámica del fluido se determina a partir de tablas
establecidas en [4, 5 y 6]. La densidad de los elementos presentes en la cosecha
de caña de azúcar: punta, cepa y tallo se determina a través del principio de
Arquímedes. Como muestra la figura 3.2, éste principio determina el empuje que
provoca el sólido cuando se sumerge en un fluido, el cual es igual al peso del
fluido que se desalojó.
Capítulo III Diseño del prototipo
33 Cenidet
Figura 3.2 Principio de Arquímedes.
El método para determinar la densidad de los elementos consiste en pesar el
cuerpo y posteriormente sumergir el sólido en el agua y tomar la lectura del peso.
La relación entre estas lecturas multiplicadas por la densidad del agua determina
la densidad del cuerpo. Con base en este procedimiento, la tabla 3.4 muestra la
densidad de punta, cepa y tallo moledero para las variedades de caña MY 55 – 14,
CP 72 – 2086 y MEX 69 – 290.
Tabla 3.4. Densidad de punta, tallo moledero y cepa.
Densidad de caña ( 3mkg )
ELEMENTO MY 55 - 14 CP 72 - 2086 MEX 69 - 290
Tallo moledero 1096,96 1045,25 1066,00
Punta 771,17 795,50 815,35
Cepa o raíz 981,84 950,21 919,81
El peso, las características geométricas y dimensionales de las variedades de
caña de azúcar que se mencionaron en párrafos anteriores, se obtuvieron al
realizar un muestreo en campo. Este consistió en recolectar diversas muestras de
cada variedad y se registraron sus dimensiones, así como su peso. De manera
semejante, se recolectaron muestras de materia vegetal a la salida del picador en
la máquina cosechadora. La figura 3.3 muestra los resultados promedio de
diámetro y longitud de cada variedad.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 34
Figura 3.3. Dimensiones promedio de diámetro y longitud para las variedades MY 55-14,
CP 72-2086 y MEX 69-290 respectivamente.
La figura 3.4 muestra los diversos elementos que constituyen la caña de azúcar,
de los cuales la punta, la cepa y el follaje son impurezas y el elemento deseable
es el tallo.
Figura 3.4. Elementos que constituyen la caña de azúcar.
Capítulo III Diseño del prototipo
35 Cenidet
Con base en los conceptos que se establecieron en la sección 2.5 y los
parámetros de diseño se calcula la velocidad mínima de fluidización, así como la
velocidad de trabajo del lecho fluidizado. En la tabla 3.5 se muestra la relación que
existe entre el número de Arquímedes, el número de Reynolds y la velocidad. Se
muestra que la velocidad de trabajo para la variedad MY 55 – 14, es de 4.8 m/s
para punta, 6.5 m/s para tallo moledero, y 6.3 m/s para cepa.
Tabla 3.5. Valores de velocidad y Re para los puntos crítico y de trabajo para un valor de Kw de 2.
Estos valores corresponden a la variedad MY 55-14.
ELEMENTO ARQUÍMEDES
AR REOC REO
VEL. CRÍTICA
(m/s)
VEL. DE TRABAJO
(m/s)
Tallo
moledero 1607573001.6 7615.2 15230.4 3.3 6.5
Punta ó
cogollo 551897877.3 4441.1 8882.1 2.4 4.8
Cepa ó
raíz 1610617320.1 7622.5 15244.9 3.2 6.3
Tabla 3.6. Valores de velocidad y Re para los puntos crítico y de trabajo para un valor de kw de 2.
Estos valores corresponden a la variedad MEX 69 – 290.
ELEMENTO ARQUÍMEDES
AR REOC REO
VEL. CRÍTICA
(m/s)
VEL. DE TRABAJO
(m/s)
Tallo
moledero 928236075.8 5774.5 11548.9 2.9 5.9
Punta ó
cogollo 279895128.1 3148.3 6296.6 2.2 4.4
Cepa ó
Raíz 454695913.6 4026.4 8052.8 2.5 5.0
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 36
Los datos que se presentan en la tabla 3.6 corresponden a la variedad MEX 69 –
290 y muestran que las velocidades de trabajo del tallo moledero y la cepa son
mayores que la velocidad de trabajo de la punta. De manera semejante en la tabla
3.7 se muestra que la velocidad de trabajo del tallo moledero es mayor en 21.3%
que la velocidad de la punta. Estos valores corresponden a la variedad CP 72-
2086.
Tabla 3.7. Valores de velocidad y Re para los puntos crítico y de trabajo para un valor de kw de 2.
Estos valores corresponden a la variedad CP 72 – 2086.
ELEMENTO ARQUÍMEDES
AR REOC REO
VEL. CRÍTICA
(m/s)
VEL. DE TRABAJO
(m/s)
Tallo
moledero 804621756.9 5372.8 10745.5 2.9 5.7
Punta ó
cogollo 261174974.2 3039.5 6079.0 2.3 4.7
Con base en los datos que se presentaron en las tablas 3.6, 37 y 3.8, la velocidad
de trabajo para el tallo moledero se encuentra entre 5.7 y 6.5 m/s y para la punta
los valores máximo y mínimo son de 4.4 y 4.8 m/s respectivamente. Estos valores
indican que es posible eliminar la punta sin perder tallo moledero. Sin embargo la
cepa presenta valores de velocidad cercanos al tallo moledero. Esto demuestra
que existe la posibilidad de eliminar tallo moledero junto con la cepa.
3.4.1 Selección de los ventiladores
En la sección anterior se determinó la velocidad de trabajo para los elementos que
constituyen la materia vegetal. Esta velocidad genera la fuerza de arrastre
necesaria para sustentar y separar las impurezas durante el proceso de cosecha.
El presente trabajo propone el uso se ventiladores para generar el flujo
Capítulo III Diseño del prototipo
37 Cenidet
ascendente del fluido. Con base en [6], los parámetros de selección del ventilador
son la presión y la velocidad del fluido. La velocidad necesaria para separar las
impurezas se obtuvo en la sección 3.4. Mientras que de las curvas que se
presentan en la sección 4.2 así como en el anexo B, se obtiene la presión
necesaria para eliminar las impurezas, la cual es 3102 Pa, aproximadamente. Las
características del ventilador que cumple con estos requerimientos son:
Motor eléctrico: DE LORENZO.
Modelo: DL – 1028
Revoluciones: 3400 rpm.
Voltaje: 220 V
Frecuencia: 60 Hz
Aspas: Tipo axial de 4 aspas de 20º
3.5 Diseño: sistema mecánico del prototipo
Los parámetros iniciales para el diseño de la cámara de limpieza son el flujo de
materia vegetal sobre la banda transportadora y la velocidad de ésta última:
0.55kg/s=Q
0.12m/s=v•
t
Con base en éstos parámetros se definió la geometría y dimensiones generales
del prototipo, 0.32 m de ancho y 1.7 m de largo. El prototipo estará constitutito por
tres bandas transportadoras de las cuales dos realizarán la función de separar las
impurezas del tallo moledero. El flujo ascendente de aire que generan los
ventiladores axiales pasará a través de una banda metálica y el sistema de
transmisión de potencia consistirá en poleas y bandas trapezoidales tipo A. Estos
elementos estarán montados sobre un sistema estructural. Con base en lo
anterior, se calculan y seleccionan los elementos para los sistemas de
transportación, transmisión de potencia y rodamientos.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 38
3.5.1 Estructura mecánica
El diseño y construcción del prototipo inicia con el sistema estructural. Este
sistema es constituido por las columnas (a), las trabes (b), (c), y (g), el soporte de
motor (e), los soportes para los rodamientos (e), las cubiertas (f), los soportes de
los ventiladores (h), y los soportes de cubierta. Ver figura 3.5 y tabla 3.8. Todos los
elementos estructurales se sueldan con electrodos E60.
Figura 3.5. Sistema estructural.
Tabla 3.8. Elementos estructurales.
PIEZAS DESCRIPCIÓN ESPECIFICACIÓN
(a) Columna Perfil comercial PTR 19x32 Cal. 18
(b) Trabe Perfil comercial PTR 19x32 Cal. 18
(c) Trabe Perfil comercial PTR 19x32 Cal. 18
(d) Soporte de rodamiento Perfil comercial LI 25x25x3
(e) Soporte de motor Perfil comercial LI 38x38x3
(f) Cubierta Lámina Cal 22
(g) Trabe Perfil comercial PTR 19x32 Cal. 18
(h) Soporte de ventilador Perfil comercial LI 25x25x3
(i) Soporte de cubierta Perfil comercial CDR 10
3.5.2 Sistema de transportación
De acuerdo con [7], los parámetros para seleccionar la banda del sistema de
transportación son: el peso de la materia vegetal y las dimensiones del sistema.
Capítulo III Diseño del prototipo
39 Cenidet
Para la presente aplicación se necesita una banda metálica con 0.0406m de
ancho y que soporte 200kg, la cual se muestra en la figura 3.6.
Figura 3.6. Banda metálica.
La ecuación 3.1 establece que la tensión en la banda transportadora está en
función de la temperatura Kt, la fricción Kx, el peso propio de la banda Wb y del
material a transportar Wm, así como de la tensión entre la banda y el tambor Ky..
acampymbbyxte TTT)(LKw)0.015wwK(KLKT ++++++= (3.1)
Por otro lado, la ecuación 3.2 establece que la potencia a transmitir depende de la
tensión de la banda transportadora Te y la velocidad de la misma tv . La figura 3.7
muestra un esquema del motorreductor que debe proporcionar una potencia de
0.33 HP ó 247 W aproximadamente, cuando la tensión de la banda es 1002 N.
tevTN = (3.2)
Figura 3.7. Motorreductor necesario para la transmisión de la potencia.
El sistema de transportación se muestra en la figura 3.8 y la tabla 3.9 menciona
los elementos que lo constituyen. Los tambores o rodillos están formados por un
tubo (b) y la flecha (c) los cuales están unidos por medio de soldadura. Los
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 40
rodamientos (a), los rodillos, y la banda metálica (d) se montan sobre el sistema
estructural como se aprecia en la figura.
Figura 3.8. Sistema de transportación.
Tabla 3.9 Elementos del sistema de transportación.
PIEZAS DESCRIPCIÓN ESPECIFICACIÓN
(a) Rodamiento UCP201-08
(b) Tambor Tubo acero A-36, φ 50m, Espesor de pared 1.5 mm
(c) Flecha Cold rolled
(d) Banda Banda metálica
3.5.3 Sistema de Transmisión de la potencia
Los elementos que constituyen el sistema de transmisión de potencia se diseñan y
seleccionan con base en la velocidad tangencial y la potencia a transmitir. En el
presente trabajo se propone un sistema de transmisión de potencia por medio de
poleas y bandas. Este sistema es económico y seguro, además cumple con los
requerimientos y necesidades del prototipo. En [8] se presenta el procedimiento
para calcular la transmisión de potencia por medio de bandas tipo “V”.
La ecuación 3.3 especifica que la potencia permisible en kW, que transmite una
banda tipo V está en función de factores empíricos establecidos en [8] así como
de los diámetros de las poleas y de la velocidad angular. La figura 3.9 muestra el
Capítulo III Diseño del prototipo
41 Cenidet
sistema de transmisión de potencia a base de poleas y bandas. Este sistema
requiere de una banda trapezoidal tipo A.
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−+⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡−−−⋅=
u21104
213
1
2111 K
11n'k)n'(dlogk)n'(dkdkkn'dN
(3.3)
Figura 3.9. Sistema de transmisión de potencia: Poleas y banda.
En la tabla 3.10 se muestran las especificaciones de los elementos que
constituyen el sistema de transmisión de potencia. El motor (a) está montado
sobre el sistema estructural, y transmite la potencia al sistema de transportación a
través de las poleas (b) y las bandas (c).
Tabla 3.10. Elementos del sistema de transmisión de potencia.
PIEZAS DESCRIPCIÓN ESPECIFICACIÓN
(a) Moto reductor BODINE ELECTRIC COMPANY
1/10 Hp., 43 rpm., 127V, 60 Hz
(b) Polea Polea de aluminio de 4 in.
(c) Banda Banda tipo V sección A
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 42
3.5.4 Selección de rodamientos
La figura 3.10 muestra el diagrama de cuerpo libre donde, Te es la tensión de la
banda transportadora y es una fuerza radial, Ftr es la fuerza equivalente que se
produce al transmitir la potencia entre la banda en V y la polea. RA y RB son las
reacciones en los rodamientos. Con base en [9], la carga resultante de la tracción
de la banda se obtiene al multiplicar la tensión de la misma por un coeficiente f= 2,
por tanto la capacidad de carga es 765 kg. Un rodamiento con diámetro interno de
12mm con designación 63z, satisface los requerimientos.
RBYZRBXZTe=1001 N
RAYZ
RAXZ
Ftr=1287 N 0.46
0.15 m
m
Figura 3.10. Diagrama de cuerpo libre y reacciones en los rodamientos.
3.5.5 Sistema de lecho fluidizado
Con base en la sección 3.4.1, las características de los ventiladores para el
sistema de lecho fluidizado se muestran en la tabla 3.11. Estos son constituidos
por las aspas (c), y los motores (a) y (b). En la figura 3.11 se observan los
ventiladores montados sobre el sistema estructural.
Capítulo III Diseño del prototipo
43 Cenidet
Figura 3.11. Ventiladores.
Tabla 3.11. Características de los ventiladores.
PIEZAS DESCRIPCIÓN ESPECIFICACIÓN
(a) Motor eléctrico DE LORENZO.
Modelo DL – 1028, 3400 rpm. 220V, 60Hz
(b) Motor Eléctrico DE LORENZO.
Modelo DL – 1028 C, 3400 rpm. 220V, 60Hz
(c) Aspas Tipo axial de 4 aspas de 20º
Los valores de velocidad que se muestran en la tabla 3.12, corresponden a los
valores promedio en las etapas de limpieza. Estas mediciones, se realizaron con
anemómetro ALNOR 8525 de hilo caliente y cumplen con los cálculos de
velocidad de trabajo descritos en la sección 3.4,
Tabla 3.12. Velocidad promedio del fluido en las etapas de limpieza
ETAPA DE LIMPIEZA
VELOCIDAD PROMEDIO DEL FLUIDO (m/s)
1 6.0
2 6.1
La unión de los sistemas que constituyen la cámara de limpieza se observan en
las figuras 3.12 y 3.13. Las figuras presentan las vistas isométrica y lateral
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 44
izquierda del prototipo donde la banda transportadora (a), el sistema de
transmisión de potencia (b), los rodamientos (c) y los ventiladores, están montados
sobre el sistema estructural (d).
Figura 3.12. Vista isométrica de la cámara de
limpieza. Elementos: (a) Banda
transportadora, (b) Sistema de potencia, (c)
Rodamiento y (d) Estructura.
Figura 3.13. Vista lateral izquierda de la cámara
de limpieza, en ésta se observan los ventiladores.
En la figura 3.14 se muestra la fotografía del prototipo, donde los sistemas de
transportación, transmisión de potencia y los ventiladores, están montados en el
sistema estructural (a).
Figura 3.14. Enlace de los sistemas de transportación (b), transmisión de potencia (c) y
ventiladores (d), montados sobre la estructura (a).
Capítulo III Diseño del prototipo
45 Cenidet
3.6 Sistema de control del prototipo El sistema de control varía la velocidad de los ventiladores para regular el flujo de
aire en el sistema de lecho fluidizado. Esto con el fin de separar la materia vegetal
no deseada. En esta sección se presenta la metodología de control que se
implementó al prototipo para regular el flujo de aire del mismo.
3.6.1 Control difuso
La ubicación de los elementos que se utilizan como sensores se observa en la
figura 3.15. Estos están constituidos por un LED infrarrojo y un fototransistor (a)
que capta la luz que refleja el listón (b) montado sobre la banda metálica (c). El
voltaje de salida del fototransistor es proporcional a la cantidad de luz que refleja
el listón, la cual es función de la distancia que existe entre el listón y el sensor. La
figura 3.16 muestra la deflexión de la banda metálica (c), la cual modifica el voltaje
de salida del fototransistor (b).
Un par de sensores en la primera y tercera etapa de limpieza de la cámara de
separación determinan la cantidad de materia vegetal presente con base en la
deflexión de las bandas metálicas. Al encender el sistema de transportación, las
bandas metálicas presentan un movimiento vertical oscilatorio que provoca una
variación en el voltaje de salida del fototransistor.
Figura 3.15. Elementos del sistema de sensado. Sensor (a), listón (b) y banda metálica (c).
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 46
Figura 3.16. Principio de sensado. (a) Diodo emisor de luz LED, (b) fototransistor y (c) banda
metálica.
Un movimiento vertical oscilatorio en la banda metálica se genera conforme la
materia vegetal se mueve sobre el sistema de transportación y al cambiar de una
etapa de limpieza a otra. Por otro lado, al entrar en operación los ventiladores
existe una fuerza sobre la banda metálica a causa del fluido. Esto provoca otro
movimiento vertical en la banda metálica. Los movimientos involucrados en el
proceso se suman y generan un movimiento total que proporciona información
referente al comportamiento del prototipo para generar la base de reglas de un
sistema difuso.
La figura 3.17 muestra el esquema general de un sistema de control de lógica
difusa. Este sistema toma la información del estado actual de planta a través de
los sensores. La información entra a la base de reglas y modifica la operación de
planta por medio de la acción de control.
Control
si- entonces
Planta
Acción decontrolSensor
(medición)
Figura 3.17. Esquema general de un sistema de control de lógica difusa.
Capítulo III Diseño del prototipo
47 Cenidet
3.6.2 Instrumentación electrónica
La señal proveniente de los sensores se utiliza como entrada para la base de
reglas del controlador difuso, donde la acción de control es una señal analógica
entre 0 – 10 Volts, que acondiciona un módulo de salida SCC-AO10. Un variador
de velocidad 606PC3 YASKAWA®, recibe la señal de control y modifica la
frecuencia que entra al ventilador entre 0 – 60 Hz. Esto provoca variaciones en la
velocidad del ventilador, y por ende en la velocidad del fluido del lecho fluidizado.
Este sistema obtuvo resultados no satisfactorios a causa del método de sensado,
el cual solo proporciona información sobre la cantidad de materia vegetal presente
en la cámara de separación y no un índice o parámetro que defina la calidad de
limpieza de la materia vegetal. En la sección 3.6.3 se muestra el esquema de
control que se implementó en el prototipo.
3.6.3 Control de velocidad en lazo abierto
La figura 3.18 muestra el diagrama a bloques del control de velocidad en lazo
abierto para el ventilador. Este esquema de control regula la velocidad del
ventilador en la segunda etapa de limpieza y la mantiene constante en la primera
etapa. El operador por medio de una interfaz gráfica manipula la señal de control
hacia el ventilador con base en la cantidad de impurezas presentes en la cosecha
de caña de azúcar. El variador de velocidad 606PC3 YASKAWA® recibe la señal
de control y modifica la frecuencia de alimentación del ventilador, estas
variaciones provocan cambios de velocidad en el ventilador y del fluido en la
segunda etapa de limpieza. La señal de control es una salida analógica entre 0 –
10 Volts.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 48
Figura 3.18. Diagrama a bloques del control de velocidad en lazo abierto para el ventilador en la
segunda etapa de limpieza.
La interfaz gráfica en LabVIEW®, del control de velocidad en lazo abierto para el
ventilador se muestra en la figura 3.18. En el panel frontal, el operador modifica la
señal de control con base en la cantidad de impurezas. La programación se
muestra en el anexo C.
Figura 3.19. Interfaz gráfica para variar la velocidad del ventilador en segunda etapa de limpieza
en LabVIEW®.
Capítulo III Diseño del prototipo
49 Cenidet
3.7 Bibliografía
[1] Barragan, Jesus, 1997. “Mayari 55 – 14, nueva variedad de caña de azúcar
para el área de influencia del ingenio Emiliano Zapata en el estado de Morelos”.
Folleto técnico N 13. Inifap.
[2] Longoria, Rigoberto, López, Guadalupe y Morales, José. Centro Nacional
de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET). Secretaría de Desarrollo
Económico del Gobierno del Estado de Morelos.
http://hypatia.morelos.gob.mx/no13/ciencia.html. Consultada en Enero de 2007.
[3] Camacho, Rafael, 1994. “El cultivo de caña de azúcar en México”.
Universidad Autónoma de Chapingo. Editado por la Universidad Autónoma de
Chapingo.
[4] White, M. Frank. 1995. “Mecánica de fluidos”. Ed. Mc. Graw Hill.
[5] Fox, Robert. y McDonald, Alan. 1995. “Introducción a la mecánica de fluidos”.
4ª edición. Ed. Mc. Graw Hill.
[6] Mataix, Claudio 1982, “Mecánica Fluidos y máquinas hidráulicas” 2ª edición,
Ed. HARLA.
[7] Belt Conveyor Bulk Materials , fifth Edition.
[8] Rey González Gonzalo, 1999, “Apuntes para el cálculo de transmisiones por
correas en V” Facultad de Ingeniería Mecánica del Instituto Superior Politécnico
José A. Echeverria (ISPJAE), Ciudad de la Habana ww.fi.uba.ar/materias/6712M/CUJAE_CUBA/CORREAS_MAESTRIA. pdf.
Consultada en Enero del 2006.
[9] Compañía SKF Golfo y Caribe, S. A. Catálogo 2003, “SKF Rodamientos de
bola Rodamientos de rodillo”, Compañía SKF Golfo y Caribe, S. A. [10] Munson, Bruce R. y Young, Donald F. y Okiishi, Theodore H. 2003, “Fundamentos de mecánica de fluidos”,2ª edición, Ed. LIMUSA WILEY.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar.
Cenidet 50
Página en blanco intencionalmente.
Capítulo IV Pruebas y resultados
51 Cenidet
Capítulo IV. Pruebas y resultados del prototipo
4.1 Introducción
En el presente capítulo se describen las pruebas que se realizaron para generar
curvas de fuerza de arrastre de las variedades de caña MY 55 – 14, MEX 69 – 290
y CP 72 – 2086, así como las pruebas para obtener la eficiencia del prototipo.
Además se presenta la eficiencia de máquinas cosechadoras marca CAMECO® y
CLASS® al cosechar la variedad de caña MY 55 – 14.
4.2 Obtención del coeficiente y fuerza de arrastre
Como se mencionó en la sección 2.3 la fuerza de arrastre depende de la forma del
cuerpo y su posición con relación a la corriente del fluido. Estas características son
representadas por una constante denominada coeficiente de arrastre que se
obtienen de forma experimental. En esta sección se muestran curvas de fuerza y
coeficiente de arrastre para la variedad MY 55-14.
La figura 4.1 muestra el banco de pruebas el cual está constituido por 3 aros de
aluminio y un sujetador de caña montados sobre una base. En el proceso de
experimentación se utilizaron sensores de fuerza con denominación “N2A-13-
T004R-350”. Estos se ubican en los cuadrantes de los aros de aluminio, para
medir la fuerza de arrastre de forma indirecta en los ejes 1, 2 y 3.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar
Cenidet 52
Sujetador de caña
Eje 1
Eje 2
Base de placa
Soporte de base
Eje 3
CañaPuntaRaiz
Flujo de Aire
Figura 4.1 Banco de pruebas.
Trozos de caña, punta y cepa se colocaron sobre el banco de pruebas y se aplicó
aire a diferentes presiones en 3 secciones del elemento. La figura 4.2 presenta las
curvas de fuerza de arrastre contra presión en un tallo MY 55-14. Se observa que
al incrementar la presión del fluido aumenta la fuerza de arrastre. La figura 4.3
muestra las 3 secciones sobre las cuales se aplico el flujo de aire.
Figura 4.2. Curvas de fuerza de arrastre contra presión en un tallo de la variedad MY 55-14.
Capítulo IV Pruebas y resultados
53 Cenidet
Figura 4.3. Secciones sobre las cuales se aplicó el flujo de aire para cada elemento: tallo, punta y
cepa, de la variedad MY 55-14.
La tabla 4.1 y la figura 4.4 muestran la fuerza y coeficiente de arrastre contra
número de Reynolds del flujo de aire a diferentes presiones para un tallo. Estos
valores se utilizan para calcular las velocidades críticas y de trabajo, en el sistema
de lecho fluidizado.
Tabla 4.1. Coeficiente y fuerza de arrastre contra número de Reynolds en un tallo
MY 55-14.
Sección 1/3 Sección 2/3 Sección 3/3 Presión (Pa)
Reynolds Fa (N) Ca Fa(N) Ca Fa(N) Ca
34474 319911.45 1.19 0.0052 0.53 0.0023 0.39 0.0017
103421 208314.43 2.54 0.0263 1.54 0.0160 1.33 0.0138
172369 156235.82 4.74 0.0875 2.94 0.0543 2.08 0.0383
241317 126476.62 7.11 0.2000 4.54 0.1278 3.86 0.1086
310264 104157.22 9.58 0.3977 6.31 0.2619 5.47 0.2271
344738 52078.61 10.81 1.7935 7.26 1.2050 6.27 1.0405
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar
Cenidet 54
Figura 4.4. Curvas de coeficiente de arrastre contra número de Reynolds en un tallo de caña MY
55-14.
En la figura 4.4 se observa que el coeficiente de arrastre disminuye cuando el
número de Reynolds aumenta. En el anexo B se presentan las curvas de fuerza y
coeficiente de arrastre para las variedades MEX 69-290 y CP 72-2086. Además en
el anexo A se muestra el proceso de calibración de los sensores de fuerza.
4.3 Condiciones de pruebas
El objetivo de las pruebas es determinar la eficiencia de limpieza en el prototipo.
Estas consisten en introducir 25 kg de materia vegetal con 10, 20 y 30% de
impurezas en el prototipo, donde la velocidad del ventilador en la segunda etapa
de limpieza varía en intervalos de 25% del valor nominal a través del sistema de
control descrito en la sección 3.5.3. Con base en la tabla 4.2, para 10% de
impurezas, la velocidad del ventilador toma valores del 25, 50, 75 y 100% del valor
nominal. Este procedimiento se realiza para los porcentajes de impurezas
restantes. En la tabla 4.2 se muestra los diversos escenarios sobre los cuales se
Capítulo IV Pruebas y resultados
55 Cenidet
efectuaron las pruebas. Es necesario saber que cada prueba se efectuó en 5
ocasiones esto con base en la ley de los números grandes.
Tabla 4.2. Pruebas que se realizaron con variedad de caña de azúcar MY 55-14, al variar la
velocidad del ventilador y el porcentaje de impurezas.
PORCENTAJE DE IMPUREZA ENTRANTE
VELOCIDAD (% DE VELOCIDAD NOMINAL)
10% 20% 30%
25 Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3
50 Prueba 4 Prueba 5 Prueba 6
75 Prueba 7 Prueba 8 Prueba 9
100 Prueba 10 Prueba 11 Prueba 12
4.4 Eficiencia del prototipo.
La eficiencia de la cámara de separación está dada por el porcentaje de tallo
moledero presente a la salida de la misma. En esta sección se muestran gráficos
de eficiencia de la cámara de separación que muestran porcentajes de tallo
moledero e impureza contra velocidad del ventilador.
%100xtotal_Materia
Tallo=Eficiencia
Las figuras 4.5 – 4.8, corresponden al caso donde la materia vegetal está
constituida por 90% tallo moledero y 10% impurezas. Las curvas en las figuras 4.5
y 4.6 indican que la velocidad del ventilador modifica los porcentajes de tallo e
impurezas en la materia vegetal a la salida de la cámara de separación. Los
puntos con marcas en dichas curvas indican que las pruebas se realizaron al: 25,
50, 75 y 100% de la velocidad del ventilador. Cabe recordar que en la sección 2.3
se estableció que la fuerza de arrastre es función de: la velocidad del fluido, las
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar
Cenidet 56
características aerodinámicas, el coeficiente de arrastre y la densidad del fluido.
Con base en lo anterior, al aumentar la velocidad del ventilador la fuerza de
arrastre se incrementa y elimina los elementos ligeros no deseados. El porcentaje
más alto de tallo moledero es 97.2%, que corresponde a 100% de la velocidad del
ventilador a 10% de impureza entrante. Los datos experimentales se ajustan a un
polinomio de tercer orden, esto con la finalidad de conocer el comportamiento del
sistema de limpieza. Las ecuaciones 4.1 y 4.2 son las ecuaciones de ajuste de las
curvas que se muestran en las figuras 4.5 y 4.6, respectivamente.
32 x00003.0+x005.0-x33.0+5.88=y (4.1)
0 20 40 60 80 10085
90
95
100
Velocidad del ventilador (%)
Tallo
mol
eder
o (%
)
Figura 4.5. Eficiencia de la cámara de separación. Materia vegetal con 10% de impurezas.
32
1 x00003.0+x005.0+x33.0-5.11=y (4.2)
0 20 40 60 80 1000
2
4
6
Velocidad del ventilador (%)
Impu
reza
s (%
)
- Figura 4.6. Impurezas después de la cámara de separación. Materia vegetal con 10% de
impurezas.
Capítulo IV Pruebas y resultados
57 Cenidet
En las figuras 4.7 y 4.8, se observan las curvas de tallo entrante y saliente, así
como la impureza que entra y sale del prototipo, respectivamente, además en
cada figura se presenta la curva de ajuste de: el tallo y la impureza que sale de la
cámara de separación. En la figura 4.7 las pérdidas de tallo moledero se
presentan cuando la materia vegetal pasa de una etapa de limpieza a otra y no se
producen a causa de la fuerza de arrastre. Sin embargo, cuando la fuerza de
arrastre incrementa supera al peso de la: punta, caña seca y hojas, eliminando así
las impurezas, lo cual se observa en la figura 4.8.
0 20 40 60 80 10080
85
90
95
100
Velocidad del ventilador (%)
Tallo
mol
eder
o (%
)
Figura 4.7. Tallo moledero a la entrada y salida de la cámara de separación. Materia vegetal con
10% de impurezas.
0 20 40 60 80 1000
5
10
15
Velocidad del ventilador (%)
Impu
reza
s (%
)
Figura 4.8. Impurezas a la entrada y salida de la cámara de separación contra velocidad de
ventilador. Materia vegetal con 10% de impurezas.
Las marcas en las figuras 4.7. y 4.8 indican que las pruebas se realizaron al: 25,
50, 75, 100% de la velocidad del ventilador, donde las marcas en forma de “*” se
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar
Cenidet 58
refieren al elemento entrante, mientras que las marcas en forma de “o” se refieren
al elemento saliente.
Con base en la sección 4.3, la tabla 4.3 presenta la eficiencia del prototipo bajo
diferentes índices de impurezas y velocidades del ventilador. La mayor eficiencia
se presenta cuando la materia vegetal contiene 10% de impurezas y el ventilador
gira a velocidad nominal. Cuando la velocidad es 25% del valor nominal y la
materia vegetal contiene 30% de impurezas la eficiencia del prototipo es 87.5%. la
cual es la menor eficiencia que presenta el prototipo.
Tabla 4.3. Eficiencia del prototipo.
VELOCIDAD DEL VENTILADOR (%) IMPUREZAS (%) 25 50 75 100
10 93.9% 95.6% 95.8% 97.2%
20 90.9% 91.3% 92.4% 93.7%
30 87.5% 89.1% 89.8% 91.5%
En la tabla 4.4 se indican los porcentajes de impurezas a la salida del prototipo a
diferentes velocidades del ventilador e índices de impurezas, además se observa
que las impurezas disminuyen conforme se incrementa la velocidad del fluido.
Tabla 4.4. Porcentaje de impurezas presentes en la salida del prototipo
VELOCIDAD DEL VENTILADOR (%)
Impurezas (%) 25 50 75 100
10 6.1% 4.4% 4.6% 2.8%
20 9.1% 8.7% 7.6% 6.3%
30 12.5% 10.9% 10.2% 8.5%
Las pérdidas de tallo moledero se presentan en la tabla 4.5. y el valor máximo es
8.4%, el cual equivale a 1.9 kg del tallo que entra. Estas provocan que la eficiencia
Capítulo IV Pruebas y resultados
59 Cenidet
del prototipo disminuya. Sin embargo, a diferencia de las pérdidas de impurezas,
éstas son ajenas a la velocidad del ventilador.
Tabla 4.5. Pérdidas de tallo moledero en el prototipo.
VELOCIDAD DEL VENTILADOR (%)
Impurezas (%) 25 50 75 100
10 8.4 3.7 5.2 3.4
20 4.1 5.6 3.0 4.2
30 4.6 2.5 4.4 3.2
Con base en la sección 4.2, la tabla 4.6 presenta los valores de fuerza de arrastre
en un tallo, a diferentes valores de velocidad del ventilador. Las características
que presenta el tallo moledero son: peso de 0.1607 kg, diámetro 0.0309 m y
longitud 0.1780 m. Estas características se obtuvieron del estudio de campo que
se realizó.
Tabla 4.6. Velocidad del aire – Fuerza de arrastre en tallo de la variedad de caña de azúcar MY
55-14.
DENSIDAD AIRE
(kg/m³)
ÁREA DE CAÑA (m²)
VELOCIDAD VENTILADOR
(%)
VELOCIDAD AIRE (m/s)
FUERZA DE ARRASTRE
(N)
25 1.7 0.1
50 3.3 0.3
75 5.0 0.6
1.23 0.0190
100 6.1 0.9
Los valores de la tabla 4.6, indican que la máxima fuerza de arrastre es 0.9 N y
esta ocurre cuando el ventilador gira a velocidad nominal. Sin embargo, para
arrastrar a el tallo se necesitan una fuerza de 1.6 N, lo que significa que el
prototipo no es capaz de eliminar tallo moledero. Esto confirma que las pérdidas
de tallo moledero no son a causa de la fuerza de arrastre.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar
Cenidet 60
Los valores de fuerza de arrastre en la tabla 4.7, corresponden a una punta
promedio de la variedad MY 55 – 14 con características: peso 0.07 kg, diámetro
0.0227 m y longitud 0.1744 m. Éste elemento necesita una fuerza superior a
0.6867 N para ser eliminado del proceso de separación. La información en la tabla
indica que la fuerza de arrastre que genera el fluido sobre éste elemento es mayor
al peso del mismo. Esto corrobora que el prototipo es capaz de eliminar la punta y
elementos livianos no deseados como: hojas y caña seca.
Tabla 4.7. Velocidad del aire – Fuerza de arrastre en punta de la variedad de caña de azúcar MY
55-14.
DENSIDAD AIRE
(kg/m³)
ÁREA DE PUNTA
(m²)
VELOCIDAD VENTILADOR
(%)
VELOCIDAD AIRE (m/s)
FUERZA DE ARRASTRE
(N)
25 1.7 0.1
50 3.3 0.3
75 5.0 0.6
1.23 0.0120
100 6.1 0.9
Las características de una raíz o cepa promedio de la variedad MY 55 – 14 son:
peso de 0.1530 kg, diámetro 0.0239 m y longitud 0.1165 m, por lo que se necesita
una fuerza de 1.5 N para arrastrar este elemento. Los valores de fuerza de
arrastre que presenta la tabla 4.8 confirman que la fuerza de arrastre para separar
raíz en el proceso de cosecha, podría provocaría pérdidas de tallo moledero.
Capítulo IV Pruebas y resultados
61 Cenidet
Tabla 4.8. Velocidad del aire – Fuerza de arrastre en cepa de la variedad de caña de azúcar MY
55-14.
DENSIDAD AIRE
(kg/m³)
ÁREA DE CEPA (m²)
VELOCIDAD VENTILADOR
(%)
VELOCIDAD AIRE (m/s)
FUERZA DE ARRASTRE
(N)
25 1.7 0.1
50 3.3 0.5
75 5.0 1.0
1.23 0.0090
100 6.1 1.5
4.5 Eficiencia de máquinas cosechadoras comerciales
Por otro lado, se realizó un estudio de campo en Zacatepec, Puente de Ixtla,
Jojutla, Atlaltizapan, entre otros municipios del estado de Morelos durante la zafra
2005 – 2006, donde se obtuvieron eficiencias de máquinas cosechadoras
comerciales de las marcas CAMECO® y CLASS®. Las cuales tienen un flujo
másico de diseño de 19.75 kg/s, esto de acuerdo con [3]. La eficiencia se
determinó con base en la cantidad de tallo moledero e impurezas presentes a la
salida de la cámara de limpieza. En cada prueba la materia vegetal total fue de
aproximadamente 200 kg.
El estudio de campo permitió estimar el porcentaje de materia vegetal que entra a
la cámara de separación de la cosechadora comercial. Esto se muestra en la tabla
4.9, en la cual el 82.14% es tallo moledero y el 17.86% restante se compone de
impurezas: punta y hojas
.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar
Cenidet 62
Tabla 4.9. Porcentaje de materia vegetal entrante a las cámaras de limpieza de las máquinas
cosechadoras comerciales.
Materia vegetal entrante
Porcentaje (%)
Tallo 82.14
Punta 14.69
Caña seca 0.0
Hoja 3.17
• Máquina cosechadora CAMECO® En la sección 4.4 se obtuvieron las eficiencias del prototipo para diferentes índices
de impurezas y velocidades del ventilador. Sin embargo con el fin de realizar una
comparativa con las máquinas cosechadoras comerciales, es necesario conocer
las eficiencias del prototipo para 18% de impurezas entrantes. Para esto, se
realizó una interpolación con los datos de eficiencia entre 10 y 20% de impureza
entrante, los resultados se muestran en la tabla 4.10.
Tabla 4.10. Porcentaje de eficiencia del prototipo a diversas velocidades del ventilador, al
presentar el 18% de impurezas entrantes.
VELOCIDAD (% ) EFICIENCIA AL 18% DE IMPUREZA ENTRANTE
25 91.55
50 92.15
75 93.04
100 94.50
Las características de la caña que cosechó la máquina CAMECO® 1000, los
porcentajes de materia vegetal tanto a la salida de la cámara de limpieza como a
Capítulo IV Pruebas y resultados
63 Cenidet
la salida del prototipo, se presentan la tabla 4.11. El ciclo es el número de
cosechas que se realiza en un plantío con una siembra. Esto es, la primera
cosecha se denomina plantilla, la segunda soca, y las consecutivas resoca 1 y 2.
El ciclo afecta los rendimientos de cosecha por hectárea a causa de la
despoblación de caña. Por tanto, la cantidad de materia vegetal a la entrada de la
máquina varía. La eficiencia de la máquina cosechadora CAMECO®1000 es
93.3% y el 6.7% restante son impurezas que están constituidas por: punta, raíces,
caña seca y hoja.
Tabla 4.11. Porcentaje de materia vegetal presente a la salida tanto de la cámara de limpieza de
la máquina cosechadora CAMECO® como a la salida del prototipo.
VARIEDAD: MY 55-14 CICLO: RESOCA
EJIDO: EL LLANO MUNICIPIO: PUENTE DE IXTLA
CAMECO 1000 PROTOTIPO MATERIA VEGETAL
SALIDA % SALIDA %
Caña 93.3 94.50
Punta ó cogollo 4.9 3.43
Cepas y raíces 0.9 0.0
Caña seca 0.4 1.93
Hoja 0.6 0.18
• Máquina cosechadora CLASS® En la tabla 4.12 se presenta la eficiencia de la máquina CLASS® 1003 y la
eficiencia del prototipo así como las características de la caña que se cosechó.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar
Cenidet 64
Tabla 4.12. Porcentajes de materia vegetal presente tanto a la salida de la cámara de limpieza de
la máquina cosechadora CLASS® 1003 como a la salida del prototipo.
VARIEDAD: MY 55-14 CICLO: RESOCA
EJIDO: EL LLANO MUNICIPIO: PUENTE DE IXTLA
CLASS® PROTOTIPO MATERIA VEGETAL
SALIDA % SALIDA %
Caña 89.8 94.50
Punta ó cogollo 5.5 3.43
Cepas y raíces 0.3 0.0
Caña seca 1.0 1.93
Hoja (follaje) 3.4 0.18
La figura 4.9 muestra la eficiencia de máquinas cosechadoras CAMECO y CLASS,
así como las curvas de eficiencia del prototipo para la variedad MY 55-15. Las
cosechadoras CAMECO no presentan la misma eficiencia, porque durante el
proceso de cosecha influyen factores externos como: la experiencia del operador,
el lugar de cosecha, características del plantío, es decir si la caña esta inclinada ó
erecta además también influyen las condiciones de la maquinaria.
Capítulo IV Pruebas y resultados
65 Cenidet
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10085
90
95
100
Velocidad del ventilador (%)
Tallo
mol
eder
o (%
)
Impurezas entrantes 10%, prototipoImpurezas entrantes 20%, prototipoImpurezas entrantes 30%, prototipoImpurezas entrantes 18%, CAMECO 1000Impurezas entrantes 18%, prototipoImpurezas entrantes 18%, CLASSImpurezas entrantes 18%, CAMECO 1101
Figura 4.9. Eficiencia de limpieza tanto del prototipo como de las cosechadoras comerciales, a
diversas velocidades e índices de impurezas entrantes.
Las características de la caña cosechada por la máquina CAMECO 1101 así como
la eficiencia de ésta se muestran en la tabla 4.13. En ésta se observa que la caña
cosechada es MY 55-14 que corresponde al ciclo de cosecha de resoca en el
municipio de Jojutla.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar
Cenidet 66
Tabla 4.13. Porcentajes de materia vegetal presente tanto a la salida de la cámara de limpieza de
la máquina cosechadora CAMECO® 1101 como a la salida del prototipo.
VARIEDAD: MY 55-14 CICLO: RESOCA
EJIDO: B. GARCÍA MUNICIPIO: JOJUTLA
CAMECO 1101 PROTOTIPO MATERIA VEGETAL
SALIDA % SALIDA %
Caña 96.25 94.50
Punta ó cogollo 2.54 3.43
Cepas y raíces 0.27 0.0
Caña seca 0.83 1.93
Hoja (follaje) 0.04 0.18
Con base en las tablas 4.11 y 4.12, la máquina cosechadora CAMECO® 1000
presenta 3.5% mayor eficiencia que la máquina CLASS® 1003, y bajo ciertas
condiciones de cosecha el prototipo supera con 1.2% de eficiencia a la máquina
cosechadora CAMECO 1000. Además la figura 4.9 demuestra que existen
factores que afectan la eficiencia de limpieza, aún empleando la misma variedad
de caña, el mismo ciclo, inclusive la misma marca de cosechadora, éstas no
presentan la misma eficiencia, pues se ven afectada por factores como:
experiencia del operador, mantenimiento de la maquinaria, lugar de cosecha.
En la tabla 4.14 se realiza una comparativa entre las máquinas cosechadoras
CAMECO® 1000, CLASS® 1003 y el prototipo de la cámara de limpieza. Con
respecto a la máquina cosechadora CAMECO® 1000 la eficiencia más alta
corresponde al prototipo cuando la materia vegetal contenía 10% de impurezas y
100% de velocidad del ventilador, además la eficiencia del prototipo es 0.4%
mayor que la eficiencia de la CAMECO 1000, cuando el prototipo maneja 20% de
impurezas entrantes. En el caso extremo donde el prototipo maneja materia
vegetal con 30% de impureza, la eficiencia es 1.8% menor, respecto a la
Capítulo IV Pruebas y resultados
67 Cenidet
CAMECO 1000. Sin embargo, con respecto a la máquina cosechadora CLASS®
1003 el prototipo presenta mejores eficiencias en cualquiera de los 3 casos.
Tabla 4.14. Comparativa entre la eficiencia del prototipo bajo distintas cantidades de impureza
entrante y la eficiencia de máquinas cosechadoras comerciales.
VARIEDAD: MY 55-14
EQUIPO EFICIENCIA %
CLASS® 1003 89.8
CAMECO® 93.3
97.2
(10% impureza entrante)
94.5
(18% impureza entrante)
93.7
(20% impureza entrante)
Prototipo
91.5
(30% impureza entrante)
4.6 Relación costo – beneficio de la cámara de separación de lecho fluidizado
Algunos de los beneficios que conlleva mejorar la eficiencia de las máquinas
cosechadoras de caña de azúcar son: reducción de costos de transporte al reducir
el número de viajes hacía el ingenio, así como el pago a productores. De acuerdo
con el comité de la agroindustria azucarera [1], en la zafra 2005 – 2006, el ingenio
Emiliano Zapata molió 1,042,424 toneladas de caña, las cuales se transportaron
en camiones de carga con capacidad de 20 toneladas. Ver tabla 4.15.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar
Cenidet 68
Tabla 4.15. Datos de la zafra 2006 en el ingenio Emiliano Zapata, ubicado en Zacatepec, Morelos.
PRODUCTO TON
Caña molida 1,042,424
Azúcar producida 127,668
Sólo como ejemplo, para transportar la cantidad de caña molida, se requirieron
52122 viajes hacia el Ingenio. En promedio el rendimiento de los camiones de
carga es de 2.5 km/l. Con base en la tabla 4.11, la cosechadora CAMECO® 1000
presenta 6.8% de impurezas. Estas equivalen a 1350 kg de la carga total en cada
camión. Una cámara de separación de lecho fluidizado reduce 250 kg de
impurezas por camión. Esto equivale a 652 camiones con 13,040 Ton de basura
que no entra al Ingenio. El costo por tonelada de caña en la zafra 2005 – 2006 fue
de $444.85. Con base en lo anterior el ingenio podría ahorrar $5,800,844 en pago
a productores.
Además, uno de los municipios donde se cosechó gran cantidad de caña es
Puente de Ixtla, y se ubica a 20 km de ingenio. Esto implica que el camión recorra
40 km por viaje para transportar una carga. De los 652 viajes que se eliminan, se
dejan de consumir 10472 litros de diesel. Éste tiene un costo de $5.16, lo que
implica un ahorro de $53,829. El ahorro en estos conceptos ascendería a
$5,854,673, sin considerar el salario a transportistas y los costos de producción.
4.7 Extrapolación del prototipo.
Pasar de un prototipo a escala reducida a un modelo escala real implica realizar
un análisis de semejanza. Sin embargo, es difícil conseguir una semejanza
completa, se habla de tipos particulares de ésta y de acuerdo con [4, 5, 6 y 7],
son:
Semejanza geométrica.
Semejanza cinemática.
Capítulo IV Pruebas y resultados
69 Cenidet
Semejanza dinámica.
El modelo debe ser semejante geométricamente al prototipo. Esto significa referir
las longitudes a la misma escala para proteger la forma, y mantener las relaciones
correspondientes entre las dimensiones del modelo y el prototipo. Cuando no se
cumple en su totalidad la semejanza geométrica, es necesario demostrar por
medio de experimentación que el comportamiento del prototipo no se afecta por
las diferencias geométricas. No es conveniente continuar con el proceso de
escalamiento, cuando no existe relación entre las dimensiones del modelo y del
prototipo, [4, 5, 6 y 7].
Además, es necesario definir la relación entre tiempos, y por ende entre
velocidades. Esto, implica definir una escala de velocidades, es decir semejanza
cinemática. La semejanza dinámica y cinemática existen simultáneamente,
cuando se guarda la misma relación de fuerzas presentes en el modelo y en el
prototipo.
En [4] se presentan relaciones que sirven para predecir, a partir de parámetros
geométrico, dinámicos y cinemáticos del modelo, valores correspondientes del
prototipo. Con base en éstas relaciones, el modelo requiere un factor de
escalamiento de 4.2 para manejar 19.75 kg/s el cual es el flujo másico de las
máquinas cosechadoras comerciales, dando unas dimensiones para el modelo de
1.6m de ancho por 6m de largo, mientras que una cámara de separación
comercial tiene 1 de ancho por 5.4m de largo. La estructura del prototipo se
calcula para soportar el peso de la materia vegetal a manejar, así como los
sistemas de transportación y transmisión de potencia. La velocidad de trabajo en
el lecho fluidizado no se modifica, pues se desea conservar los números
adimensionales tanto en el modelo como en el prototipo. Sin embargo, el área
efectiva del lecho se escala en la misma proporción.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar
Cenidet 70
4.8 Bibliografía [1]Comité de la Agroindustria Azucarera, 2006, “Resultados de producción y
eficiencia por ingenios Informe final preliminar Zafra 2005-06”. Comité de la
Agroindustria Azucarera.
http://www.sagarpa.gob.mx/Coaazucar/Coaazucar/coaazucar.htm. Consultada en
Agosto 2006.
[2]Duncan, Andy, 2006, “Sonrisas por Galón” Transportista
http://www.etrucker.com/apps/news/article.asp?id=54879. Consultada en Agosto
de 2006.
[3]http://www.viarural.com.ar/viarural.com.ar/insumosagropecuarios/agricolas/tractores/case/cosechadoras-cana-serie-a.htm. Consultada en noviembre de
2005.
[4] White, M. Frank. 1995. “Mecánica de fluidos”. Ed Mc. Graw Hill.
[5] Fox, Robert. y McDonald, Alan. 1995. “Introducción a la mecánica de fluidos”.
4ª edición. Ed. Mc. Graw Hill.
[6] Mataix, Claudio 1982, “Mecánica Fluidos y máquinas hidráulicas” 2ª edición.
Ed. HARLA.
[7] Munson, Bruce R. y Young, Donald F. y Okiishi, Theodore H. 2003,
“Fundamentos de mecánica de fluidos”, 2ª edición, Ed. LIMUSA WILEY.
Capítulo V Conclusiones y trabajos futuros
71 Cenidet
Capítulo V. Conclusiones y trabajos futuros
5.1 Conclusiones
En la presente investigación se diseñó y construyó un prototipo a escala de una
cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar, bajo el concepto de
lecho fluidizado. Se realizó el análisis físico de 3 variedades de caña de azúcar en
la zafra 2005 – 2006 en el estado de Morelos. Se determinaron las curvas de
fuerzas de arrastre para punta, cepa y tallo moledero los cuales son elementos
que constituyen la materia vegetal en el proceso de cosecha. Además se comparó
la eficiencia del prototipo contra máquinas cosechadoras de marca CLASS® y
CAMECO® para la variedad MY- 5514 en verde.
La obtención de curvas de fuerza de arrastre y coeficiente de arrastre para tallo
moledero, cepa y punta de las variedades MEX – 29290, CP 722086 Y MY 55 – 14
permitió la implementación de un sistema de lecho fluidizado para separar las
impurezas de la caña de azúcar durante la cosecha de la misma. Bajo el principio
de lecho fluidizado se lograron eficiencias en el prototipo de hasta 97.2%.
El análisis de resultados y la sección 3.2, demuestran que existen factores que
influyen en la eficiencia de la cámara de separación, tales como:
Variedad de la caña: cada variedad presenta características y propiedades
físicas diferentes.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar
Cenidet 72
Caña acamada ó erecta: la caña acamada presenta mayor índice de
impurezas porque el despuntador no corta la punta.
Ciclo de cosecha: la plantilla presenta más toneladas de caña por hectárea.
Por tanto, aumentan los índices de impureza. En soca y resoca a causa de
la despoblación se reducen las toneladas por hectárea cosechada.
Humedad del terreno: si el terreno esta húmedo, la máquina cosechadora
se hunde y levanta mayor cantidad de raíces, tierra y piedras.
Condiciones del terreno: en un terreno irregular, pedregoso e inclinado el
proceso de cosecha se dificulta.
Condiciones de la máquina cosechadora: si ésta carece de mantenimiento
apropiado, la eficiencia de limpieza disminuye. Por ejemplo, si las cuchillas
en el sistema de corte no tienen filo, el corte se realizará por impacto lo que
provocará que existan mayores cantidades de raíces en la cámara de
separación.
Operador: es necesario que el operador eleve o disminuya la altura del
despuntador, con el fin de evitar que entre punta a la cámara de
separación, porque la caña no presenta el mismo desarrollo.
Lo anterior permite afirmar que no basta con mejorar la cámara de limpieza sino
que es necesario controlar los demás factores que influyen en la cosecha de caña
de azúcar. Con base en los resultados, se concluye que el sistema de lecho
fluidizado es aplicable al proceso de separaciones mecánicas. La eficiencia del
prototipo de la cámara de limpieza mejoró bajo ciertas condiciones las eficiencias
de máquinas cosechadoras CAMECO® y CLASS®. Con respecto a la raíz ó cepa,
la cámara de separación de lecho fluidizado requiere velocidades de trabajo
superiores a 6.1m/s para eliminarlo. Esto provocaría perdidas de tallo moledero
durante el proceso. Por tanto es necesario dirigir la atención hacia el sistema de
corte para evitar que éste elemento llegue a la cámara de limpieza, así como al
despuntador y al sistema de corte.
Capítulo V Conclusiones y trabajos futuros
73 Cenidet
El incremento de la eficiencia de limpieza con él prototipo, conllevaría beneficios
económicos en el proceso de cosecha de caña de azúcar éstos se verían
reflejados en la reducción de pagos de transporte así como pagos a productores al
disminuir la cantidad de impurezas que entran al ingenio por tallo moledero. Solo
en éstos conceptos, el ahorro en el ingenio Emiliano Zapata sería
aproximadamente $5,854,673.
5.2 Mejoras y trabajos futuros
Las cosechadoras de caña son un conjunto de sistemas: corte, transportación,
picador, separación, que interactúan entre ellos con el fin de proporcionar trozos
de caña que contengan la mínima cantidad de impurezas al final de la etapa de
limpieza. Por tanto es posible continuar con esta línea de investigación de
maquinaria agrícola para efectuar el diseño y construcción de los otros
subsistemas con el fin de conjuntarlos en una cosechadora prototipo para mejorar
el rendimiento de las cosechadoras comerciales actuales, consiguiendo así
beneficios tanto económicos como ambientales.
Es posible implementar el prototipo de la cámara de separación dentro de las
instalaciones de ingenios azucareros donde se pueda llevar a cabo la separación
de las impurezas. Con las cuales es posible darle un uso de combustible dentro
del mismo ingenio, produciendo así un beneficio económico.
Las pérdidas de tallo moledero que presentó el prototipo se pueden reducir si se
coloca una rampa de tal manera que reduzca ó elimine el rebote a causa del
impacto del tallo moledero sobre la banda transportadora. Se propone la
implantación de una rampa entre las bandas transportadoras.
Diseño y construcción de un prototipo a escala de una cámara de separación para la limpieza de caña de azúcar
Cenidet 74
Página en blanco intencionalmente.
75
Anexo A. Calibración de galgas extensométricas
Las tablas A.1, A.2 y A.3 muestran los datos de calibración de los ejes 1, 2 y 3
respectivamente, donde se aplicaron pesos de 0 a 1000 gramos, con variaciones
de 100 gramos. El circuito integrado que se empleó para amplificar la señal de las
galgas extensométricas fue el INA122P y la figura A.1 muestra el circuito
electrónico que se implementó para amplificar la señal del transductor de fuerza.
-Vcc
0.1µF
INA 122P12Vin (-)
4
38
5k
Vin (+) 7
20k
0.22µF
5
6
+Vcc
Vo
-Vcc
+Vcc
Figura A.1. Circuito amplificador para galgas extensométricas.
La calibración del transductor de fuerza se realizó por el método estático, el cual
consiste en aplicar una fuerza conocida y encontrar una relación g/mV de salida.
Para la calibración del transductor se realizaron ciclos ascendentes y
descendentes con pesos de de 0-1000 gr y el análisis de la calibración se muestra
en las tablas A.1, A.2 y A.3. También se muestran las gráficas A1, A2 y A3 de
calibración correspondientes a cada eje.
La ecuación de ajuste por mínimos cuadrados para el eje 1, es:
0.1332x+8463.0=y
76
Donde:
x: Es la señal del puente en mV.
y: Carga en g.
Tabla A.1. Calibración de los sensores en eje 1
Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3 Ciclo 4 Ciclo 5 Ciclo 6 Ciclo 7 Peso (g) Asc.
(mV) Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Media Desviación estándar
0.0 0.1 0.5 0.5 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.1 0.2 0.2 0.1 0.1 0.2 0.2 0.149100.0 10.7 12.2 11.8 12.9 11.5 12.8 11.9 12.3 11.8 12.4 11.9 12.3 12.1 12.7 12.1 0.572200.0 24.6 25.3 25.3 24.5 26.1 25.7 25.4 25.8 25.0 26.2 25.4 25.8 26.8 26.2 25.6 0.640300.0 38.3 38.4 38.9 36.7 39.5 38.6 38.8 38.8 38.0 39.6 38.8 38.8 39.9 39.8 38.8 0.825400.0 52.3 50.2 51.7 49.8 52.8 50.8 51.6 51.8 51.0 52.4 51.6 51.8 53.7 52.3 51.7 1.024500.0 66.6 62.5 64.9 61.7 61.4 62.8 64.0 64.4 63.9 64.5 64.0 64.4 67.1 66.2 64.2 1.708600.0 78.5 82.3 78.6 81.2 78.2 79.8 79.2 81.2 78.9 81.5 79.2 81.2 80.6 82.5 80.2 1.464700.0 93.4 94.9 91.8 93.9 91.3 93.3 91.7 95.7 93.0 94.4 91.7 95.7 94.8 96.4 93.7 1.677800.0 105.5 106.5 105.3 105.7 103.7 104.9 103.5 108.5 105.0 107.0 103.5 108.5 108.2 108.2 106.0 1.845900.0 118.2 118.8 118.4 118.8 116.1 116.9 118.2 119.2 116.9 120.5 118.2 119.2 121.6 121.1 118.7 1.569
1000.0 130.8 130.8 131.5 131.5 130.1 130.1 130.8 133.0 131.0 132.8 130.8 133.0 135.2 135.2 131.9 1.698
Calibración eje 1
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Peso conocido (g)
Vol
taje
de
salid
a (m
V)
Datos experimentalesEvaluación de la ecuación
Figura A.2. Curva de calibración y curva de ajuste por mínimos cuadrados de eje 1
La ecuación de ajuste por mínimos cuadrados para el eje 2, es:
0.1141x8708.2 +−=y Donde:
77
x: Es la señal del puente en mV.
y: Carga en g.
Tabla A.2. Calibración de los sensores en eje 2
Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3 Ciclo 4 Ciclo 5 Ciclo 6 Ciclo 7 Peso (g) Asc.
(mV) Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Media Desviación estándar
0.0 0.3 2.9 2.6 3.0 3.0 3.0 2.1 3.1 2.0 3.2 2.1 3.1 3.0 2.6 2.6 0.771100.0 10.3 7.1 7.4 5.6 7.3 5.3 7.5 6.5 7.0 7.0 7.5 6.5 6.1 7.0 7.0 1.170200.0 19.2 19.8 18.2 18.4 17.5 18.4 18.4 18.6 17.8 19.2 18.4 18.6 17.1 19.1 18.5 0.714300.0 29.2 30.4 29.5 29.3 28.6 27.5 28.4 29.8 29.0 29.2 28.4 29.8 28.7 29.9 29.1 0.759400.0 41.3 42.2 41.2 43.3 40.7 41.3 41.2 42.4 40.8 42.8 41.2 42.4 41.3 43.2 41.8 0.883500.0 47.0 56.4 52.5 54.2 52.3 51.8 50.1 55.5 52.3 53.3 50.1 55.5 54.2 54.2 52.8 2.534600.0 57.6 63.9 64.5 63.8 65.6 64.3 59.7 67.7 59.6 67.8 59.7 67.7 65.1 64.6 63.7 3.308700.0 83.1 81.5 75.7 76.5 75.4 78.3 78.1 78.3 77.5 78.9 78.1 78.3 78.5 76.9 78.2 2.051800.0 93.5 92.3 87.9 87.4 87.3 88.8 89.0 89.4 89.1 89.3 89.0 89.4 87.6 88.4 89.2 1.758900.0 104.5 104.5 99.4 100.6 98.4 100.2 100.8 101.2 99.7 102.3 100.8 101.2 99.4 100.6 101.0 1.773
1000.0 115.7 115.7 110.6 110.6 110.7 110.7 110.1 113.7 111.7 112.1 110.1 113.7 110.6 110.6 111.9 1.992
Calibración eje 2
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Peso conocido (g)
Volta
je d
e sa
lida
(mV)
Datos experimentalesEvaluación de la ecuación
Figura A.3. Curva de calibración y curva de ajuste por mínimos cuadrados de eje 2
La ecuación de ajuste por mínimos cuadrados para el eje 3, es:
0.2397x8948.0 +=y Donde:
x: Es la señal del puente en mV.
78
y: Carga en g.
Tabla A.3. Calibración de los sensores en eje 3 Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3 Ciclo 4 Ciclo 5 Ciclo 6 Ciclo 7 Peso
(g) Asc. (mV)
Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Asc. (mV)
Desc. (mV)
Media Desviación estándar
0.0 0.5 0.8 0.8 1.5 0.0 -0.2 1.5 -2.0 0.1 0.0 0.0 -0.2 -2.0 -2.1 -0.1 1.190 100.0 23.5 28.7 23.4 24.1 23.2 23.6 23.7 21.2 23.3 23.5 23.2 23.6 21.4 21.1 23.4 1.818 200.0 49.2 54.8 48.9 49.5 48.5 49.5 49.0 47.5 47.2 50.8 48.5 49.5 45.5 47.3 49.0 2.127 300.0 73.3 79.2 72.6 74.4 73.2 73.8 72.8 72.7 73.0 74.0 73.2 73.8 69.8 73.4 73.5 1.958 400.0 99.5 103.5 98.9 99.5 99.0 99.0 99.3 98.3 98.4 99.6 99.0 99.0 95.4 97.5 99.0 1.693 500.0 124.7 131.2 123.8 125.8 123.8 126.2 125.3 125.2 124.3 125.7 123.8 126.2 121.5 122.1 125.0 2.289 600.0 144.4 149.3 139.4 141.7 142.0 143.2 140.2 143.4 142.1 143.1 142.0 143.2 140.5 141.5 142.6 2.372 700.0 169.4 174.3 162.5 164.4 164.7 168.7 163.8 168.2 164.6 168.8 164.7 168.7 163.8 167.5 166.7 3.193 800.0 195.6 196.8 185.6 186.0 189.9 192.3 189.6 193.9 189.8 192.4 189.9 192.3 189.2 191.8 191.1 3.190 900.0 221.2 223.4 208.4 209.1 216.5 216.9 219.4 220.1 215.0 218.4 216.5 216.9 215.2 217.1 216.7 4.104
1000.0 246.3 246.3 231.5 231.5 238.3 244.3 246.5 246.5 241.1 241.5 238.3 244.3 241.0 241.0 241.3 5.057
Calibración eje 3
-101030507090
110130150170190210230250
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Peso conocido (g)
Volta
je d
e sa
lida
(mV)
Datos experimentalesEvaluación de la ecuación
Figura A.4. Curva de calibración y curva de ajuste por mínimos cuadrados de eje 3
79
Anexo B. Curvas de fuerza y coeficiente de arrastre
En esta sección se muestran gráficas de fuerza y coeficiente de arrastre contra
presión y número de Reynolds para: tallo, punta y cepa; cuyas características se
obtuvieron durante el estudio de campo en la zafra 2055-2006 y éstos elementos
son promedios para la variedad MY 55-14, CP 72 2086 y MEX 69-290.
• MY 55-14
El tallo que se empleó para obtener las curvas de fuerza y coeficiente de arrastre
tenía las siguientes características:
Peso: 0.1607 kg.
Longitud: 0.1780 m.
Diámetro: 0.0309m.
Densidad: 1096.96 kg/m³.
La figura B.1 presenta las curvas de fuerza de arrastre contra presión en un tallo
MY 55-14. Se observa que a medida que se incrementa la presión del fluido
aumenta también la fuerza de arrastre sobre el tallo. La figura B.2 muestra las 3
distintas secciones de: tallo, punta y cepa, sobre las cuales se aplicó el flujo de
aire.
80
Figura B.1. Curvas de fuerza de arrastre contra presión en un tallo de la variedad MY 55-14.
Figura B.2. Secciones sobre las cuales se aplicó el flujo de aire para cada elemento: tallo, punta y
cepa, de la variedad MY 55-14.
La tabla B.1 y la figura B.3 muestran la fuerza y coeficiente de arrastre contra
número de Reynolds del flujo de aire a diferentes presiones, sobre 3 secciones de
un tallo de la misma variedad. Para obtener las curvas de las figuras B.3, B.5, B.7,
B.9, B.11, B.13, B.15 y B.17 se emplearon las ecuaciones 2.5, 2.11, 2.12 y 2.15.
81
Tabla B.1. Coeficiente y fuerza de arrastre contra número de Reynolds en un tallo
MY 55-14.
Sección 1/3 Sección 2/3 Sección 3/3 Presión (Pa)
Reynolds Fa (N) Ca Fa(N) Ca Fa(N) Ca
34474 319911.45 1.19 0.0052 0.53 0.0023 0.39 0.0017
103421 208314.43 2.54 0.0263 1.54 0.0160 1.33 0.0138
172369 156235.82 4.74 0.0875 2.94 0.0543 2.08 0.0383
241317 126476.62 7.11 0.2000 4.54 0.1278 3.86 0.1086
310264 104157.22 9.58 0.3977 6.31 0.2619 5.47 0.2271
344738 52078.61 10.81 1.7935 7.26 1.2050 6.27 1.0405
Figura B.3. Curvas de coeficiente de arrastre contra número de Reynolds en un tallo de caña MY
55-14.
En la bibliografía del capítulo II, se reportó que para grandes números de
Reynolds el coeficiente de arrastre disminuye, lo cual se muestra en las gráficas
B.3, B.5 y B.7.
Las características de la punta para obtener las curvas de fuerza y coeficiente de
arrastre, eran:
82
Peso: 0.0700 kg.
Longitud: 0.1744 m.
Diámetro: 0.0227m.
Densidad: 771.1700 kg/m³.
La figura B.4 presenta las curvas de fuerza de arrastre contra presión en una
punta MY 55-14. En esta figura se observa que a medida que se incrementa la
presión del fluido aumenta también la fuerza de arrastre sobre la punta ó cogollo.
De esta gráfica se determinó la presión necesaria para eliminar la punta sin tener
pérdidas de tallo a causa de la fuerza de arrastre.
Figura B.4. Curvas de fuerza de arrastre contra presión en una punta de la variedad MY 55-14.
La tabla B.2 y la figura B.5 muestran curvas de fuerza y coeficiente de arrastre
contra número de Reynolds del flujo de aire a diferentes presiones, sobre 3
secciones de una punta.
83
Tabla B.2. Coeficiente y fuerza de arrastre contra número de Reynolds en una
punta MY 55-14.
Sección 1/3 Sección 2/3 Sección 3/3 Presión (Pa)
Reynolds
Fa (N) Ca Fa(N) Ca Fa(N) Ca
34474 229501.6906 1.2690 0.0078 0.4722 0.0029 0.3896 0.0024
103421 149442.9613 2.8893 0.0417 1.5027 0.0217 1.6975 0.0245
172369 112082.2210 4.9880 0.1279 2.9528 0.0757 2.8815 0.0739
241317 90733.2265 7.4844 0.2928 4.6607 0.1824 3.5875 0.1404
310264 74721.4807 10,.344 0.5904 6.5239 0.3764 6.0095 0.3467
344738 37360.7403 11.5597 2.6676 7.5131 1.7338 6.8332 1.5769
Figura B.5. Curvas de coeficiente de arrastre contra número de Reynolds en una punta de caña
MY 55-14.
Las características de la cepa para obtener las curvas de fuerza y coeficiente de
arrastre, eran:
Peso: 0.1533 kg.
Longitud: 0.1166 m.
Diámetro: 0.0239m.
84
Densidad: 981.8435 kg/m³.
La figura B.6 presenta las curvas de fuerza de arrastre contra presión en una cepa
MY 55-14. En esta figura se observa que a medida que se incrementa la presión
del fluido aumenta también la fuerza de arrastre sobre la cepa ó raíz.
Figura B.6 Curvas de fuerza de arrastre contra presión en una cepa de la variedad MY 55-14.
La tabla B.3 y la figura B.7 muestran curvas de fuerza y coeficiente de arrastre
contra número de Reynolds del flujo de aire a diferentes presiones, sobre 3
secciones de una cepa.
Tabla B.3. Coeficiente y fuerza de arrastre contra velocidad en una cepa MY 55-
14.
Sección 1/3 Sección 2/3 Sección 3/3 Presión (Pa)
Reynolds
Fa (N) Ca Fa(N) Ca Fa(N) Ca
34474 285138.4641 1.1583 0.0100 0.6557 0.0057 0.6036 0.0052 103421 185671.5580 3.1949 0.0652 2.5366 0.0518 2.3581 0.0482 172369 139253.6685 5.8301 0.2117 4.8976 0.1778 4.7914 0.1740 241317 112729.1602 8.7129 0.4827 7.6275 0.4226 7.7022 0.4267 310264 92835.7790 12.0395 0.9835 10.5697 0.8634 8.4783 0.6926 344738 46417.8895 13.7694 4.4992 12.0647 3.9422 11.7068 3.8253
85
Figura B.7. Curvas de coeficiente de arrastre contra número de Reynolds en una cepa de caña MY
55-14.
• CP 72 2086
El procedimiento para obtener las curvas de fuerza y coeficiente de arrastre en la
variedad MY 55-14 fue el mismo para la variedad CP 72 2086 y el MEX 62 290.
Además el tallo que se empleó para obtener las curvas de fuerza y coeficiente de
arrastre, de la variedad CP 72-2086, presentó las siguientes características:
Peso: 0.108 kg.
Longitud: 0.175 m.
Diámetro: 0.025m.
Densidad: 1045.25 kg/m³.
La figura B.8 presenta las curvas de fuerza de arrastre contra presión en un tallo
CP 72-2086. Se observa que a medida que se incrementa la presión del fluido
aumenta también la fuerza de arrastre sobre el tallo.
86
Figura B.8. Curvas de fuerza de arrastre contra presión en un tallo de la variedad CP 72-2086.
La figura B.9 muestra la fuerza y coeficiente de arrastre contra número de
Reynolds del flujo de aire a diferentes presiones, sobre 3 secciones el tallo de la
misma variedad.
Figura B.9. Curvas de coeficiente de arrastre contra número de Reynolds en un tallo CP 72-2086.
La punta que se empleó para obtener las curvas de fuerza y coeficiente de
arrastre, de la variedad CP 72-2086, tenía las siguientes características:
87
Peso: 0.056 kg.
Longitud: 0.20 m.
Diámetro: 0.019m.
Densidad: 1012.35 kg/m³.
La figura B.10 presenta las curvas de fuerza de arrastre contra presión en una
punta CP 72-2086. Se observa que a medida que se incrementa la presión del
fluido aumenta también la fuerza de arrastre sobre la punta.
Figura B.10. Curvas de fuerza de arrastre contra presión en una punta de la variedad CP 72-2086.
La figura B.11 muestra la fuerza y coeficiente de arrastre contra número de
Reynolds del flujo de aire a diferentes presiones, sobre 3 secciones de la punta de
la misma variedad.
88
Figura B.11. Curvas de coeficiente de arrastre contra número de Reynolds en una punta CP 72-
2086.
• MEX 69-290
Al igual que para las anteriores variedades, se siguió el mismo procedimiento para
obtener las curvas de fuerza y coeficiente de arrastre. El tallo que se empleó para
obtener las curvas de fuerza y coeficiente de arrastre, de la variedad MEX 69 290,
tenía las siguientes características:
Peso: 0.140 kg.
Longitud: 0.165 m.
Diámetro: 0.0275m.
Densidad: 1066 kg/m³.
La figura B.12 presenta las curvas de fuerza de arrastre contra presión en un tallo
MEX 69-290. Se observa que a medida que se incrementa la presión del fluido
aumenta también la fuerza de arrastre sobre el tallo.
89
Figura B.12. Curvas de fuerza de arrastre contra presión en un tallo de la variedad MEX 69-290.
La figura B.13 muestra la fuerza y coeficiente de arrastre contra número de
Reynolds del flujo de aire a diferentes presiones.
Figura B.13. Curvas de coeficiente de arrastre contra número de Reynolds en un tallo MEX 69-
290.
90
La punta que se empleó para obtener las curvas de fuerza y coeficiente de
arrastre, de la variedad MEX 69-290, tenía las siguientes características:
Peso: 0.078 kg.
Longitud: 0.20 m.
Diámetro: 0.024m.
Densidad: 815.35 kg/m³.
La figura B.14 presenta las curvas de fuerza de arrastre contra presión en una
punta MEX 62-290. Se observa que a medida que se incrementa la presión del
fluido aumenta también la fuerza de arrastre sobre la punta.
Figura B.14. Curvas de fuerza de arrastre contra presión en una punta de la variedad MEX 62-290.
La figura B.15 muestra la fuerza y coeficiente de arrastre contra número de
Reynolds del flujo de aire a diferentes presiones, sobre 3 secciones de la punta de
la misma variedad.
91
Figura B.15. Curvas de coeficiente de arrastre contra número de Reynolds en una punta MEX 62-
290.
La cepa que se empleó para obtener las curvas de fuerza y coeficiente de arrastre,
de la variedad MEX 69-290, tenía las siguientes características:
Peso: 0.14 kg.
Longitud: 0.135 m.
Diámetro: 0.029m.
Densidad: 919.81 kg/m³.
La figura B.16 presenta las curvas de fuerza de arrastre contra presión en una
cepa MEX 62-290. Se observa que a medida que se incrementa la presión del
fluido aumenta también la fuerza de arrastre sobre la cepa.
92
Figura B.16. Curvas de fuerza de arrastre contra presión en una cepa de la variedad MEX 62-290.
La figura B.17 muestra la fuerza y coeficiente de arrastre contra número de
Reynolds del flujo de aire a diferentes presiones, sobre 3 secciones de la cepa de
la misma variedad.
Figura B.17. Curvas de coeficiente de arrastre contra número de Reynolds en una cepa MEX 62-
290.
93
Anexo C. Interfaz gráfica para la regulación de velocidad del ventilador
La interfaz gráfica para regulación de velocidad de ventilador en la segunda etapa
de limpieza fue realizado en Lab VIEW® y se muestra en la figura C.1, también en
la figura C.2, se muestra el diagrama de conexión de dicha interfaz.
Figura C.1. Interfaz gráfica para variar la
velocidad del ventilador en segunda etapa de
limpieza en LabVIEW®.
Figura C.2.Programa de interfaz gráfica para
regulación de velocidad de ventilador en la
segunda etapa de limpieza realizado en Lab
VIEW®.
El programa de interfaz gráfica constó básicamente de: un canal de salida para
una señal analógica de 0-10V, un botón virtual deslizante, un botón de paro, un
botón de arranque, todo esto dentro de un ciclo “while”.
94
Página en blanco intencionalmente.
95
Anexo D. Pruebas y resultados
En esta sección se presentan figuras de la materia vegetal antes y después de
pasar por la cámara de separación. Además se muestran tablas comparativas de
la eficiencia entre el prototipo y cámaras de separación de cosechadoras
comerciales bajo diversas ciertas condiciones de operación.
En la figura D.1 se muestra la materia vegetal con 10% de impureza antes de
entrar a la cámara de separación. La figura D.2 muestra la materia vegetal una vez
que pasó por la cámara de limpieza.
Figura D.1. Materia vegetal con 10% de impureza, antes de entrar a la cámara de separación.
96
a)
b)
c)
d)
Figura D.2. Materia vegetal después de pasar por la cámara de separación a diversas velocidades
del ventilador de la segunda etapa: a) 25% de la velocidad nominal, b) 50% de la velocidad
nominal, c) 75% de la velocidad nominal, d) 1005% de la velocidad nominal. La materia vegetal
entrante contenía el 10% de impurezas.
La mayor eficiencia del prototipo 97.2% se alcanzó cuando la materia vegetal
entrante presentó 10% de impurezas y el ventilador giró a 100% de su velocidad
nominal, esto se muestra en la figura D.2 d). Por otra parte la figura D.3 muestra el
caso en el cual el prototipo presentó la menor eficiencia 87.5%, esté ocurrió
cuando la materia vegetal entrante presentó 30% de impurezas y el ventilador giró
a 25% de su velocidad nominal.
97
Figura D.3. Materia vegetal después de pasar por la cámara de separación. La materia vegetal
entrante contenía el 30% de impurezas. Velocidad del ventilador al 25%.
La tabla D.1 muestra el porcentaje de materia vegetal después de pasar la materia
vegetal por los diversos escenarios con: 10, 20 y 30% de impurezas
respectivamente por la cámara de separación, además muestra: el promedio, la
desviación estándar, la varianza y la incertidumbre, que se obtuvieron en las
diversas pruebas, pues cada prueba se realizó en 5 ocasiones.
98
Ince
rt.
0.65
0.35
0.67
0.67
0.65
0.35
0.67
0.67
Var.
0.65
0.26
0.71
0.71
0.65
0.26
0.71
0.71
Des
v.
est.
0.81
0.51
0.84
0.84
0.81
0.51
0.84
0.84
Esce
nario
3. ;
Mat
eria
pre
sent
e a
la s
alid
a de
la c
ámar
a de
sep
arac
ión
Prom
(%
)
87.5
2
89.0
7
89.8
1
91.4
9
12.4
8
10.9
3
10.1
9
8.51
Ince
rt.
0.80
1.31
0.57
0.88
0.80
1.31
0.57
0.88
Var.
1.54
2.81
0.57
1.57
1.54
2.81
0.57
1.57
Des
v.
est.
1.27
1.68
0.75
1.25
1.27
1.68
0.75
1.25
Esce
nario
2. ;
Mat
eria
pre
sent
e a
la s
alid
a de
la c
ámar
a de
sep
arac
ión
Prom
(%
)
90.9
0
91.2
9
92.3
6
93.7
5
9.10
8.71
7.64
6.25
Ince
rt.
0.69
0.73
0.31
0.55
0.69
0.73
0.31
0.55
Var.
1.03
1.09
0.14
0.45
1.03
1.09
0.14
0.45
Des
v.
est.
1.02
1.04
0.37
0.67
1.02
1.04
0.37
0.67
Esce
nario
1. ;
Mat
eria
pre
sent
e a
la s
alid
a de
la c
ámar
a de
sep
arac
ión
Prom
(%
)
93.9
3
95.5
7
95.8
2
97.1
7
.6.0
7
4.43
.
4.18
2.83
Vel.
vent
. (%
) 25
50
75
100
25
50
75
100
Mat
eria
ve
geta
l
Cañ
a
Impu
reza
Tabl
a D
.1. P
orce
ntaj
e y
cant
idad
de
mat
eria
veg
etal
ent
rant
e y
salie
nte
de la
cám
ara
de s
epar
ació
n a
100%
de
la v
eloc
idad
del
ven
tilad
or.
99
La tabla D.1 muestra que la desviación de estándar máxima fue de 1.68%, y una
incertidumbre máxima 1.31%, lo que indica en realidad el prototipo no se aleja en
demasía del promedio de eficiencia, pues la incertidumbre para una máquina
cosechadora CAMECO 1101 es de 1.30%, muy cercano al valor del prototipo.
La tabla D.2 muestra la eficiencia que presenta el prototipo a diversas velocidades
y bajo distintas cantidades de impurezas, presentes en la materia vegetal entrante.
A demás se observan las eficiencias promedio de las máquinas cosechadoras
comerciales: CAMECO y CLASS. La variedad de caña cosechada fue MY-5514.
Tabla D.2. Eficiencia del prototipo a diversos porcentajes impureza y diversas velocidades del
ventilador.
EFICIENCIA DEL PROTOTIPO EFICIENCIA
COSECHADORASCOMERCIALES
VELOCIDAD VENTILADOR
(%) ESCENARIO 1 (%)
ESCENARIO 2 (%)
ESCENARIO 3 (%)
CAMECO (%)
CLASS(%)
25 93.95 90.89 87.52
50 95.56 91.30 89.07
75 95.82 92.35 89.81
100 97.16 93.75 91.49
93.25 89.79
100
Página en blanco intencionalmente
101
Anexo E. Planos mecánicos En la presente sección se muestran los planos de conjunto y fabricación de la
estructura del prototipo de la cámara de separación para la limpieza de caña de
azúcar.
102
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