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Feb 19, 2024

Alimentadores gravimétricos: el talón de Aquiles de la fabricación continua

13 de febrero de 2018 Los alimentadores gravimétricos se utilizan con frecuencia en procesos de fabricación continuos. Un alimentador gravimétrico se basa en un sistema de control que ajusta la velocidad del alimentador en función de la pérdida de peso.

13 de febrero de 2018

Los alimentadores gravimétricos se utilizan frecuentemente en procesos de fabricación continuos. Un alimentador gravimétrico se basa en un sistema de control que ajusta la velocidad del alimentador en función de las mediciones de pérdida de peso. Dado que el controlador no puede discernir la velocidad de descarga cuando su tolva se está llenando con material nuevo, normalmente se utilizan dos tolvas dispuestas en serie. La tolva inferior suele ser asimétrica con al menos una pared muy inclinada para reducir la probabilidad de obstrucciones del flujo. Estas geometrías a menudo dan como resultado una distribución de velocidades de sólidos muy variable, lo que puede exacerbar la segregación. En algunas tolvas, se utiliza un agitador para garantizar que tenga un "fondo vivo" y no haya zonas muertas. Durante el ciclo de llenado, el alimentador aguas abajo funciona en modo volumétrico (es decir, a velocidad constante). Luego, el alimentador funciona en modo gravimétrico (es decir, su velocidad se controla midiendo la pérdida de peso del material dentro de la tolva) después de que se ha llenado la tolva aguas abajo. En la Figura 1 se muestra un esquema de un alimentador gravimétrico.

La mayoría de los polvos son comprimibles. La densidad aparente de un polvo aumenta al aumentar la tensión de consolidación, variando rápidamente con tensiones bajas y de manera menos dramática con tensiones altas. En la Figura 2 se muestra una curva de compresibilidad típica, donde la densidad aparente se representa frente a la tensión principal principal. La tensión principal principal es la tensión que se mediría en un plano que le da a la tensión su valor máximo.

Debido a la extraña geometría de la tolva, el polvo permanecerá en lo que se llama un estado activo de tensión. Cuando está en un estado activo, la dirección del estrés máximo es hacia abajo. Si se aplicara una tensión adicional al polvo, por ejemplo, si se dejara caer un trozo de polvo desde la tolva superior a la tolva inferior, la tensión se transmitiría verticalmente hacia el polvo y, al ser comprimible, su densidad aparente aumentaría. El alimentador no podría compensar el cambio en la densidad aparente porque estaba en modo volumétrico durante el ciclo de llenado. Debido a que la densidad aparente del polvo aumentó durante el llenado, la velocidad de descarga durante el ciclo de llenado y el inicio del ciclo de vaciado puede ser mayor que antes. Esto se ilustra en la Figura 3, donde la tasa de descarga se calcula midiendo el aumento de peso en un recipiente lleno por el alimentador.

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Cuando la tolva inferior se está vaciando y el alimentador está funcionando en modo gravimétrico, la tasa de descarga es muy constante. La densidad aparente del polvo no es necesariamente constante, pero el sistema de control lo compensa reduciendo la velocidad del alimentador si la densidad aumenta y viceversa. Desafortunadamente, durante el ciclo de llenado, el impacto del material fresco comprime el polvo en el fondo del contenido de la tolva. Esto significa que a medida que aumenta la densidad aparente, el controlador no ajusta la velocidad debido a que está en modo volumétrico.

Existen métodos para amortiguar la variabilidad. Por ejemplo, se puede agregar polvo fresco con más frecuencia para que se aplique menos carga durante el ciclo de llenado y se acorte el tiempo que el alimentador debe permanecer en modo volumétrico. Además, los controladores modernos son más predictivos: pueden estimar la mayor densidad aparente que acompaña al paso de llenado, lo que proporciona una estimación de la velocidad del alimentador requerida cuando el alimentador regresa al modo gravimétrico.

La variabilidad también se puede reducir modificando la sección convergente de la tolva inferior para el flujo másico. El flujo másico ocurre cuando las paredes de la tolva son lo suficientemente empinadas y tienen una fricción lo suficientemente baja como para asegurar el flujo a lo largo de ellas. Con el flujo másico, se desarrollará un estado pasivo de tensión cuando el polvo se descargue del contenedor, y este estado pasivo de tensión permanecerá durante el llenado. El polvo se comprime lateralmente y se expande verticalmente y, como resultado, las tensiones principales principales actúan horizontalmente en lugar de verticalmente. En la Figura 4 se muestra un perfil típico de tensión del principio principal.

La Figura 5 muestra el perfil de tensiones de los sólidos al final del ciclo de vaciado y al inicio y final del ciclo de llenado. Al comienzo del paso de recarga, se aplica una carga adicional al polvo como resultado del impacto del nuevo material. Debido a que la tolva inferior es una tolva de flujo másico, existe un estado pasivo de tensión. Como resultado, la tensión de los sólidos en la salida de la tolva es casi constante. En consecuencia, la densidad aparente del polvo, que está relacionada con la tensión principal mayor mediante su curva de compresibilidad, tampoco cambia.

La Figura 6 muestra la tasa de descarga de polvo desde la tolva inferior diseñada o modificada para flujo másico. Tenga en cuenta que no hay cambios significativos en la tasa de descarga cuando el alimentador opera en modo volumétrico.

La fabricación continua requiere avances constantes. La probabilidad de tener un alimentador gravimétrico confiable mejora enormemente si su tolva inferior está diseñada para flujo másico. Se requiere una prueba de fricción de la pared para determinar el ángulo recomendado de la tolva de flujo másico.

Greg Mehos, Ph.D., PE, Universidad de Rhode Island y Stephanie McClory, Universidad de New Haven. Para más información visita www.mehos.net

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