Memoria organizada - proyecto de estudio de un molino de caña de azucar PDF

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DIMENSIONAMIENTO DE MOLINO VERTICAL DE CAÑA, DE CUATRO MAZAS CON SISTEMA DE EXTRACCIÓN POR CANALES.

Por: JOSÉ DAVID ACOSTA CORREA DUVER ARLEY LOZANO YEPES JUAN MANUEL MACÍAS LÓPEZ MIGUEL ANGEL ORTEGA CAÑAS JULIÁN MATEO RUIZ URREA CRISTHIAN ZAPATA CIFUENTES

Profesora María Eugenia Muñoz Amariles Curso Representación de Sistemas Mecánicos

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA FACULTAD DE MINAS MEDELLÍN 2012 1

RESUMEN En este documento se expone con bastante detalle el molino de caña trabajado por el grupo #2 del curso “representación de sistemas mecánicos”, a lo largo de esta memoria de ingeniería se puede apreciar tanto lo general como lo especifico en el molino en sí, o en cada uno de sus sistemas. Además de una completa explicación de cada sistema con cada pieza, se pueden ver normas para representarlos tales como cotas, notas o especificaciones; también se abarca el tema de mantenimiento si es necesario. Vemos cómo actúan diferentes tipos de fuerza, presión, etc. Sobre el molino y se muestran las ecuaciones pertinentes a cada fenómeno con sus variables bien definidas.

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Tabla de contenido 1. INTRODUCCION 2. GENERALIDADES – ANTECEDENTES 2.1. DEFINICION DE MOLIENDA 2.2. PROPIEDADES DE LA CAÑA DE AZUCAR Y DEL BAGAZO QUE CONSTITUYEN LOS PARAMETROS DE PARTIDA PARA LA DEFINICION DE FORMAS Y DIMENCIONES DEL MOLINO. 2.3. SISTEMAS CONSTITUTIVOS DEL MOLINO DE CAÑA DE AZUCAR 2.3.1. TRANSMISION 2.3.2. EXTRACCION – RECOLECCION DE JUGO 2.3.3. SISTEMA GUIA – DEFLECTOR DE CAÑA 2.3.4. TENSION – CALIBRACION DE MAZAS 2.3.5. ESTRUCTURA 3. PARAMETROS PARA LA DEFINICION DE FORMAS Y DIMENCION DE DE LA MAQUINA 3.1. CUREÑAS 3.2. APOYOS 3.3. ENGRANAJES 3.4. MAZAS 3.4.1. TIPO DE MAZA ASIGNADA 3.4.2. DISPOSICION DE MAZAS 3.4.3. SETTING DE MAZAS 3.4.4. MANGUITOS DE FIJACION 3.5. PORCENTAJE DE FIBRA EN LA CAÑA 3.6. VELOCIDAD 3.7. ABERTURA DE ENTRADA 3.8. ABERTURA DE SALIDA 3.9. DIAMETRO DE MAZAS 3.10. LONGITUD DE LAS MAZAS 3.11. TAMAÑO DEL MATERIAL 3.12. TAMAÑO DE LA MAQUINA 3.13. MEDIO DE TRABAJO 3.14. MANTENIMIENTO 3.15. FACTORES ECONOMICOS 4. DEFINICION DE FORMAS Y DIMENCIONES DE LOS SISTEMAS CONSTITUTIVOS DE LAS MAQUINAS 4.1. MAZAS 4.1.1. DIMENCIONES DE MAZAS 4.1.1.1. RAYADO DE LAS MAZAS 4.1.1.2. DIMENCIONES DE LOS MANGUITOS 4.1.2. DISPOSICION DE MAZAS Y SETTING DE MAZAS 4.2. ARBOLES 4.3. APOYOS 4.4. FUENTE MOTRIZ 4.5. CHAVETAS 4.6. ENGRANAJES

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6 7 9 9 13 13 13 13 14 15 16 16 16 17 18 18 18 18 19 19 19 19 19 22 22 23 24 24 24 26 30 31 32 33 35 40 43 46

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4.7. CUREÑAS 4.7.1. MONTAJE 4.7.2. MANTENIMIENTO 5. CONCLUSIONES 6. COSTO DEL MOLINO 7. RECOMENDACIONES

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1. INTRODUCCIÓN En los últimos años, la industria panelera ha crecido de una forma considerable en Colombia, sin embargo, las herramientas para extraer jugo de caña no han tenido muchos avances desde su invención. Aún hoy en día, muchas de las empresas líderes en producción de molinos de caña de azúcar trabajan con patentes y diseños inventados hace muchos años. El objetivo principal de este proyecto es el de hacer mejoras importantes en los sistemas de extracción de jugo de caña, teniendo en cuenta la facilitación y optimización del proceso; y aun mas importante, tomar papel en la sanidad durante la extracción. Para lograr dicho objetivo, se debe evaluar minuciosamente el molino de caña tradicional, estimando falencias tanto en el proceso como en la composición de la maquina para posteriormente proponer posibles soluciones a cada sistema que compone la maquina, haciéndolo de la forma mas funcional posible, aplicando la ingeniería para resolver dicho problema. En este documento se abordan temas como las generalidades del molino de caña, se expone lo que es un molino clásico, ésto partiendo del molino amagá 12D y también de patentes que fueron asignadas a cada equipo de trabajo, además de consultas por parte de cada integrante; después se exponen las soluciones dadas, y se explica detalladamente cada sistema modificado, sustentándose en diversas fuentes. Gracias a los cambios y mejoras realizadas desde las patentes, se logra proponer un diseño donde se mejoran sustancialmente los aspectos antes mencionados.

2. GENERALIDADES – ANTECEDENTES 2.1. Definición de molienda La molienda es el proceso que busca extraer el jugo de la caña de azúcar, haciendo pasar la caña a través de un molino vertical de cuatro mazas tal y como se observa en la figura 1. La caña es recibida por el molino en el primer par quebrador de mazas, el cual se encarga de hacer la primera extracción, separando desde allí el jugo del bagazo (residuo de caña después de haber sido extraído el jugo). Finalmente la caña sale por el tercer par de mazas, el cual se encarga de presionar fuertemente la caña para extraer lo que le queda de jugo.

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Figura 1: Disposición de las mazas de un molino azucarero.1

2.2. Propiedades de la caña de azúcar y del bagazo que constituyen los parámetros de partida para la definición de formas y dimensiones del molino. A partir de las variedades de caña cultivadas en el departamento de Antioquia, para la producción de panela y productos derivados de esta, es necesario conocer sus principales características y propiedades ya que estos definen geometría y dimensiones del molino de caña. Las principales variedades cultivadas en la región son:

1 Revista Técnica de la Facultad de Ingeniería Universidad del Zulia., 2005, ‘’Diseño de dos chumaceras con sistema de sellado para el eje de maza superior de molino de caña de azúcar’’, Scielo.com. http://www.scielo.org.ve/scielo.php?pid=S0254-07702005000300006&script=sci_arttext

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Variedad

CP 57-603

PR 61-632

PR1141

CC 84-752

Puerto Rico

Cenicaña, Valle del caucaColombia

Los tallos son de porte alto cilíndricos en zigzag, de diámetro grueso y entrenudo grueso, semirrecto.

Los tallos son largos, erectos, rectos, delgados, entrenudos medianamente largos, delgados cilíndricos

Imagen

Origen

Canal point, Puerto Rico Florida-EUA

Parámetros que definen formas y dimensione s

Los tallos son de porte mediano y cilíndricos, diámetro grueso y entrenudos de longitud media

Los tallos son de porte alto, recto y cilíndrico, diámetro grueso y entrenudos largos.

Tabla 1: Variedades de caña cultivadas en Antioquia El diámetro, forma, y longitud de los canutos cambia con las diferentes variedades determinando la altura de bagazo que en condiciones normales procesa la maquina, dando lugar a los cálculos pertinentes sobre extracción que mas adelante se nombraran. La forma y dimensión de la caña también son muy importantes a la hora de definir la distribución y disposición de las mazas, la geometría de los viradores e inclinación de la bandeja de entrada y salida. 2.3. Sistemas constitutivos del molino de caña de azúcar Un molino cañero está constituido por varios sistemas que trabajan en conjunto para lograr extraer el jugo satisfactoriamente; a continuación se ve en las figuras 2 y 3 los principales sistemas y partes de un molino, y se explicara cada uno de ellos:

2 Corpoica., 2007, ‘’Variedades de la caña de azúcar para la producción de panela’’, Universidad de Pamplona Colombia. http://www.unipamplona.edu.co/unipamplona/portalIG/home_4/mod_virtuales/modulo4/tema_7.html

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Figura 2: Dibujo en 3D de un molino de caña de 3 mazas completamente ensamblado

Figura 3: plano de despiece del molino con sus partes numeradas y nombradas 8

2.3.1. Transmisión: La función de la transmisión es esencialmente dar el movimiento a las piezas del molino, transfiriendo la potencia y el torque desde un motor conectado a uno de los árboles del molino, cada árbol contiene un engranaje, el cual es el medio de transmisión de movimiento a lo largo de todo el molino. En cada árbol están también las mazas que se mueven por el efecto de la rotación recibida desde los engranajes. En Antioquia generalmente se usan motores a diesel o eléctricos, con una 2° reducción que puede ser por bandas y poleas o por medio de catalinas. Uno de los principales problemas de trabajar la transmisión por engranajes es el de la variación de la distancia entre centros, ya que se necesitan calibrar las mazas a medida que se desgastan. Para dar una solución a este problema se utilizan piñones cañeros, que gracias a su geometría permiten una variación entre centros del 8 al 11% de la distancia; mientras que un piñón normal permite una variación de alrededor del 4%. 2.3.2. Extracción-recolección de jugo: Es el conjunto de piezas que tienen mayor interacción con la caña, y por consiguiente con su jugo. Lo más destacado de este sistema son las mazas, las cuales ejercen presión sobre la caña en dos o tres puntos diferentes del molino (dependiendo si son 3 ó 4 mazas, respectivamente), triturándola y así obteniendo su jugo. Hay que tener en cuenta la diferencia en las presiones de cada par de mazas, puesto que cada vez que la caña pasa al siguiente par experimentara una presión mayor; el primer par funciona esencialmente como quebrador de la caña y la mayor extracción de jugo se da en el último par donde, como se mencionó antes, hay una mayor presión sobre la caña. Para optimizar la extracción de jugo, las camisas de las mazas cuentan con un rayado especial para mayor extracción y mejor transito del jugo. Como las mazas quedan con fibras de bagazo después de la extracción, estas cuentan con raspadores (laminas con dientes en un lado) que son los encargados de limpiar la maza. El jugo después de esta extracción cae en un recipiente, llamado recolector de jugo, y se envía después a proceso y tratamiento. El materia que se debe usar en cada una de las piezas mencionadas antes debe ser muy resistente a la corrosión, porque el jugo puede oxidarlas fácil y esto supone problemas tanto de sanidad como de costos en cambio de piezas. Para estimar la extracción del jugo, se deben tener en cuenta ciertos factores como el contenido de fibra en la caña, la velocidad del molino, la abertura en el primer par de mazas (abertura de entrada), abertura en el último par de mazas (abertura de salida), diámetro y largo de mazas. En las siguientes graficas 3, podemos ver cómo las variables mencionadas anteriormente se relacionan en cuanto a la extracción de sacarosa y en peso, además del consumo de potencia del motor y la capacidad del molino: 3 Acevedo Agudelo, Maria Edilma., 1987, ‘’Diseño de la transmisión de potencia de un motor eléctrico a un trapiche’’, Universidad Nacional de Colombia.

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Figura 4: Gráfica del comportamiento del contenido de fibra % con relación a la extracción en peso (Ep), sacarosa(Es), capacidad (C) y consumo de potencia (P).

Figura 5: grafica del comportamiento de la velocidad (en m/min) con relación a la extracción en peso (Ep), extracción de sacarosa (Es), capacidad (C) y consumo de potencia (P). 10

Figura 6: grafica del comportamiento en la variación de la aberturas de entrada (en mm) con relación a la capacidad (C) y el consumo de potencia (P) para las velocidades de 7 m/min y 10 m/min en las mazas.

Figura 7: grafica del efecto de la abertura de salida (en mm) sobre la extracción en peso (Ep), extracción de sacarosa (Es), capacidad (C) y consumo de potencia (P) 11

Figura 8: grafica del diámetro de mazas (en cm) con relación a la capacidad (C) y consumo de potencia (P).

Figura 9: grafica de la longitud de las mazas (en cm) con relación a la capacidad (C) y consumo de potencia (P) 12

2.3.3. Sistema guía-deflector de caña Las piezas en este sistema están encomendadas a guiar la caña a través de su proceso de extracción por el molino. Comienza con la bandeja de entrada, que recibe la caña y deja que se deslice hasta el primer par de mazas, debido a su inclinación. Entre cada par de mazas hay espacio vacío por donde la caña puede desviarse y entorpecer la extracción, para evitar esto el molino cuenta con viradores, estos ocupan ese espacio vacío y al tener una geometría circular obligan a la caña a deflactarse y seguir su camino normalmente, si el molino es de 3 mazas solo tiene un virador y si es de 4 cuenta con 2 de ellos. Por último tenemos la bandeja de salida; aquí es donde la caña se apoya luego de su última extracción, en esta parte es donde la caña termina su recorrido a lo largo de todo el molino, el bagazo sobrante puede usarse como combustible en los hornos o como materia prima para hacer papel. 2.3.4. Tensión-calibración de mazas Este sistema se encarga de mantener las mazas en la posición adecuada para conservar el setting y así dar paso a una buena extracción. En un molino tradicional se utilizan tornillos tensores que mantienen fijas las mazas inferiores, y un cabezote hidráulico para presionar la maza superior con su pistón.

2.3.5. Estructura Todo el montaje del molino debe estar soportado en una estructura, y para eso tenemos la cureña, la cureña es la base en toda la estructura del molino, aquí descansan los apoyos de los árboles y a su vez recibe gran parte de la carga de las mazas. La cureña cuenta con un bancazo, el cual le brinda mucha más estabilidad. En algunos casos las cureñas tienen brazos, que sirven como extensión de la misma y que pueden servir, por ejemplo, para ahorrar algo de material, incluyendo también versatilidad en el movimiento de la estructura si se usan pivotes en las uniones de cureñas y brazos. La mayoría de los accesorios también están unidos a la cureña. Por lo que se requiere que la geometría de esta estructura sea muy estable y de un material resistente para soportar tanto cargas como vibraciones o percances en la molienda.

3. PARAMÉTROS PARA LA DEFINICIÓN DE FORMAS Y DIMENSIONES DE LA MÁQUINA. El punto de partida de este proyecto se basa principalmente en las características del molino Amaga 12D y en dos patentes que fueron asignadas al inicio del curso, en las cuales se presentaba un nuevo diseño de mazas y cureñas para la optimización de la extracción del jugo de caña de azúcar. La patente base para las mazas fue: ‘’Rodillo de molino con capacidad de extracción de jugo mejorada’’, la cual proponía una maza compuesta por una camisa y un núcleo. Para la cureña, 13

el punto inicial fue la patente ‘’Molino triturador de caña de azúcar de dos rodillos mejorado’’, en donde se exponía una idea de cureña con dos brazos pivotados que facilitan el montaje y desmontaje del molino. Antes de entrar a diseñar el molino regido por las patentes, se tuvieron en cuenta los materiales con los que se contaba en el laboratorio de diagnóstico de maquinaria, esto para saber los límites que se tenían en cuanto a materia prima y algunas dimensiones. Igualmente se estudió el plano del grupo de diseño integrado en donde se presentaba un molino de cuatro mazas, esto con el fin de conocer más detalladamente lo que se debía trabajar en el transcurso del proyecto. 3.1. Cureñas Para el desarrollo de las cureñas del molino, fue recomendada una patente con el nombre de “Un Molino Triturador de Caña de Azúcar de dos Rodillos Mejorado”; esta patente tiene un diseño un poco más vertical que los molinos tradicionales en cuanto a la distribución de las mazas. La cureña tiene una forma de “L” en la cual se apoya la cuarta maza en la parte superior, y la bagacera en la parte inferior. Esta cureña cuenta con brazos a cada lado, soportando cada uno la maza cañera y la superior respectivamente. El sistema de brazos le da cierta versatilidad al movimiento de las mazas para su correcta calibración, ya que los brazos están unidos a la cureña por medio de pivotes, a la calibración también ayuda un riel que desliza la cuarta maza a lo largo de la parte superior de la cureña. La patente también nos plantea que los brazos se calibran por medio de actuadores y tornillos de posición; además, la línea desde el centro de la maza bagacera hasta el centro de la superior, forma un ángulo de 80° con la horizontal. Para tener una visión mas clara de la patente, a continuación se muestra la siguiente figura 10 con el esquema general de la misma.

Figura 10: Patente designada para el desarrollo de cureña 14

3.2 Apoyos En los molinos tradicionales se usan bujes hechos principalmente en bronce, siendo éstos dos tipos: el de la maza mayal, que cubre completamente el árbol, y el de las demás mazas, que cubren solo una parte de cada árbol, ya que no se necesita completo gracias a su posición en la cureña. Como se decidió trabajar la refrigeración del apoyo con jugo, se empezó a indagar algún sistema que ayude con la refrigeración sin que el jugo se mezcle con el lubricante de los apoyos, y en la biblioteca de la universidad nacional-sede Medellín (Facultad de minas) se encontró una tesis, de Luis Esteban Sánchez Muñoz, donde se propone un apoyo con canales internos en el intercambiador de calor y la lubricación funcionaba por medio de una grasera en la mitad del portabujes. Se partió desde este prototipo para diseñar el apoyo, a continuación de muestran las figuras 11 y 12 donde se observa el sólido del apoyo y el despiece del mismo de dicho prototipo:

Figura 11: Prototipo de apoyo ensamblado.

Figura 12: Prototipo de apoyo explosionado.

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3.3. Engranajes Como no se especifico transmisión alguna en la patente, el sistema fue ideado por los ingenieros encargados del mismo. Para poder llegar a los engranajes ideales se debe tener en cuenta el diámetro de los ejes y el setting de mazas, esto condiciona el diámetro exterior y el interior, porque basados en lo anterior se debe velar por que los engranajes no se choquen, pero que tampoco se desengranen.

3.4. MAZAS. 3.4.1. Tipo de maza asignada. Según la patente ‘’Rodillo de molino con capacidad de extracción de jugo mejorada’’, la maza está formada por una camisa exterior y un núcleo. La camisa esta provista de por una serie de ranuras circunferenciales hechas a través de toda su superficie, igualmente tiene una serie de perforaciones que se ubican en el fondo de dichas ranuras. La patente muestra un núcleo el cual tiene canales helicoidales que van de extremo a extremo de la maza. La figura 13 muestra el ranurado y las perforaciones de la camisa, de igual manera se ejemplifica el núcleo y sus canales, según la mencionada patente.

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Figura 13: Camisa ranurada y núcleo con canales helicoidales. 3.4.2. Disposición de mazas. Antes de hacer la disposición de las mazas en el molino, se debe tener en cuenta que un factor que marcó el inicio de este proceso fue el hecho de tener cuatro mazas en vez de tres (número de mazas que se encuentran en los molinos generalmente). En la figura 14 se muestra brevemente la distribución de mazas en el molino de tres rodillos.

Figura 14: Molino de tres mazas. Mazas dispuestas en los tres vértices de un triángulo isósceles. Para este proyecto, la patente expone una disposición de mazas vertical, en donde el eje central de la maza bagacera y la maza superior conservan un ángulo de 80 grados con la horizontal, de igual manera para los ejes de las mazas cañera y cuarta. La maza bagacera se encuentra fija en la cureña, las mazas superior y cañera se encuentran apoyadas sobre dos brazos; finalmente la cuarta maza esta puesta sobre un apoyo que cuanta con un riel. En la figura 15 se puede observar lo propuesto por dicha patente.

Figura 15: Distribución de mazas en el molino según la patente. 17

3.4.3. Setting de mazas. Para determinar el setting del primer par de mazas se tomó como base el plano del grupo de diseño integrado, el cual sugiere una separación de 11mm, lo que se reitera en el libro ‘’Diseño de la transmisión de potencia de un motor eléctrico a un trapiche’’; en este se sugiere un rango para el ajuste de entrada el cual oscila entre 10mm y 20 mm4. El setting para el tercer par de mazas está basado en el rango de o.5mm y 5mm presentado en la referencia anterior. ...