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— Tutorial Nº 143 —

Cálculo de Transportadores
de Tornillo Sin Fin

Índice de contenidos:

1- Introducción

1.1- Generalidades

1.2- Clasificación

2- Componentes del sistema

2.1- Hélice y eje

2.2- Carcasa

2.3- Grupo motriz

2.4- Velocidad de giro del tornillo

2.5- Paso y Diámetro del tornillo

3- Capacidad de transporte

3.1- Generalidades

3.2- Determinación del flujo de material

4- Potencia de accionamiento

4.1- Generalidades

4.2- Cálculo de la potencia total

5- Tipos de materiales

5.1- Materiales de Clase I

5.2- Materiales de Clase II

5.3- Materiales Clase III

5.4- Materiales de Clase IV

5.5- Materiales de Clase V


DESARROLLO DEL CONTENIDO


1- Introducción

1.1- Generalidades

Entre los sistemas de manutención, entendido como el conjunto de medios técnicos, instrumentos y dispositivos que hacen posible la MANIPULACIÓN y TRASLADO de los materiales, más empleados en la industria están los Transportadores de Tornillo Sin Fin.

Transportador de tornillo sin fin

Básicamente, un transportador normalizado de tornillo sin fin está constituido por una hélice montada sobre un eje que se encuentra suspendido en un canal, generalmente en forma de "U", como se muestra en la figura adjunta.

Un grupo motorreductor situado en uno de los extremos del eje del tornillo hace girar la hélice que arrastra el producto a transportar.

Es un sistema de manipulación y transporte de material extremadamente versátil, que puede ser empleado, además de como equipo de trasiego de material, como dispositivo dosificador, o también como elemento que funciona como mezclador o agitador.

Entre las ventajas del uso de transportadores de tornillo sin fin están, entre otras:

Sencillez de fabricación, con diseño compacto de fácil instalación

Es un sistema de bajo costo

Posibilidad de hacer fácilmente hermético el sistema, lo que evita la generación de polvos y posibles exhalaciones molestas

Transportador de tornillo sin fin cerrado

Posibilidad también de colocar bocas de carga y descarga en diferentes puntos.

Por el contrario, es un sistema de manutención que también presenta ciertas desventajas, como son:

Mayores requerimientos de potencia para su accionamiento

Para usos en configuraciones con diferencia de altura entre la carga y la descarga, este sistema presenta cierta dificultad de sobrepasar ciertas pendientes de elevación, disminuyendo su capacidad de transporte con la pendiente

Tampoco se recomienda emplear transportadores de tornillo excesivamente largos (se suelen emplear para longitudes de trasiego de material menores de 50 metros)

Es un sistema que genera un fuerte desgaste en los componentes, por lo que se limita su uso a manipular materiales siempre NO abrasivos

También puede producir contaminación del material, por lo que empleando este sistema puede existir peligro de deterioro de ciertos productos

Además, el uso de transportadores de tornillo sin fin está limitado a materiales que no sean frágiles o delicados.

 

1.2- Clasificación

La característica fundamental de un transportador de tornillo sin fin es la presencia en su diseño de un tornillo giratorio o árbol que hace desplazar al material en la dirección de su eje longitudinal, gracias a la acción de empuje que ejercen unas hélices o paletas soldadas al eje del tornillo.

Dependiendo de la forma del diseño del eje del tornillo, los transportadores de tornillo se pueden clasificar en diversos tipos:

Tornillo sin fin de hélice helicoidal

Tornillo sin fin de hélice seccional

Tornillo sin fin de paletas cortadas

Tornillo sin fin de paletas tipo cinta

Tornillo sin fin con palas

Tornillo sin fin de paletas plegadas y cortadas

Tornillo sin fin de paso corto de paletas cortadas con palas

Tornillo sin fin de palas

Tornillo sin fin de paletas distribuidas formando un cono

Tornillo sin fin de diámetro escalonado

Tornillo sin fin de paso escalonado

Tornillo sin fin de paso largo

Tornillo sin fin de doble paleta

2- Componentes del sistema

2.1- Hélice y eje

Para el manejo de materiales y productos normales, la hélice de un transportador de tornillo está normalmente fabricada en chapa de acero al carbono de 3 a 4 mm de espesor. Su diámetro suele ser inferior en unos 2 cm al de la carcasa, ya que no deberá rozar las paredes de la misma cuando el eje del tornillo gire. El tipo de hélice varía en relación al producto a transportar y de su función.

Componentes de un transportador de tornillo

En la figura esquemática adjunta se puede consultar, además de la hélice y eje, los principales componentes que constituyen un transportador de tornillo sin fin de manera genérica.

Como se aprecia en la figura, la hélice va montada sobre el eje portante del tornillo, que a su vez es el generador del movimiento giratorio al estar engranado a un grupo motriz en uno de sus extremos.

Para evitar que se produzcan excesivas flexiones del eje, se hace necesario disponer de una serie de soportes intermedios (generalmente situados cada 3 - 4 metros) para apoyar el eje. En cada apoyo se hará uso de cojinetes para aminorar el rozamiento del eje en los soportes.

La instalación de estos soportes intermedios producen zonas de interrupción en la hélice, que suelen generar zonas de atasco del producto, por lo que se recomienda extremar el cuidado en el diseño de estos puntos de apoyo.

Para aminorar este problema, a veces se aumenta la separación entre puntos de apoyo, pero en este caso se hace necesario utilizar ejes macizos, ya que la distancia máxima entre apoyos está limitada por el esfuerzo de torsión a que se somete el eje.

A continuación, en la siguiente tabla se muestran los distintos tipos de hélices, según el tipo de material a transportar y de la función a realizar:

Tipo de Hélice

Tipo de Material para
Transportar / Aplicación

Figura

Hélice continua, de paso igual al diámetro

Tipo de hélice normal para transporte de sólidos

Transportador de hélice continua

Hélice de gran paso, de 1,5 a 2 veces el diámetro

Se utiliza para productos que fluyen muy bien

Transportador de hélice de gran paso

Hélice de pequeño paso, normalmente la mitad del diámetro

Se utiliza en tornillos sin fin inclinados hasta unos 20-25°, o cuando se quiere un prolongado tiempo de permanencia del producto en el transportador con el objeto de enfriarlo, secarlo, etc.

Transportador de hélice de paso pequeño

Hélice de paso variable

Utilizado para compresión de productos, como es el caso de las prensas de tornillo.

Transportador de hélice de paso variable

Hélice de diámetro variable

Se utiliza como extractor dosificador de sólidos de tolvas.

Transportador de hélice de diámetro variable

Hélice de cinta

Tipo de hélice adecuada para productos que producen atascamiento.

Transportador de hélice de cinta

Hélice mezcladora, con dos hélices tipo cinta, uno a derecha y otro a izquierda

Se utiliza como equipo mezclador

Transportador de hélice mezcladora

Hélice mezcladora, con eje provisto de paletas

Se utiliza como equipo mezclador

Transportador de hélice mezcladora con paletas


 

2.2- Carcasa

Las paredes metálicas que cierran y envuelven al transportador forman la carcasa del tornillo, y sirve para contener el material y separarlo del ambiente exterior.

Componentes de un transportador de tornillo

Como se aprecia en la figura adjunta donde se indican los componentes principales de un transportador de tornillo, elementos como el canalón o la tapa superior forman parte de la carcasa del transportador.

Normalmente, los elementos que componen la carcasa de los transportadores de tornillo están fabricadas en chapa de acero al carbono de 3 a 6 mm de espesor.

Cuando se trata de la manipulación de productos altamente abrasivos o corrosivos, o bien por razones sanitarias (como en el caso de productos alimenticios), las paredes de la carcasa de los transportadores se construyen en acero inoxidable.

En la carcasa se colocan tanto las bocas de carga (normalmente situada en la tapa superior) como la de descarga (situada en el canalón), dispuestas de acuerdo con las necesidades del proceso tecnológico.

En algunos casos, por necesidades higiénicas, sanitarias o de otra índole, las paredes de la carcasa del transportador son totalmente cerradas y herméticas, configurando una especie de tubo dentro del cual gira el sin fin.

 

2.3- Grupo motriz

Para el accionamiento de giro del eje del tornillo es necesario la instalación en el sistema del transportador de un grupo motriz, normalmente de accionamiento eléctrico.

Grupo motriz de un transportador de tornillo

El grupo motriz está formado por un motor-reductor con base de fijación sobre una bancada solidaria a la carcasa, efectuándose la unión de la mangueta del reductor con el eje del tornillo sin fin mediante un acoplamiento.

En los casos de transportadores de tornillo de mayor potencia es recomendable incluir un acoplador hidráulico entre el motor y el reductor de velocidad, con objeto de conseguir un arranque suave del sistema a plena carga.

Para una mayor información, en el siguiente apartado se realiza un estudio en mayor detalle del rango de velocidad de giro que debe proporcionar el grupo motriz al eje del tornillo, según las distintas aplicaciones.

 

2.4- Velocidad de giro del tornillo

La velocidad de giro (n) de los transportadores de tornillo depende, entre otros factores, de la naturaleza del material a transportar.

En este sentido y según el tipo de material a desplazar, la velocidad de giro del tornillo suele estar comprendida, con buena aproximación, entre los siguientes rangos:

para materiales pesados → n ≈ 50 r.p.m.

para materiales ligeros → n < 150 r.p.m.

En general, se cumple que la velocidad de giro de un transportador de tornillo es inversamente proporcional a:

el peso a granel del material a transportar

del grado de abrasividad del material a transportar

diámetro del tornillo.

Por otro lado, la máxima velocidad de giro a la que puede trabajar un tornillo sin fin depende de, además de la naturaleza del material a transportar, del diámetro total del tornillo (eje+hélice).

En la siguiente tabla se indica la velocidad de giro recomendada para un transportador de tornillo en función de la clase de material y del diámetro del tornillo:

Diámetro del tornillo (mm.)

Velocidad máxima (r.p.m.) según la clase de material (*)

Clase I

Clase II

Clase III

Clase IV

Clase V

100

180

120

90

70

30

200

160

110

80

65

30

300

140

100

70

60

25

400

120

90

60

55

25

500

100

80

50

50

25

600

90

75

45

45

25


(*) Ver las distintas clases de material definidas en el apartado 5.

 

2.5- Paso y Diámetro del tornillo

En todo transportador el paso de tornillo, también conocido como paso de hélice, se define como la distancia entre dos hélices consecutivas en la dirección del eje del tornillo, según se puede ver en la figura siguiente que se adjunta.

Paso y diámetro del tornillo

En general, la dimensión para el paso de los transportadores de tornillo suele estar comprendida entre 0,5 y 1 veces la medida del diámetro del mismo, siendo mayor cuanto más ligera sea la carga que se vaya a transportar con el tornillo.

En cuanto al diámetro de la hélice del tornillo, su dimensión es inversamente proporcional a la velocidad de giro del eje, es decir, para velocidades de giro más elevadas supondrá un tornillo de hélices más estrechas.

En general, la dimensión del diámetro que hay que emplear en los transportadores de tornillo depende también del tipo de material a transportar, cumpliéndose de manera muy aproximada la siguiente relación:

para materiales homogéneos, el diámetro del tornillo será, al menos, 12 veces mayor que el diámetro de los pedazos a transportar;

para materiales heterogéneos, el diámetro del tornillo será 4 veces mayor que el mayor diámetro de los pedazos a transportar.

3- Capacidad de transporte

3.1- Generalidades

Antes de conocer las expresiones matemáticas que permiten obtener el flujo de material que puede desplazar un transportador de tornillo, es necesario definir los siguientes conceptos:

- Área de relleno del canalón (S):

El área de relleno (S) del canalón que ocupa el material que mueve el transportador, se puede obtener mediante la siguiente expresión:

 

π · D2

 

S = λ ·


 

 

4

 


donde,

S   es el área de relleno del transportador, en m2

D   es el diámetro del canalón del transportador, en m

λ   es el coeficiente de relleno de la sección.

Este coeficiente de relleno (λ) deberá ser menor que la unidad con objeto de evitar que se produzca amontonamiento del material que dificultaría su correcto flujo a lo largo del canalón.

En la siguiente tabla se indican los valores del coeficiente de relleno (λ) en función del tipo de carga que transporta el tornillo:

Tipo de carga

Coeficiente de relleno, λ

Pesada y abrasiva

0,125

Pesada y poco abrasiva

0,25

Ligera y poco abrasiva

0,32

Ligera y no abrasiva

0,4


 

- Velocidad de desplazamiento del transportador (v):

La velocidad de desplazamiento (v) del transportador es la velocidad con la que desplaza el material en la dirección longitudinal del eje del tornillo. Depende tanto del paso del tornillo como de su velocidad de giro.

La expresión que permite conocer la velocidad de desplazamiento en un transportador de tornillo es la siguiente:

 

p · n

 

v =


 

 

60

 


donde,

v   es la velocidad de desplazamiento del transportador, en m/s

p   es el paso del tornillo o paso de hélice, en m

n   es la velocidad de giro del eje del tornillo, en r.p.m.

 

3.2- Determinación del flujo de material

La capacidad de transporte de un transportador de tornillo sin fin viene determinada por la siguiente expresión que calcula el flujo de material transportado:

Q = 3600·S·v·ρ·i

donde,

Q   es el flujo de material transportado, en t/h

S   es el área de relleno del transportador, en m2, visto en el apartado anterior

v   es la velocidad de desplazamiento del transportador, en m/s, visto en el apartado anterior

ρ   es la densidad del material transportado, en t/m3

i   es el coeficiente de disminución del flujo de material debido a la inclinación del transportador.

En la siguiente tabla se muestran los valores de este coeficiente (i) de disminución de flujo que indica la reducción de capacidad de transporte debida a la inclinación:

Inclinación del canalón

10º

15º

20º

i

1

0,9

0,8

0,7

0,6


 

Si se sustituye las expresiones que calculan el área de relleno del transportador (S) y de la velocidad de desplazamiento (v) vistas en el apartado anterior, la capacidad de flujo de material transportado (Q) resultaría finalmente como:

Q = 3600 · λ ·  π · D2  ·  p · n  · ρ · i


4 60

A título de ejemplo se incluye la siguiente tabla donde se recogen algunos datos indicativos relativos a la capacidad de transporte de un tornillo sin fin de tipo comercial:

Capacidad de transporte de un tornillo sin fin

Capacidad de transporte de un tornillo sin fin

4- Potencia de accionamiento

4.1- Generalidades

La potencia de accionamiento (P) de un transportador de tornillo sin fin se compone de la suma de tres componentes principales, según se refleja en la siguiente expresión:

P = PH + PN + Pi

donde,

PH   es la potencia necesaria para el desplazamiento horizontal del material

PN   es la potencia necesaria para el accionamiento del tornillo en vacío

Pi   es la potencia necesaria para el caso de un tornillo sin fin inclinado.

 

4.2- Cálculo de la potencia total

Para el cálculo de la potencia total (P) de accionamiento de un transportador de tornillo se deberá calcular previamente las necesidades de potencia de cada tipo, según lo indicado en el apartado anterior, y posteriormente sumarlas para el cálculo de la potencia total.

Potencia para el desplazamiento horizontal del material (PH):

La potencia necesaria para realizar el desplazamiento horizontal del material se calcula mediante la siguiente expresión:

 

Q · L

 

PH (kW) = c0 ·


 

 

367

 


donde,

Q   es el flujo de material transportado, en t/h

L   es la longitud del transportador, en m

c0   es el coeficiente de resistencia del material transportado. Para el conocer el valor de este coeficiente, se puede emplear la tabla adjunta obtenida empíricamente a partir del ensayo con materiales de distinta naturaleza:

Tipo de material

Valor de c0

Harina, serrín, productos granulosos

1,2

Turba, sosa, polvo de carbón

1,6

Antracita, carbón, sal de roca

2,5

Yeso, arcilla seca, tierra fina, cemento, cal, arena

4


 

Potencia de accionamiento del tornillo en vacío (PN):

La potencia necesaria para el accionamiento del tornillo en vacío se puede calcular con bastante aproximación mediante la siguiente expresión:

 

D · L

 

PN (kW) = 


 

 

20

 


donde,

D   es el diámetro de la sección del canalón de la carcasa del transportador, en m

L   es la longitud del transportador, en m

Normalmente, el valor nominal de esta potencia es muy pequeña en comparación con la potencia necesaria para el desplazamiento del material del punto anterior.

 

Potencia para el caso de un tornillo sin fin inclinado (Pi):

Esta componente se aplica para el caso que se use un transportador de tornillo inclinado, donde exista una diferencia de cota (H) entre la posición de la boca de entrada del material y la boca de salida o de descarga.

En este caso, la potencia necesaria para realizar el desplazamiento del material por un transportador de tornillo inclinado se emplea la siguiente expresión:

 

Q · H

 

Pi (kW) = 


 

 

367

 


donde,

Q   es el flujo de material transportado, en t/h

H   es la altura de la instalación, en m

Finalmente, la potencia total (P) necesaria para el accionamiento de un transportador de tornillo resulta de la suma de las distintas necesidades de potencias calculadas anteriormente:

P = PH + PN + Pi =  c0 ·  Q · L  +  D · L  +  Q · H



367 20 367

Que finalmente se puede expresar como:

P =  Q · ( c0 · L + H )  +  D · L


367 20

5- Tipos de materiales

5.1- Materiales de Clase I

Los materiales de Clase I son principalmente materiales pulverulentos, no abrasivos, que tienen un peso específico que se sitúa entre 0,4 - 0,7 t/m3 aproximadamente, y que fluyen fácilmente.

Entre los materiales pertenecientes a esta clase están:

Cebada, trigo, malta, arroz y similares.

Harina de trigo y similares.

Carbón en polvo.

Cal hidratada y pulverizada.

 

5.2- Materiales de Clase II

Los materiales de Clase II son materiales que se presentan en granos o pequeños tamaños, mezclados en polvo, son de naturaleza no abrasiva, que fluyen fácilmente. Su peso específico se sitúa entre 0,6 - 0,8 t/m3.

Entre los materiales pertenecientes a esta clase están:

Alumbre en polvo.

Haba de soja.

Granos de café, cacao y maíz.

Carbón de hulla en finos y menudos.

Cal hidratada.

 

5.3- Materiales de Clase III

Los materiales de Clase III son materiales semi-abrasivos de pequeño tamaño, mezclados con polvos, con peso específico que se sitúa entre 0,6 - 1,2 t/m3.

Entre los materiales pertenecientes a esta clase están:

Alumbre en terrones.

Bórax.

Carbón vegetal.

Corcho troceado.

Pulpa de papel.

Leche en polvo.

Sal.

Almidón.

Azúcar refinada.

Jabón pulverizado.

 

5.4- Materiales de Clase IV

Los materiales de Clase IV son materiales semi-abrasivos o abrasivos, granulares o pequeños tamaños en mezcla con polvos. Son materiales con un peso específico que se sitúa entre 0,8 - 1,6 t/m3.

Entre los materiales pertenecientes a esta clase están:

Bauxita en polvo.

Negro de humo.

Harina de huesos.

Cemento.

Arcilla.

Azufre.

Arena.

Polvo de piedra caliza.

Azúcar sin refinar.

Resinas sintéticas.

Óxido de cinc.

 

5.5- Materiales de Clase V

Los materiales de Clase V son materiales abrasivos, troceados o en polvo, como pueden ser cenizas, hollines de conductos de humos, cuarzo pulverizado, arena silícea.

Esta clase de materiales, al ser de naturaleza abrasiva, se debe evitar que entre en contacto con soportes y cojinetes.

Como norma general, NO es aconsejable utilizar transportadores de tornillo sin fin para transportar esta clase de material.

 

 

 

>> FIN DEL TUTORIAL

 

 

 

 

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