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Cálculos de diseño de Transportadores de tornillo

Diseño de alimentadores de tornillo

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Resumen de la página
1. Definición de un alimentador de tornillo
2. Posición en el proceso
3. Consideraciones importantes para el diseño
4. Diseño de la hélice del tornillo
5. Dosificación
6. Problemas comunes con los transportadores de tornillo

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1. Procedimiento de diseño

¿Cómo dimensionar un alimentador de tornillo?

En la industria se pueden encontrar diferentes procedimientos de diseño. El presentado en esta página está derivado de la metodología CEMA; permite realizar un diseño básico, pero no está destinado a un diseño detallado o fabricación. **SIEMPRE** consulte a una empresa de reconocimiento antes de fabricar un transportador de tornillo (por ejemplo, empresas asociadas a CEMA).

El procedimiento presentado en esta página permitirá aproximar la capacidad del transportador de tornillo considerando diferentes parámetros de diseño como... [ ]. La metodología está orientada al diseño de tornillos grandes para industrias como carbón, cemento, etc. Para tornillos más pequeños, se recomienda verificar los resultados obtenidos con el procedimiento.

A continuación, se muestra un diseño típico de transportador de tornillo:

Figura 1: Dibujo esquemático del transportador de tornillo y componentes clave

2. Diseño de un nuevo transportador de tornillo

Datos conocidos: capacidad requerida del transportador de tornillo, material
Incógnitas: tamaño y características del tornillo

2.1 Fórmula simplificada

La capacidad de un transportador de tornillo con hélice estándar puede estimarse de la siguiente manera:

Donde:

Q = capacidad del tornillo en kg/h
D = diámetro del tornillo en m
S = paso de la hélice en m
N = velocidad del tornillo en rpm
α = relación de carga
ρ = densidad aparente del material en kg/m³
C = factor de corrección por inclinación

Paso 1: definir los requisitos

Definir la capacidad requerida para el transportador de tornillo. El diseño debe alcanzar una capacidad igual o superior a este valor.

Ejemplo: el requisito para un tornillo que transporta azúcar es de 3500 kg/h.

Paso 2: calcular la capacidad del transportador de tornillo

• Asumir un diámetro D

• Definir el paso de la hélice (depende de las características del producto a transportar, entre otros parámetros) según el diámetro del tornillo.

Paso	Longitud del paso S
Estándar	S = D
Corto	S = (2/3)*D
Mitad	S = D/2
Largo	S = 1.5*D

• Estimar la relación de carga α del tornillo según las propiedades de flujo del sólido a transportar

Material	Relación de carga mínima	Relación de carga máxima
Flujo no libre	0.12	0.15
Fluidez media	0.25	0.30
Flujo libre	0.4	0.45

Nota: estos valores son órdenes de magnitud. Pueden ser mayores o menores; en algunos casos, la relación de carga puede alcanzar incluso el 95%.

• Definir si el transportador de tornillo es horizontal (siempre preferible) o debe estar inclinado. Determinar el factor de corrección correspondiente.

Inclinación en °	Factor de corrección C
0	1
5	0.9
10	0.8
15	0.7
20	0.65

• Ajustar la velocidad del tornillo para que la capacidad del mismo sea superior al requisito.

Ejemplo:

• Diámetro asumido: 0.1 m
• Sin requisitos específicos para el tornillo; se elige un paso estándar, S = 0.1 m
  
• El azúcar tiene flujo libre; se selecciona una relación de carga de 0.45
• El tornillo está instalado sin inclinación, C = 1
• La densidad del azúcar es de 800 kg/m³

El cálculo arroja 17 kg/h para 1 rpm. Ajustando la velocidad, se requieren 207 rpm para alcanzar una capacidad de 3500 kg/h.

Paso 3: comparar la capacidad calculada con la velocidad máxima del tornillo

En la tabla siguiente se indican algunas velocidades máximas de referencia para tornillos:

Diámetro del tornillo en m	15%	30%A	30%	45%
0.1	69
0.15	66
0.23	62
0.25	60
0.30	58
0.36	56
0.41	53
0.46	50
0.51	47
0.61	42

Si la velocidad calculada en el paso 2 es < que la velocidad máxima para el diámetro de tornillo sinfín seleccionado, el diseño puede mantenerse.

Si la velocidad calculada en el paso 2 es > que la velocidad máxima para el diámetro de tornillo sinfín seleccionado, el diseño no es adecuado y el cálculo debe repetirse modificando un parámetro, típicamente el diámetro.

Ejemplo:

• El diámetro seleccionado fue de 0.1 m, para el cual la velocidad máxima recomendada del tornillo sinfín al 45% es de 190 rpm
• La velocidad calculada es demasiado alta; el cálculo debe repetirse modificando un parámetro. Se puede seleccionar un diámetro mayor, D = 0.15 m
• El cálculo se repite y esta vez se obtiene una velocidad de 62 rpm. Al ser menor que la velocidad máxima recomendada, el diseño del tornillo sinfín puede seleccionarse.

2.2 Fórmula alternativa proporcionada por CEMA

La asociación CEMA define la capacidad de un transportador de tornillo sinfín como:

C = 0.7854*(Ds²-Dp²).P.K.60/1728

Donde:

C = capacidad en ft³/h/rpm
Ds = diámetro de la hélice del tornillo sinfín en pulgadas
Dp = diámetro del eje o tubo que soporta la hélice del tornillo sinfín en pulgadas
P = paso de la hélice en pulgadas
K = porcentaje de llenado de la artesa

Es la capacidad por 1 rpm. Si las dimensiones son conocidas, como en el caso de un tornillo sinfín existente, la capacidad del tornillo (ft³/h) puede obtenerse multiplicando por las rpm a las que opera el tornillo.

La fórmula arroja resultados similares a los de la fórmula mencionada anteriormente.

Velocidad del transportador de tornillo sinfín

La velocidad del transportador de tornillo sinfín puede determinarse dividiendo la capacidad requerida Q por la capacidad calculada C: N = Q/C

También puede calcularse de la siguiente manera cuando se dispone de diseños estándar de tornillos: N = Q·CF₀·CF₁·CF₂·CF₃/C₁

Donde:

N = velocidad del tornillo sinfín en rpm
Q = capacidad requerida en ft³/h
C₁ = capacidad de transporte a 1 rpm (tabulada)
CF₀ = factor de sobrecarga = 1.1 a 1.2
CF₁ = factor de paso del transportador
CF₂ = factor de tipo de hélice
CF₃ = factor de paletas de mezcla

Verificación de la capacidad de un transportador de tornillo sinfín existente

4. Requisito de potencia del transportador de tornillo sinfín

5. Ejemplo de cálculo

Supongamos que un ingeniero desea dimensionar un transportador de tornillo sinfín para manejar harina de trigo a 5 t/h.

Con una densidad aproximada de 0.510 kg/m³, lo que da un flujo volumétrico de 5000/0.510 = 9800 l/h = 9.8 m³/h. Para convertir a ft³/h, es necesario multiplicar por 35.3147, lo que resulta en 346 ft³/h.

PASO 1: Comprender el servicio requerido

El tornillo sinfín operará en posición horizontal, sin inclinación, y no hay necesidad de hélices especiales, por lo que se utilizará una hélice estándar (sin cortes, no es cinta, sin paletas, etc.).

La harina fluye bien y es fina; se asume una tasa de llenado mínima del 45%.

PASO 2: Asumir un tamaño de tornillo sinfín

Se asume inicialmente un diámetro de tornillo sinfín de 150 mm (≈6 pulgadas) y un paso estándar.

PASO 3: Definir la capacidad estándar del tornillo sinfín

Según las tablas, un transportador de tornillo sinfín de 6" con una tasa de llenado del 45% tiene una capacidad de 368 ft³/h a 165 rpm y 2.23 ft³/h a 1 rpm.

PASO 4: Calcular la velocidad requerida

N = 346 * 1.2 * 1 * 1 * 1 / 2.23 = 186 rpm

PASO 5: Verificar si N es < rpm máx. del tornillo sinfín

186 rpm es > que 165 rpm; debe seleccionarse un tamaño mayor.

Se repite el mismo procedimiento para un tornillo sinfín de 9". Según las tablas, un transportador de 9" con 45% de llenado tiene 1270 ft³/h a 165 rpm y 8.20 ft³/h a 1 rpm.

N = 346 * 1.2 * 1 * 1 * 1 / 8.20 = 50 rpm

Esta vez, la velocidad requerida está claramente dentro del límite seguro frente al valor tabulado. El tornillo sinfín puede seleccionarse.

Los transportadores de tornillo sinfín suelen ubicarse bajo tolvas para transportar horizontalmente el producto hacia otra operación del proceso. Cuando el transporte incluye también un pesaje, el alimentador de tornillo sinfín se utiliza como equipo de dosificación.

Los transportadores de tornillo sinfín también pueden introducir sólidos en un sistema de transporte neumático. En la mayoría de los casos, se utilizan en transporte por vacío, ya que no hay problemas de presión, pero algunos diseños también permiten alimentar el producto hacia una línea de transporte a presión. Para este propósito, el diseño de la hélice debe permitir la compresión del sólido de manera que el tapón formado evite que el aire presurizado de la línea de transporte retorne a través del tornillo. Esto no es aplicable a todos los productos; por lo tanto, para transporte a presión, válvulas rotativas de esclusa suelen preferirse a los transportadores de tornillo sinfín para introducir el producto.

Los alimentadores de tornillo sinfín se encuentran en diversas industrias que manejan materiales a granel, para transportar y/o dosificar sólidos granulares:

- Procesamiento de alimentos
- Industria farmacéutica
- Granos / Alimentos para animales
- Tratamiento de agua (procesamiento de lodos)
- ...

3. Consideraciones importantes

¿Qué es importante al diseñar un transportador de tornillo sinfín?

Los transportadores de tornillo sinfín industriales pueden ser muy largos, alcanzando >5 m, sin embargo, este tipo de diseño solo puede utilizarse con productos no sensibles y cuando no se requiere limpieza. En efecto, no es posible extraer el filete de estos tornillos, y aunque existen diseños que permiten acceder al interior (diseño de artesa – ver ejemplo), la eficiencia de limpieza se reduce y el tiempo necesario será prolongado. Además, la longitud del tornillo lo hace propenso a flexiones y a posibles contactos metal/metal con la carcasa, arriesgando la contaminación del producto con virutas metálicas. A modo de referencia, un filete de tornillo de 4 m puede flexionarse hasta 7-8 mm respecto al eje recto del árbol; si no se han tomado las precauciones adecuadas para permitir dicha flexión, puede producirse contacto metal/metal.

Para aplicaciones higiénicas, parece más adecuado solicitar las siguientes características:
- Tornillos cortos
- Filetes extraíbles
- 2 cojinetes / aunque existen diseños en voladizo para tornillos muy cortos de 1-1.5 m
- Funcionamiento horizontal
- Velocidad periférica de 1 m/s y sellos de cojinete presurizados – para ATEX prevención

Los tornillos inclinados resultan tentadores, ya que permiten resolver numerosos problemas de proceso, especialmente en retrofits de instalaciones; sin embargo, debe tenerse especial cuidado, ya que estos tipos de tornillos suelen ser difíciles de acceder y extraer para limpieza, pueden ser más sensibles a flexiones y contactos metal/metal, y no son muy eficientes (la eficiencia disminuye con el ángulo).

Tabla 1: Capacidad del transportador de tornillo sinfín en función de su inclinación

Ángulo del tornillo (grados)	Porcentaje de la capacidad máxima (%)
<8	100
20	55
30	30
45	0

Existen diferentes tipos de alimentadores de tornillo sinfín en las industrias de proceso:

- Transportadores de tornillo con eje
- Alimentadores de tornillo sin eje "cola de cerdo" (*"Pig tail"*)
- Transportadores de tornillo flexibles
- Transportadores de tornillo en artesa o tubulares
- Tornillo simple o doble (especialmente utilizados en alimentadores por pérdida de peso)

Los transportadores de tornillo sinfín son equipos rotativos, lo que los convierte en un riesgo para los operarios que intenten acceder a la entrada o salida del tornillo.Por esta razón, se debe prestar especial atención a la entrada y a la tubería de descarga. Si están equipadas con manguitos flexibles, estos deben poder desmontarse únicamente con una herramienta, y el operario debe estar capacitado para detener la máquina si dicho desmontaje es necesario. En caso de no ser posible, puede instalarse una cruceta en la tubería que impida alcanzar el filete del tornillo, siempre que no obstaculice el flujo del producto. En cualquier caso, el operador de la instalación debe realizar un análisis de riesgos para garantizar que el acceso esté debidamente protegido.

4. Diseño de transportadores de tornillo sinfín

¿Cuáles son las características de un filete de tornillo (paso...)?

El filete del tornillo sinfín puede adoptar diferentes formas y pasos según la aplicación en la que se utilice.

- Filete estándar: paso constante = 1 diámetro; adecuado para la mayoría de las aplicaciones.

- Paso corto: utilizado para tornillos inclinados; también puede emplearse para materiales fáciles de fluidizar.

- Paso creciente: paso menor al inicio del tornillo; puede usarse en alimentadores bajo tolva para garantizar un flujo constante.

- Paso decreciente: paso grande al inicio y más corto al final; esto genera compresión. No es un diseño común y puede provocar gran empuje en el tornillo, altos requisitos de potencia y posibles daños mecánicos. Si el tornillo está bien diseñado, estos filetes pueden usarse como dispositivos de alimentación hacia sistemas a presión, ya que el polvo comprimido al final actuará como tapón, evitando fugas de gas hacia el tornillo.

- Filete en cinta (*ribbon*): utilizado principalmente para materiales pegajosos.

Otros diseños incluyen paletas o filetes cortados cuando se requiere mezcla del material.

En aplicaciones que requieren un alto grado de higiene, el eje debe ser macizo (no hueco), y el filete debe estar completamente soldado y pulido. Esto evita que el material quede atrapado en zonas inaccesibles y contamine posteriormente productos buenos.

El diseño del eje y del motor debe estar bien alineado para que el motor pueda accionar el tornillo y arrancarlo desde velocidad cero o operarlo en sobrecarga, condiciones que requieren el mayor par. A la inversa, el eje debe estar diseñado para soportar dicho par sin romperse al aplicarse.

5. Dosificación

Cuando se utilizan en aplicaciones de dosificación, el tornillo debe estar equipado con un motor de velocidad variable (VFD) para operar en velocidades gruesa y fina (ver página de dosificación ). Los transportadores de tornillo sinfín suelen integrarse en sistemas automáticos de *Ganancia de Peso* o *Pérdida de Peso*. Al operar en *Pérdida de Peso*, el alimentador de tornillo puede funcionar en modo volumétrico o en modo gravimétrico automático.

6. Problemas comunes en transportadores de tornillo sinfín

Los transportadores de tornillo sinfín suelen ser equipos fiables; sin embargo, ciertos problemas pueden requerir correcciones:

Tabla 2: problemas comunes en transportadores de tornillo sinfín

Problema	Causa raíz y acción correctiva
Contacto metal-metal	Daño en el cojinete – reemplazar el cojinete Holgura incorrecta entre filete y carcasa – revisar el diseño o cambiar el filete Cuerpo extraño en el tornillo – revisar la prevención de cuerpos extraños antes del transportador
Daño en el cojinete	El polvo ha entrado en el cojinete – verificar el sello del cojinete y el sistema de purga
Rendimiento del tornillo por debajo del diseño	Filete montado en dirección incorrecta Alimentación deficiente de polvo al tornillo – verificar el flujo del producto (evitar puentes o *ratholing*)
Transportador de tornillo bloqueado	Verificar si la válvula de salida está abierta Revisar el paso del tornillo – el polvo no debe compactarse
Dosificación inexacta con tornillo	Tamaño demasiado grande – verificar el tamaño del tornillo o adaptar el perfil del filete al final del tornillo