Análisis técnico comparativo de agitadores

Para realizar un análisis técnico comparativo de agitadores es preciso hacer análisis hidráulico y mecánico.

estudio comparativo agitadores

Con el análisis hidráulico se mira si cumple con los objetivos de agitación marcados en la especificación de solicitud.

Con el mecánico se comprueba la buena ejecución y construcción de la maquina.

En el análisis hidráulico se estudiara por un lado el móvil empleado y su idoneidad para la aplicación en cuestión y por otro lado su posición en el depósito.

El móvil utilizado debe ser el adecuado en cuanto a la proporción de caudal generada frente al cizallado o turbulencia.

La turbulencia es la que peor rendimiento aporta al móvil por lo que será mas eficaz cuanto mas arriba este en el diagrama manteniendo el cizallado necesario para la aplicación.

Hay un parámetro de medida de agitación denominado “intensidad de agitación” ( I: 0 a 10) cuyo uso esta bastante generalizado. Otro parámetro es “ renovaciones/hora” que son las veces que pasa todo el volumen de liquido por la sección barrida por el móvil durante una hora.

Con el valor de caudal producido por el agitador se suele generar confusión por la no aplicación estricta del concepto. Hay dos tipos de caudal producido, el caudal de bombeo y el de recirculacion. El de bombeo es el que pasa únicamente por la sección barrida por el móvil y el de recirculacion es el anterior mas el inducido o arrastrado. El fabricante deberá establecer muy claramente el tipo de caudal que esta especificando no aceptándose el concepto genérico de “caudal”.

La relación de diámetro del móvil entre diámetro de deposito deberá ser > 0,3 rechazándose las menores que no generan un buen reparto de la energía de agitación producida dentro del deposito.

La posición del móvil en el deposito es también muy importante para conseguir un buen reparto de la energía. Una buena relación es que el móvil se situé a 1/3 de la altura del liquido cuando la relación de diámetros sea próxima a 1 y el liquido se de viscosidad similar al agua.

En móviles axiales de forma general la altura del móvil sobre el fondo no debería superar a 1 diámetro de este. Situarla mas arriba disminuye la longitud del arbol y consecuentemente el momento flector sobre el arbol del reductor, con lo que se puede disminuir el tamaño de este así como el diámetro del árbol, pero no se conseguirá un barrido de fondo del depósito ni un buen desdoblamiento de la corriente sobre el fondo y hacia la superficie.

Con el análisis mecánico se establecerán los coeficientes de seguridad obtenidos asi como la correcta aplicación de la metodología de calculo.

Suele producirse una mala practica que supone colocar un motor con una potencia muy superior a la potencia absorbida por el móvil y dimensionando este con . Esto da la sensación de un agitador mas potente que el verdadero que es la energía introducida. Ademas si se le exige al agitador con la potencia del motor, como el árbol y el reductor están calculados con la potencia real absorbida se pueden romper estos elementos.

En agitación el factor de servicio del reductor debe ser > 1,6 por lo que resulta muy interesante comprobar este punto.

Los árboles pendulares por su forma de actuar, rotando y con esfuerzos fluctuantes deberían siempre calcularse a la fatiga, solicitando al fabricante el factor de servicio correspondiente que podría ser > 2,5.

Tampoco estaría de mas conocer la velocidad critica del árbol con el fin de establecer seguridades de funcionamiento.

Tipos de hélices de perfil delgado PD

En G&G Ingenieros utilizamos las hélices de palas de perfil delgado PD en nuestros agitadores debido a que es la solución perfecta en múltiples aplicaciones.

  • Estas hélices crean un flujo predominantemente axial.
  • Bombeo de gran rendimiento.
  • Porcentaje de turbulencia de bajo a moderado.

Dentro de ellas, existen diferentes modelos con sus peculiaridades:

Hélice PD 31

Hélice de perfil delgado con un porcentaje de turbulencia medio.

Adecuada para homogeneizaciones, mezclas con viscosidades medias, suspensión de sólidos y transferencia térmica.

helice PD31

Hélice PD10

Hélice de perfil delgado con un porcentaje de turbulencia bajo. Genera grandes caudales con muy poco cizallado.

Adecuada para agitadores horizontales, desaireación de fangos previa a filtrado, recirculación en tubo…

helice PD10

Hélice PD 33

Hélice de perfil delgado con un porcentaje de turbulencia medio. Su borde curvado la hace muy adecuada en el manejo de fibras.

Adecuada para homogeneizaciones, mezclas con viscosidades medias, suspensión de sólidos y transferencia térmica.

helice PD33

Hélice PD 12

Hélice de perfil delgado con un porcentaje de turbulencia muy bajo. Genera grandes caudales con muy poco cizallado.

Diseñada para procesos de floculación.

helice PD12

Ver también:

Hélices de perfil delgado

Aplicaciones de las hélices de perfil delgado

Calculo a la fatiga de un agitador

El objetivo de un agitador es generar desequilibrios en un fluido y esto hace que se encuentre sometido a esfuerzos diversos. Dichos esfuerzos se ven reflejados en el siguiente enlace.

El par torsor y los demás esfuerzos son absorbidos en primera instancia por el móvil y el segundo elemento en absorber esfuerzos es el árbol (par torsor y momento flector) que los transmitirá al reductor.

Todos los elementos deben estar diseñados para soportar los correspondientes esfuerzos con el índice de seguridad adecuada.

El árbol de un agitador es una barra metálica sólida o hueca que transmite la rotación y la potencia. Los árboles operan bajo un amplio rango de condiciones de servicio, incluyendo ambientes corrosivos y altas temperaturas y están sometidos a cargas de tracción, compresión, torsión, flexión o una combinación de ellas variable. Los árboles se fabrican en varios materiales de acuerdo a su aplicación, siendo los aceros al carbono y los aceros inoxidables AISI-304L y AISI-316L los más utilizados.

La fatiga es la causa más común de grieta o incluso rotura de los árboles y se puede presentar a partir de imperfecciones metalúrgicas o de diseño. Por ello, hacer el diseño del agitador teniendo en cuenta el factor de seguridad a fatiga es fundamental.

Pero, ¿Que es y cómo se produce la fatiga?

El diseño de los árboles sometidos a cargas dinámicas, cuya aplicación es repetitiva o fluctuante a través del tiempo, aún cuando el esfuerzo nominal resultante sea menor que el de fluencia, induce a cambios en la estructura interna del material, originando microfisuras que al propagarse llevan a una fractura progresiva llamada fractura por fatiga.

Por lo tanto, el cálculo de fatiga de un agitador es un cálculo dinámico de las fuerzas que actúan sobre el árbol del agitador. El análisis de fatiga estructural es una herramienta para evaluar la validez del diseño de un agitador o su durabilidad bajo condiciones de servicio normal y bajo condiciones normales de operación. Si los resultados de desplazamientos y tensiones están por debajo de un cierto nivel admisible, se puede concluir que el diseño es seguro con independencia de cuantas veces se aplique la carga.

Un factor de seguridad a fatiga de 1 indica que, si los cálculos fuesen totalmente exactos (que nunca lo son), el agitador nunca se rompería y su vida sería infinita. En G&G Ingenieros siempre proporcionamos este valor y escogemos este factor de mínimo 2.5 como seguridad en cuanto a las condiciones de funcionamiento y para cubrir las diferentes inexactitudes que se manejan en el diseño.

Balsas de templado (III): Piezas grandes

Cuando las piezas son de grandes dimensiones el problema adquiere otras características.

Es preciso alcanzar un nivel de homogeneidad y reparto de flujos lo más uniforme posible con el fin de que todos los puntos de una pieza recibas la misma cantidad de líquido y con la misma velocidad para que la velocidad de enfriamiento sea igual y por lo tanto las características de templado coincidan.

Balsas de templado (III): piezas grandes

Cuando las piezas son de grandes dimensiones el problema adquiere otras características. Es preciso alcanzar un nivel de homogeneidad y reparto de flujos lo más uniforme posible con el fin de que todos los puntos de una pieza recibas la misma cantidad de líquido y con la misma velocidad para que la velocidad de enfriamiento sea igual y por lo tanto las características de templado coincidan.

La experiencia ha demostrado que al ser piscinas de grandes volúmenes se consiguen estos resultados con agitadores horizontales uniformemente distribuidos por dos paredes contrarias.

Se requiere prestar mucha atención a la forma, número y posición de los deflectores adecuados para conseguir el reparto uniforme del caudal, así como a la energía de agitación aplicada y su distribución en el tanque.

Balsas de templado (II): Piezas pequeñas

Cuando las piezas a tratar son de dimensiones pequeñas o medianas se emplean depósitos como el de la figura con uno o varios agitadores verticales que recirculan de abajo hacia arriba el medio a través de la carga.

Con conseguir una homogeneidad en los flujos veticales llegando a la carga es suficiente para la buena consecución del templado ya que las formas no son tan determinantes por su tamaño.

Seguir leyendo: Balsas de templado (III)

Balsas de templado (I)

Hay varios factores que intervienen en el templado de las piezas de acero: Los inherentes  a la calidad del material como composición y tamaño del grano que determinan la velocidad crítica de temple”, y los que determinan la velocidad de enfriamiento de los diferentes puntos de las piezas, forma y dimensiones de las piezas y medio empleado para el enfriamiento.

Con el medio se manejarán distintas velocidades de enfriamiento. Con agua la velocidad será mayor que con polímeros y a su vez mayor que con aceites.

CARACTERISTICA DEL PROCESO DE ENFRIAMIENTO

Se pueden definir tres etapas bien diferenciadas:

1ª Etapa. Al introducir la pieza de acero muy caliente en el líquido, se forma una capa de vapor y el enfriamiento se hace por conducción y radiación a través de la capa gaseosa.

2ª Etapa. Al descender la temperatura de la superficie de la pieza, la película de vapor va desapareciendo, se forman burbujas que son transportadas por corrientes de convección. El vapor se separa de la superficie y va reemplazándose por líquido. Es la etapa de más rápido enfriamiento.

3ª Etapa. Es por debajo de los 300ºC. El enfriamiento es por conducción y convección y es la etapa más lenta.

 AGITACION DEL MEDIO

La agitación del medio con agitadores mecánicos sean horizontales o verticales aportan unas ventajas indispensables al proceso. Generan velocidades altas en el medio que contra las superficies de las piezas aceleran el proceso de enfriamiento fundamental para un buen templado y renuevan el medio aportando fluido mas frio a la zona caliente de templado.

Seguir leyendo: Balsas de templado (II)

Datos necesarios para diseñar un agitador

Para poder diseñar un agitador, hay algunos datos que son necesarios que tienen que ver con el depósito y los productos a mezclar.

1 – DEPOSITO:

Capacidad

Forma depósito: Sección (circular o rectangular)

Fondo inferior (plano, toriesférico, cónico, troncocónico)

Altura total depósito (plano apoyo del agitador sobre fondo)

Altura del líquido

Largo x Ancho o Diámetro

Material depósito ( Inoxidable, A.Cbno, PVC,otro)

Funcionamiento Alimentación (Continuo: Caudal o Bach)

Fondo superior (Abierto: altura libre o cerrado)

Altura del fondo superior o tapa del depósito(si es cerrado)

2 –  PRODUCTOS:

Productos a mezclar

Objetivo

Densidad de la mezcla

Viscosidad de la mezcla

Temperatura

Volumen máximo durante la operación

¿Se vacía la cuba en algún momento con el agitador en marcha?

Escalamiento 1

En este artículo se repasan los conceptos básicos de semejanza y se plantea y desarrolla un procedimiento para trasladar un proceso de agitación desde la planta piloto a la industrial.

Los efectos de mezclado conseguidos en planta piloto es preciso adaptarlos a planta industrial mediante unos ciertos criterios de escalamiento. En agitación intervienen diversos parámetros y en función de la aplicación, tienen más importancia unos u otros. No es posible un escalamiento manteniendo todas las relaciones entre parámetros de planta piloto y planta industrial, por lo que cada tipo de proceso tiene un único procedimiento de escalamiento. 

Para ello se utilizan las semejanzas entre parámetros de una y otra panta. Existen tres tipos de semejanzas: geométrica, cinemática y dinámica.

En la semejanza geométrica, todas las dimensiones son semejantes con una relación constante. En la semejanza cinemática, todas las velocidades en ambas escalas deben tener una relación constante mientras que en la semejanza dinámica, son las fuerzas o energías las que  tienen la relación constante.

 Las fuerzas más importantes que entran en juego en agitación son:

  • La de la energía introducida por el mezclador también llamada “fuerza de inerciaEsta fuerza está determinada por la elección  del diámetro del móvil y su velocidad.
  • Las fuerzas de viscosidad, de gravedad y de tensión superficial que se oponen a las de inercia.

La semejanza dinámica requiere que la relación entre estas cuatro fuerzas sea constante. Con el mismo fluido (misma densidad y viscosidad), sólo pueden mantener relación constante dos fuerzas.

Los conceptos de semejanza geométrica y dinámica sugieren el uso de grupos adimensionales.

Re (nº de Reynolds)=Fuerzas de inercia/ Fuerzas viscosas

Fr (nº de Froude)= Fuerzas de inercia / Fuerzas de gravedad

We (nº de Weber)= Fuerzas de inercia/ Fuerzas de tensión superficial.

Fondos de los depositos con agitadores

Un factor importante en la agitación son los fondos del depósito ya que tienen la misión de desdoblar y redirigir los flujos de líquido que salen del móvil.

El fondo del depósito es tanto más óptimo cuanto más auto limpiante sea, es decir, para un propulsor axial el mejor fondo será el que siga las líneas de flujo generadas por el impulsor (1) dos toros como en la figura.

Los fondos curvos (semiesférico  Y toriesférico) son los siguientes en cuanto a adecuación a la agitación. Le siguen los planos (3) y los peores son los troncocónicos (4) o troncopiramidales. Estos fondos rompen las líneas de flujo generadas por el impulsor, creándose torbellinos y turbulencias localizadas y disminuyendo la energía de desplazamiento que contribuye a la agitación del líquido de la parte alta del depósito. En estos casos y dependiendo del objetivo de la agitación suele ser conveniente un impulsor aspirante que sitúe la zona de baja presión en el fondo o la inclusión de un pequeño impulsor en la parte cónica.