8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
1/143
UNIVERSIDAD DE TALCAFACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA DE EJECUCIÓN ENMECÁNICA
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y ENSAYO DE UNMEZCLADOR AGITADOR DE ALTA VELOCIDAD
MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO DE EJECUCIÓN MECÁNICA
PROFESOR GUÌA: JOSÉ VILLALOBOS ROJAS
MARTIN ALEJANDRO ALVARADO REBOLLEDO
CURICÓ-CHILE
2006
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
2/143
AGRADECIMIENTOS
Gracias, mamá, papá, hermana por el apoyo y el amor que siempre me han
entregado, por la fe depositada en mi, por creer siempre en mi aun en los
momentos mas difíciles…gracias, porque todo lo que he logrado también
es un logro de ustedes…
Gracias, compañeros y amigos…que juntos emprendimos este camino que
para mi ya llega a su fin…gracias por el consejo, gracias por el
abrazo…gracias por compartir siempre este sueño conmigo…
Gracias profesor Gonzalo Salinas, por brindarme sus conocimientos y
dedicar parte de su tiempo para ayudarme, guiarme y entregarme todo lo
que necesite en el transcurso de mi memoria…
Gracias profesor José Villalobos y profesor Oscar Fuentes, por su tiempo,
voluntad y disponibilidad para guiarme y corregirme en la última etapa de
mi memoria…
Gracias, Dios….gracias por alumbrarme el camino cuando se nubló,
gracias por llevarme a la calma cuando las cosas se alteraban, gracias por
estar conmigo en cada momento, gracias sacar siempre de mi a relucir el
gran don que tu me regalaste…la perseverancia.
Martín Alejandro Alvarado Rebolledo
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
3/143
i
INDICE
Índice iResumen iv
Introducción v
1 Capítulo 1 Diseño Conceptual 1
1.1 Consideraciones en general 2
1.2 Descripción de los requerimientos del equipo 2
1.3 Consideraciones de diseño y de fabricación 2
1.4 Diseño conceptual 3
1.5 Elementos generales sobre suspensiones 41.6 La necesidad de suspender el sólido mediante la agitación 5
2 Capítulo 2 Diseño del Equipo 6
2.1 Base y consideraciones para el cálculo 7
2.1.1 Momento torsor 7
2.1.2 Momento flector 10
2.2 Cálculo de las aspas 11
2.3 Cálculo del eje 13
2.3.1 Consideraciones de fatiga de material 13
2.3.2 Velocidad crítica 162.4 Selección de rodamientos 18
2.5 Selección de pernos 23
2.6 Soldadura 25
2.7 Alineamiento del eje 36
2.7.1 Tipos de desalineamiento 36
3 Capítulo 3 Construcción Mezclador-Agitador 39
3.1 Construcción de las piezas 40
3.1.1 Estructura base 40
3.1.2 Sistema móvil 423.1.3 Sistema motriz 53
3.1.3.1 Motor eléctrico 55
3.1.3.2 Eje 55
3.1.3.3 Hélice 61
3.1.4 Vaso contenedor 62
3.1.5 Esquema general 64
4 Capítulo 4 Ensayos 66
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
4/143
ii
4.1 Descripción general 67
4.2 Descripción de los materiales utilizados en la preparación de las
suspensiones
67
4.2.1 Líquido 67
4.2.2 Material particulado 67
4.3 Restricciones de operación del prototipo 70
4.3.1 Restricciones físicas de operación del prototipo 70
4.3.2 Restricciones químicas del prototipo 71
4.4 Descripción del protocolo de ensayo para el Mezclador-Agitador 71
4.4.1 Descripción del procedimiento para realizar el ensayo 71
4.5 Análisis de los datos experimentales alcanzados 80
4.5.1 Ensayo en Mezclador-Agitador Mecánico 814.5.2 Ensayo en Mezclador-Agitador Magnético 82
4.6 Análisis de los resultados 84
5 Capítulo 5 Costos 86
5.1 Costo de materiales 87
Conclusiones 89
Bibliografía 91
Apéndices 93
Apéndice A 94
A.1 Cálculos estructurales 94A.1.1 Momento torsor 94
A.1.2 Momento flector 95
A.1.3 Calculo de las aspas 96
A.1.4 Cálculo de fatiga de material 97
A.1.5 Cálculos de velocidad crítica 99
A.1.6 Cálculos para la selección de rodamientos 100
A.1.7 Cálculo para la selección de pernos 102
A.1.8 Cálculo de soldadura 103
A.2 Procedimientos para el cálculo de las mediciones 105Apéndice B 107
B.1 Rodamientos 107
Apéndice C 108
C.1 Propiedades de los metales 108
C.1.1 Acero AISI 4340 108
C.1.2 Acero AISI 304 108
C.1.3 Acero A37- 24ES 109
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
5/143
iii
Apéndice D 109
D.1 Propiedades de los materiales 109
D.1.1 Agua 109D.1.2 Distribución de tamaño de partículas medidas para óxido de zinc 110
Apéndice E 111
E.1 Fotografías de los ensayos 111
E.1.1 Fotografías del ensayo Nº2 111
E.1.2 Fotografías del ensayo Nº3 116
E.1.3 Fotografías del ensayo Nº4 121
E.1.4 Fotografías del ensayo Nº5 126
Apéndice F 131
F.1 Características del Mezclador-Agitador Magnético 131Apéndice G 132
G.1 Tablas 132
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
6/143
iv
RESUMEN
La presente memoria muestra el diseño, la construcción y el ensayo de un equipoMezclador-Agitador, utilizado para dispersar el material particulado en un fluido, en la etapa
de preparación de muestras para la determinación del tamaño del diámetro medio hidráulico
de micro partículas.
SUMMARY
The present memory shows the design, the construction and the test of an equipment Mixing,
used to disperse the solid particle in a fluid, in the stage of preparation of samples for the
determination of the size of the medium hydraulic diameter of micro particles.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
7/143
v
INTRODUCCION
Uno de los problemas que se están volviendo más recurrentes en la industria moderna es lautilización cada vez mas progresiva de materiales compuestos sobre la base a suspensiones
de partículas sólidas en líquidos orgánicos o inorgánicos, esto es especialmente notorio en la
industria química, de alimentos, farmacéutica, de polímeros, de revestimientos, de materiales
cerámicos y sintéticos, por no mencionar la nano y micro tecnología y las tecnologías de
descontaminación y control ambiental y medioambiental.
Dentro de este campo de acción resulta en extremo importante que la suspensión sea lo
más homogénea posible, esto es que la distancia entre partículas sea constante y que no se
de lugar a la formación de flóculos o de macromoléculas, las que afectarían la densidad del
tamaño hidráulico medio de partícula y por ende su homogeneidad, dando lugar a múltiplesproblemas al momento de utilizar estas suspensiones, como la serian a modo de ejemplo, la
formación de gránulos superficiales en superficies pintadas, poros a irregularidades en
estructuras de polímetros, etc.
Uno de los mecanismos más eficientes para realizar una mezcla con una distribución lo mas
homogénea posible a partir de suspensiones formadas por partículas mayores a 1 µm, es la
agitación mecánica de alta velocidad, o sea con velocidades de rotación en el agitador igual
o mayores a 9000 rpm, el que es impulsado en su movimiento por un motor eléctrico que
podría, eventualmente, variar su velocidad de rotación por mediante la variación de su
frecuencia de alimentación.Básicamente el equipo estará compuesto por una estructura soportante del motor y sus
elementos de control, al que se le adicionará el agitador construido en acero inoxidable,
mediante un mecanismo de bayoneta o rosca, el que tomaría contacto con un vaso
contenedor de la suspensión.
Este equipo es uno de los accesorios básicos para la medición de tamaño de material
particulado fino a través de sedimentación. Por esto el desarrollo de este prototipo se
justifica tanto por los problemas que impone la construcción mecánica del mismo como por
los problemas de control electromecánico de este dispositivo.
Para las pruebas que se realizarán con el equipo se utilizará suspensiones en base a agua yoxido de zinc (ZnO), las que serán evaluadas a través de un ensayo de detección óptico.
Luego, el objetivo general de este proyecto es desarrollar el diseño, la construcción y el
ensayo de un equipo Mezclador-Agitador de alta velocidad.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
8/143
1
CAPITULO 1
DISEÑO CONCEPTUAL
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
9/143
2
1.1 Consideraciones en general
El problema que se intenta resolver es el diseño de un Mezclador-Agitador que permitarealizar de forma eficiente una mezcla homogénea a partir de suspensiones formadas por
partículas mayores a 1 µm, a sea con una velocidad de agitación igual o mayor que 9000
rpm. El Mezclador-Agitador permitirá medir distribuciones de tamaño de micro partículas en
sedimentación.
El diseño de este equipo implica resolver los problemas que impone la construcción
mecánica y eventualmente los problemas de control electromecánico.
1.2 Descripción de los requerimientos del equipo
El Mezclador-Agitador debe ser estudiado y diseñado de tal modo que no se requiera de una
alta tecnología y consecuentemente, maquinaria especial, mano de obra de alta
especialización y procesos de fabricación difíciles que no se justifiquen.
Lo que se necesita es un producto de alta calidad, pero de fácil fabricación utilizando la
actual capacidad de máquinas comunes y mano de obra disponible.
1.3 Consideraciones de diseño y de fabricación
Las siguientes hipótesis de diseño y fabricación se consideraron como base de este
proyecto:
1. La velocidad necesaria que se debe tener en el eje para una mezcla de alta calidad
es de 9000 rpm o superior. El motor elegido que cumple con la velocidad solicitada,
corresponde al motor eléctrico de un esmeril angular con una potencia de 0,45 kW.
La agitación se efectuará mediante el uso de una hélice tipo turbina abierta de
paletas rectas, ya que ésta genera un flujo radial con aspiración del producto desde
arriba y desde abajo, con elevadas turbulencia y fuerzas de corte. Además tiene la
posibilidad de poder ser intercambiada por otro tipo de elemento agitador.
2. Debido al tipo de uso al cual se le somete, no debe existir contaminación del líquido
a agitarse por goteo de lubricante, materiales oxidados u otra materia proveniente
del agitador, por lo cual se emplearán elementos de tipo sellados.
3. Los materiales que se ocuparán en la construcción serán adecuados para trabajar
en ambientes corrosivos y ácidos, asegurando características de higiene y
durabilidad.
4. La velocidad que se utilizará será una sola y sin variaciones, y esta corresponde a
9000 rpm.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
10/143
3
A continuación la figura 1.3 muestra esquema del Mezclador-Agitador:
1
9
6
75
n = rpm
4
3
2
8
Figura 1.3: Esquema Mezclador-Agitador.
Donde:
1- Soporte motor.
2- Motor eléctrico.
3- Eje.
4- Encamisado eje.
5- Vaso contenedor.
6- Placa soporte.
7- Hélice tipo turbina.
8- Sistema móvil.9- Tubos guía sistema móvil soldados a placa soporte.
1.4 Diseño conceptual
El diseño del Mezclador-Agitador debe permitir:
1. La instalación de un motor eléctrico que abarque una única potencia de 0,450 kW.
2. Una velocidad única en el eje equivalente a 9000 rpm.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
11/143
4
3. El funcionamiento de una hélice intercambiable, con la posibilidad de instalar otro
tipo de elemento agitador.
4. De fácil armado y desarmado de todas sus partes tanto para la mantención comopara posibles reposiciones de piezas dañadas o gastadas.
Dado el tipo de acción que tiene que desempeñar el Mezclador-Agitador, el líquido al
agitarse no deberá ser ensuciado ni contaminado por el agitador, ya fuese por goteo de
lubricante, por partículas o por metales oxidados en contacto con el líquido. Para evitar la
posible presencia de partículas extrañas, deberán protegerse convenientemente las partes
afectadas. Para eliminar el problema de los materiales oxidados, la elección de ellos será de
fundamental importancia, tanto para cumplir las condiciones de higiene necesarias, como
para presentar características de calidad y duración del Mezclador-Agitador, cuando trabajeen condiciones ácido-corrosivas.
Haciendo un estudio de los materiales adecuados que se pueden obtener, se eligió el acero
inoxidable AISI 4340 para el eje, acero inoxidable AISI 304 para el encamisado del eje y la
hélice del Mezclador-Agitador, ya que ambos estarán en contacto con el liquido. Se trato de
estandarizar al máximo los materiales restantes de modo de reducirlos a solo dos tipos:
acero A37-24ES y R65 (base de la estructura).
En el diseño del Mezclador-Agitador en general, y de cada una de sus partes, se tuvo
presente que el costo que resultara fuere lo mas bajo posible considerando características
de gran calidad y durabilidad.
1.5 Elementos generales sobre suspensiones
Por suspensión se entiende la mezcla de un sólido y un líquido [1]. Los campos típicos de
aplicación son:
1) Elaboración de minerales.
2) Suspensión en transporte hidráulico.
3) Suspensión en catálisis heterogénea.
4) Polimerización en suspensión.5) Suspensión en la ingeniería bioquímica.
6) Disolución de sólidos.
Se distinguen cinco estados distintos en suspensión:
a) Estado de reposo: la velocidad de giro es tan pequeña que el sólido permanece
depositado (o sedimentado) sobre el fondo del recipiente.
b) Suspensión incompleta: es cuando una parte se encuentra sedimentada en el fondo y otra
parte en suspensión.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
12/143
5
c) Suspensión completa: todas las partículas están suspendidas. El método de medida se
llama “Just suspended”, (‘Criterio de un segundo´) es decir, para cumplir la condición, la
velocidad de agitación tiene que ser suficiente para permitir que todas las partículas nopermanezcan más de un segundo depositadas en el fondo.
d) El 90% del nivel de líquido es alcanzado por la suspensión de sólidos: en este estado la
fase suspendida alcanza un 90% de la altura de líquido.
e) Suspensión homogénea: el sólido entero permanece suspendido en el líquido.
1.6 La necesidad de suspender el sólido mediante la agitación
El proceso de agitación es uno de los más importantes dentro de la industria química porque el
éxito de muchas operaciones industriales depende de una agitación y mezcla eficaz.Otra de las dificultades que aparece a la hora de caracterizar la mezcla y agitación es la gran
cantidad de sustancias (líquidos y sólidos) que se pueden encontrar en la industria
química. Por tanto, el diseño y la optimización de agitadores están confiados en gran medida,
a la experimentación. Se debe distinguir entre agitación y mezcla. Agitación se puede definir
como el movimiento circulatorio inducido a un fluido dentro de un contenedor, fundamentalmente
de forma circular y provocando vórtices. El objeto de la agitación puede ser incrementar la
transferencia de calor en el fluido o incrementar el transporte de materia, es decir, mezclar. En
contraste con la agitación, mezclar es obtener una distribución espacialmente homogénea
de dos o más fases inicialmente separadas. Aquí, una de las fases ha de ser un fluido,mientras que la otra puede ser algo tan variado como otro fluido, partículas sólidas o
burbujas.
En la práctica, el diseño de la agitación ha de atender a dos factores: el grado de
homogeneidad y el tiempo de mezcla. Dado que el resultado de la mezcla nunca es
perfecto, el grado de homogeneidad se hace depender de la calidad deseada en el producto
final.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
13/143
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
14/143
7
2.1 Base y consideraciones para el cálculo
Los siguientes puntos se tomaron como base para llevar a cabo el diseño:
• Se utilizará un motor eléctrico de un esmeril angular marca SIM, que se adaptará al
Mezclador-Agitador.
• La potencia del motor eléctrico es única equivalente a 0,450 kW.
• La velocidad de rotación del motor es de 9000 rpm.
• El tamaño máximo de la hélice será de 0,06 m.
A continuación la figura 2.1 muestra el diagrama de cuerpo libre del motor:
n = 9000 rpm
N = 0,45 kW
Figura 2.1: Diagrama de cuerpo libre del motor.
2.1.1 Momento torsor
Dado que es conocida la potencia del motor y su velocidad, se puede evaluar el momento
torsor que solicita el eje:
Mt =ω
Ne (2.1)
Donde:
Mt : Momento torsor.
Ne : Potencia en el eje.
ω : Velocidad angular del eje.
A continuación la figura 2.1.1 muestra el diagrama de cuerpo libre del momento torsor en el
eje:
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
15/143
8
F
Mt
Figura 2.1.1: Diagrama de cuerpo libre del momento torsor en el eje.
Dado que la velocidad del motor son 9000 rpm, equivalentes a una velocidad angular de
942,477 rad/s y considerando una potencia nominal en el eje del motor de 0,450 kW, se
obtiene que el momento torsor efectivo de 0,477 N·m.
El valor del momento torsor deducido anteriormente, permite calcular un primer diámetro
estimado, sin considerar otros esfuerzos y efectos que influyen, como fatiga, momentos
flectores, esfuerzos axiales, etc.El material elegido para la construcción del eje del Mezclador-Agitador es acero AISI 4340
(Cr-Ni-Mo) recocido, conocido también como acero cromo-níquel. Las propiedades
mecánicas de este acero son [2]:
Límite de rotura a tracción : Sut = 745 MPa
Límite de fluencia a tracción : Syt = 469 MPa
Haciendo uso del “Código ASME para la transmisión de ejes”, que define una tensión de
corte permisible a la más pequeña de las dos variables siguientes:
admdτ = 0,18·Sut ó admdτ = 0,30·Syt (para cargas variables) (2.2)
Donde:
admdτ : La máxima tensión de corte admisible.
Los valores de admdτ para el material serán:
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
16/143
9
adm1dτ = 134.1 MPa
adm2dτ = 140.7 MPa
El menor valor que se encuentra es un adm1dτ = 134.1 MPa. Este valor se elige como
tensión de corte de diseño para este material.
La máxima tensión de corte en un eje sometido a esfuerzos combinados de torsión y de
flexión esta dado por la siguiente ecuación según Tresca:
⋅≤τ+
σ±=τ
nd2Sxy
2x yt2
2
.MÁX (2.3)
Donde:
σx : Tensión de flexión.
xyτ : Torsión.
nd : Factor de diseño.
En este caso el momento flector es muy “pequeño”, por lo que se considera despreciable.
Entonces σx será cero y de la ecuación (2.3) queda:
.MÁXτ = xyτ = admdτ (2.4)
La tensión de corte txy debido a un momento torsor esta dada por la siguiente ecuación,
considerando que es aplicada a un eje circular macizo:
xyτ =
⋅≤
⋅π
⋅
nd2
S
d
Mt16 yt
3 (2.5)
Donde:
Mt : Momento torsor.
d : Diámetro del eje macizo.
El diámetro del eje esta dado por:
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
17/143
10
3
yt
ndSMt32
d ⋅
⋅π
⋅≥ (2.6)
Considerando un factor de diseño nd = 2 y reemplazando en la ecuación (2.6), el diámetro
calculado es: d = 3,308·10-3 m = 0,33 cm
2.1.2 Momento flector
El momento flector en este caso, se expresa por la siguiente ecuación [3]:
MF = F·L (2.7)
Donde:
F : Fuerza de rozamiento.
L : Brazo de la fuerza de rozamiento.
A continuación la figura 2.1.2 muestra el diagrama de cuerpo libre del momento flector:
Figura 2.1.2: Diagrama de cuerpo libre del momento flector.
El brazo de la fuerza de rozamiento corresponde a la distancia más cercana desde el centro
del eje hasta la línea de acción de la fuerza de rozamiento, lo que para este caso es el radio
efectivo de la hélice equivalente a 0,03 m.
A continuación se calcula la fuerza de rozamiento [4]:
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
18/143
11
F = ( )T2ARR AvC21
⋅ρ⋅⋅⋅ (2.8)
Donde:
CARR : Coeficiente de arrastre.
V : Velocidad lineal.
ρ : Densidad del medio (agua).
AT : Área de la sección transversal al movimiento.
El coeficiente de de rozamiento se encuentra en [4], tabla 6.1 (Apéndice G) y el valor
seleccionado corresponde a CARR = 1,18. Los otros valores calculados son los siguientes: v2
= 799,419 m2
/s2
, ρ = 1000 kg/m3
y AT = 1,8·10-4
m2
. Reemplazando en ecuación (2.8) queda:
F = 84,898 N
La fuerza calculada anteriormente corresponde a la fuerza de rozamiento de un aspa. Como
la hélice tiene 6 aspas, esta fuerza deberá multiplicarse por 6. La fuerza a utilizar
corresponde entonces a 509,388 N. Según lo anterior y reemplazando en ecuación (2.7) el
momento flector será:
MF = 509,388 N·0,03 m
MF = 15,281 N·m
2.2 Cálculo de las aspas
Se ha seleccionado una hélice con aspas tipo turbina [5], cuyas características son las
siguientes (figura 2.2):
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
19/143
12
Figura 2.2: Aspas.
Utilizando las siguientes relaciones:
D/D2 = 0,75 (2.9)
H/D2 = 0,20 (2.10)
L/D2 = 0,25 (2.11)
Con D2 = 0,06 m dado, se tiene que:
D = 0,045 m
H = 0,012 m
L = 0,015 m
Las aspas están uniformemente distribuidas a 60 grados, lo que queda un total de de 6
aspas. El espesor de las aspas corresponde a 1,2 mm.
Este tipo de aspas es recomendado para número de Reynolds mayores que 200. Además,
se debe decir que con este tipo de aspas se genera un flujo radial con aspiración de la
mezcla de arriba hacia abajo, con elevadas turbulencias y fuerzas de corte.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
20/143
13
2.3 Cálculo del eje
Anteriormente, se había calculado el diámetro del eje sin considerar otros esfuerzos yefectos que influyen. A continuación se calcula el eje tomando en cuenta estas variables.
2.3.1 Consideraciones de fatiga de material
Cuando el eje del mezclador agitador está detenido, tiene fibras estiradas y fibras
comprimidas debido al momento flector que lo solicita.
Cuando el eje del agitador se encuentra en movimiento de rotación, cada fibra de él, salvo la
fibra neutra, esta sometida a esfuerzos de tracción y compresión en cada vuelta del eje.
Como el eje gira a 9000 rpm, cada fibra esta sometida ambos esfuerzos, alternativamente9000 veces por minuto. Este hecho hace que en la realidad se presente el fenómeno de
fatiga que produce rotura a niveles de tensión muchos menores que el límite estático de
rotura del material e incluso en algunos casos inferiores al límite de fluencia del material.
Era necesario entonces recalcular el diámetro del eje considerando ahora el efecto del
momento flector y del momento torsor combinados, conociendo el límite de rotura debido a la
fatiga del material de modo de obtener los valores correctos.
Según el ensayo de Moore, el límite de fatiga para los aceros es [5]:
S’e = 0,50·Sut si Sut ≤ 1372 MPa (2.12)
S’e = 686 MPa si Sut ≥ 1372 MPa (2.13)
El límite de fatiga encontrado, debe ser corregido mediante coeficientes que toman en
cuenta características propias de la pieza. El nuevo límite de fatiga estará dado por:
Se = ka·kb kc·kd·ke·kf·S’e (2.14)
Donde:S’e : Límite de fatiga corregido.
Se : Coeficiente de superficie.
ka : Límite de fatiga del material.
kb : Coeficiente de tamaño.
kc : Coeficiente de confianza.
kd : Coeficiente de temperatura.
ke : Coeficiente modificativo por concentración de tensiones.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
21/143
14
kf : Coeficiente por efectos diversos.
A continuación, se determina el valor de los coeficientes para el eje [2]:
ka = 0,9 (superficie rectificada)
kb = 0,85
kc = 0,75 (confiabilidad de un 99,9%)
kd = 1 Tº < 71ºC
ke = 0,84
kf = 1
Reemplazando en la ecuación (2.14), queda:
Se = (0,9·0,85·0,75·1·0,84·1) ·S’e
Se = 0,481·S’e
Como el material con que se fabrica el eje es acero cromo-níquel que tiene un límite de
rotura a tracción de Sut = 745 MPa, el límite de fatiga correspondiente será:
S’e = 0,5·Sut = 0,5·745 MPa
S’e = 372,5 MPa, debido a que Sut ≤ 1372 MPa
El nuevo límite de fatiga corregido dado en ecuación (2.14) será:
Se = 0,481·372,5 MPa
Se = 179,1 MPa
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
22/143
15
Si el numero de vueltas del eje N ≥ 106 y no se ha producido la rotura de la pieza se le
considerara una vida infinita. Luego, en el diseño se considerara un límite de fatiga corregido
para el diseño que sea menor o igual a los 179,1 MPa obtenidos para tener una vida infinita.Para un margen de seguridad de por lo menos 100%, la tensión de corte máxima permisible
estará dada por:
.MÁXτ = 2
Se = 89,5 MPa (2.15)
Antes se había considerado el código ASME que establecía que la tensión máxima de corte
permisible era:
adm1dτ = 134.1 MPa
Este valor de adm1dτ esta indicando una vida infinita, concordando ambos criterios en este
caso. Según el código ASME, el diámetro del eje calculado, a la máxima tensión cortante,
sometido a un esfuerzo combinado de flexión y torsión, esta dado por la siguiente ecuación:
d = ( ) ( )[ ]3
1
2
12
Tt2
Fmadm
MCMC1d
1,5
⋅+⋅⋅
τ (2.16)
Donde y para el eje se tiene:
D : Diámetro del eje circular macizo.
MF : Momento flector.
MT : Momento torsor.
Cm : Coeficiente del momento flector.
Ct : Coeficiente del momento torsor.
td : Tensión de corte máxima permisible.
Los coeficientes del momento flector y torsor se obtienen de [2], y estos valores
corresponden a Cm = 2,5 y Ct = 2,5. Los otros valores calculados son los siguientes: MF =
15,281 N·m, MT = 0,477 N·m, Cm = 2,5, Ct = 2,5 y adm1dτ = 134.1 MPa. Reemplazando en la
ecuación (2.16), se tiene que:
d = 0,011 m = 1,1 cm
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
23/143
16
El diámetro a utilizar en la construcción del eje deberá ser igual o mayor al calculado
anteriormente.
2.3.2 Velocidad crítica del eje
En un eje aun sin las presencia de cargas externas, se deforman durante la rotación. La
deformación considerada como una función de la velocidad, presenta sus valores máximos
en las llamadas “Velocidades Críticas”, pero solo la más baja (la primera) y ocasionalmente
la segunda tienen importancia para el proyectista. A continuación se calculará la primera
velocidad crítica para en eje:
∂=ω gC (2.17)
Donde:
Cω : Velocidad critica calculada.
∂ : Deformación estática.
g : Constante gravitacional.
La figura 2.3.2 muestra la carga en el eje:
Q
L
eje
Figura 2.3.2: Carga en el eje.
La deformación estática para este caso, esta dada por la siguiente ecuación:
⋅
⋅⋅=∂
IELQ
3845 4
(2.18)
Donde:
∂ : Deformación estática.
Q : Carga distribuida en el eje por unidad de longitud.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
24/143
17
g : Constante gravitacional.
E : Constante del acero.
I : Momento de inercia eje macizo.
El momento de inercia de un eje macizo es:
4d64
I ⋅
π= (2.19)
Donde:
d : Diámetro del eje macizo.
La carga repartida Q es por centímetros, lo que al calcularla da un valor de 0,0354 kg/cm. Si
L = 50 cm, E = 2,1·106 kg/cm2 y si se da un diámetro d = 2,4 cm, se tiene según ecuación
(2.18) reemplazando estos valores que:
=∂ 8,4·10-4 cm
Ahora con g = 981 cm/s2 y =∂ 8,4·10-4 cm se reemplaza en ecuación (2.17):
=ωC 1080,6 rad/s
Esta velocidad crítica calculada tiene que ser mayor o igual que la velocidad crítica en el eje
(Apéndice A.15), por lo tanto se tiene que:
ω≥ωC (2.20)
Reemplazando los valores en la ecuación (2.20) resulta:
1080,6 rad/s ≥ 942,477 rad/s
La relación se cumple, sin embargo si se busca una mayor sensibilidad en los cálculos se
puede elegir un diámetro menor para el eje. Se recalculará la velocidad crítica calculada con
eje de diámetro d = 2,2 cm. Con este nuevo diámetro elegido, la ecuación (2.20) arroja el
siguiente resultado:
944,36 rad/s ≥ 942,477 rad/s
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
25/143
18
Se elegirá un diámetro para el eje de 2,2 cm.
2.4 Selección de rodamientos
En el eje se instalaran dos rodamientos, y estos serán calculados y seleccionados de la
siguiente manera:
1- Fuerzas que actúan en el eje: la figura 2.4 muestra el diagrama de cuerpo libre de las
fuerzas que actúan en el eje transmitidas por el motor eléctrico:
F1 F2
Fu
M t
Figura 2.4: Diagrama de cuerpo libre de fuerzas transmitidas al eje por motor eléctrico.
mdMt2
Fu ⋅
= (2.21)
( )
−⋅=−=
α⋅µ rade
111F2F1FFu (2.22)
2F1FFT += (2.23)
Donde:
Fu : Fuerza tangencial.
Mt : Momento torsor.
dm : Diámetro medio entre el rotor y el estator del motor eléctrico.
d1 : Diámetro del rotor.
d2 : Diámetro de estator.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
26/143
19
F1 : Fuerza tangencial 1.
F2 : Fuerza tangencial 2.
µ : Coeficiente de roce.α : Angulo en radianes.
FT : Fuerza total.
Se tiene que d1 = 0,05 m y d2 = 0,06. Remplazando valores en ecuaciones (2.21), (2.22) y
(2.23), se obtiene que:
Fu = 17,34 N
FT = 72,66 N
A continuación la figura 2.4.1 muestra el diagrama de cuerpo libre de las fuerzas que actúan
en el eje:
Y
X
BR B
A R A
F T
Q
Figura 2.4.1: Diagrama de cuerpo libre de fuerzas transmitidas al eje.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
27/143
20
La fuerza Q es la carga vertical en el eje. Las reacciones A y B se obtiene mediante las
ecuaciones de equilibrio estático:
0MB =∑ (2.24)
0FX =∑ (2.25)
Donde:
∑BM
: Sumatoria de momento en el punto B.∑ XF : Sumatoria de fuerzas en eje x.
Resumiendo, se tienen los siguientes valores calculados:
Q = 17,34 N
Fu = 17,34 N
FT = 72,66 N
RA = 113,53 N
RB = 40,87 N
2- Cálculo de rodamiento A: la figura 2.4.2 muestra el diagrama de cuerpo libre de fuerzas en
el punto A:
RA = Fr
A
Q = Fa
Figura 2.4.2: Diagrama de cuerpo libre de fuerzas en el punto A.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
28/143
21
Ahora:
( ) ( )[ ]areq FYFVXP ⋅+⋅⋅= (2.26)
Donde:
Peq : Carga equivalente.
X : Coeficiente radial del rodamiento
V : Factor de rotación.
Fr : Carga radial.
Y : Coeficiente axial del rodamiento
Fa : Carga axial.
Si Fr = RA, Fa = Q y se le aplica un factor dinámico a Fr y Fa de 2,5 y 2, respectivamente,
queda:
Fr = 283,82 N
Fa = 34,72 N
De [10], se obtienen los coeficientes X e Y:
12,0F
F
r
a = < e, siendo e = 0,22
Por lo tanto, X = 1 e Y = 0
Al reemplazar en ecuación (2.26), y con V = 1, ya que rota en el aro interno, se tiene:
Peq = 283,82 N
Ahora si las rpm equivalen a 9000 y se le da al rodamiento una duración de 10000 horas,
entrando a [10], se obtiene un coeficiente de seguridad de 17,5. Este coeficiente se expresa
también como.
Coef. Seguridad =eqPC
(2.27)
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
29/143
22
Donde:
C : Capacidad dinámica del rodamiento.
Reemplazando los valores en ecuación (2.27), queda:
C = 4966,85 N
Según [10], con un diámetro d = 22 mm., y una capacidad dinámica C = 4966,85 N, se elige
un rodamiento 62/22 (C = 14000 N)
2- Cálculo de rodamiento B: la figura 2.4.3 muestra el diagrama de cuerpo libre de fuerzas en
el punto B:
RB = Fr
B
Q = Fa
Figura 2.4.3: Diagrama de cuerpo libre de fuerzas en el punto B.
Si Fr = RB, Fa = Q y se le aplica un factor dinámico a Fr y Fa de 2,5 y 2, respectivamente,
queda:
Fr = 102,17 N
Fa = 34,72 N
De [10], se obtienen los coeficientes X e Y:
33,0F
F
r
a = > e, siendo e = 0,31
Por lo tanto, X = 0,56 e Y = 1,4
Al reemplazar en ecuación (2.26), y con V = 1, ya que rota en el aro interno, se tiene:
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
30/143
23
Peq = 105,82 N
Ahora si las rpm equivalen a 9000 y se le da al rodamiento una duración de 10000 horas,entrando a [10], se obtiene un coeficiente de seguridad de 17,5. Reemplazando los valores
en ecuación (2.27), queda:
C = 1851,95 N
Según [10], con un diámetro d = 22 mm., y una capacidad dinámica C = 4966,85 N, se elige
un rodamiento 62/22 (C = 14000 N).
2.5 Selección de pernos
Para la fijación del sistema móvil, se utilizarán cuatro pernos calidad 3.6, los cuales estarán
sometidos a la fuerza generada por el peso del sistema móvil, la fuerza generada por el peso
del sistema motriz y la fuerza tangencial generada cuando gira el eje. Se calcularán solo dos
de estos pernos (parte superior de la figura 2.5, ya que éstos son los mas solicitados. Los
demás serán iguales. A continuación la figura 2.5 muestra el diagrama de cuerpo libre de la
fuerza:
F
Figura 2.5: Diagrama de cuerpo libre de la fuerza.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
31/143
24
i
SHFF TOTAL / VPERNO / V
⋅µ
⋅= (2.28)
an
PERNO / VMIN / K
FA
σ= (2.29)
FuFFF motriz.Sistmóvil.SistTOTAL / V ++= (2.30)
Donde:
FV / PERNO : Fuerza previa en el perno.
FV / TOTAL : Fuerza previa total.
SH : Coeficiente de seguridad.
µ : Coeficiente de roce.
i : Número de pernos.
anσ : Tensión unitaria inicial.
MIN / KA : Area mínima del perno.
Fu : Fuerza tangencial.
Si el peso del sistema móvil equivale a 3,85 kg, el peso del sistema motriz equivale a 3,73
kq, la fuerza tangencial se calcula con ecuación (2.21), pero utilizando diámetro d = 22 mmlo que equivale a 4,42 kg, según ecuación (2.30), queda:
FV / TOTAL = 12 kg
Debido al efecto dinámico producido cuando el eje esta en movimiento, a la fuerza previa
total, se le aplica un factor dinámico que equivale a 1,25. Entonces, la fuerza previa total
será:
FV / TOTAL = 15 kg
Ahora según ecuación (2.28), y utilizando µ = 0,15 y un coeficiente de seguridad de 1,5 y con
i = 2, se tiene que:
FV / PERNO = 75 kg
Si se elige un perno de calidad 3.6 se tiene que:
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
32/143
25
fan 67,0 σ⋅=σ (2.31)
Donde:σf : Limite de fluencia del perno.
El perno calidad 3.6 tiene un límite de fluencia de 20 kg/mm2. Utilizando ecuación (2.31), se
tiene:
=σan 13,4 kg/mm2
Ahora según ecuación (2.29), el área mínima del perno será:
AK / MIN = 5,59 mm2
En [12], guía 2/6, se elige un área mínima de perno normalizada cumpliendo la siguiente
relación:
A’K / MIN > AK / MIN
Se elige perno M8, hilo corriente con A’K / MIN
= 32.8 mm2. Claramente se cumple la relación
mencionada anteriormente.
2.6 Soldadura
Todos los cálculos de soldadura, se realizarán en base a soldadura de filete.
1- Cálculo de soldadura en estructura base en la parte superior e inferior: esta estructura,
tiene cuatro uniones. Solo se calculara una de estas, ya que las cuatro son iguales. La figura
2.6 y 2.6a muestra el diagrama de cuerpo libre de la unión soldada:
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
33/143
26
FT
e=5
FT
e=2
Figura 2.6: Diagrama de cuerpo libre de la unión soldada superior (medidas en mm).
FT
FT
Figura 2.6a: Diagrama de cuerpo libre de la unión soldada inferior (medidas en mm).
τ≤
=τ
ndA
F admT.MÁX (2.32)
FuFF PT += (2.33)
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
34/143
27
Donde:
.MÁXτ : Esfuerzo cortante máximo.
admτ : Esfuerzo cortante admisible del electrodo.FT : Fuerza total ejercida en unión.
FP : Fuerza producida por el peso
Fu : Fuerza tangencial.
A : Area de garganta.
nd : Factor de diseño.
La fuerza producida por el peso corresponde al peso del sistema móvil equivalente a 3,85 kg
más el peso del sistema motriz equivalente a 3,73 kg. La fuerza producida por el peso será
de 7,58 kg equivalentes a 74,35 N. La fuerza tangencial se calcula con ecuación (2.21), pero
utilizando diámetro d = 0,022 mm lo que equivale a 43,36 N. La fuerza total según ecuación
(2.33) queda:
FT = 117,71 N
Debido al efecto dinámico producido cuando el eje esta en movimiento, a la fuerza total, se
le aplica un factor dinámico que equivale a 1,25. Entonces, la fuerza total será:
FT = 147,13 N
Si se usa electrodo E6011 con un esfuerzo cortante admisible de 124 MPa y el factor de
diseño es 2, reemplazando en (2.32) queda:
A = 2,37·10-6 m2
A = 2,37 mm2
Para este tipo de soldadura sometida a flexión [13], tabla 15 (Apéndice G), el área de la
garganta corresponde a A = 1,414· π ·h·r, donde r es el radio del cordón de soldadura y h es
el tamaño de junta. Despejando h y reemplazando valores, se obtiene:
h = 0,036 mm
Se recomienda usar un h del mismo tamaño del espesor más pequeño de los dos metales a
unir. Por lo tanto, h tendrá un valor de 2 mm.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
35/143
28
Para comprobar si h = 2 mm es correcto, se tiene que cumplir la relación según ecuación
(2.32):
1,131769 MPa ≤ 62 MPa
Es correcto, ya que se cumple la relación.
2- Cálculo de soldadura en placa soporte motor: la figura 2.6.1 muestra el diagrama de
cuerpo libre de la unión soldada:
e=2
e=5
F T
Figura 2.6.1: Diagrama de cuerpo libre de la unión soldada (medidas en mm).
La fuerza producida por el peso corresponde al peso del motor eléctrico equivalente a 1,5 kg
más el peso del eje equivalente a 1,77kg. La fuerza producida por el peso será de 3,27 kg
equivalentes a 32 N. La fuerza tangencial se calcula con ecuación (2.21), pero utilizando
diámetro d = 0,022 mm lo que equivale a 43,36 N. La fuerza total según ecuación (2.33)
queda:
FT = 75,36 N
Debido al efecto dinámico producido cuando el eje esta en movimiento, a la fuerza total, se
le aplica un factor dinámico que equivale a 1,25. Entonces, la fuerza total será:
FT = 94,2 N
Si se usa electrodo E6011 con un esfuerzo cortante admisible de 124 MPa y el factor de
diseño es 2, reemplazando en (2.32) queda:
A = 1,51·10-6 m2
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
36/143
29
A = 1,51 mm2
Para este tipo de soldadura sometida a flexión [13], tabla 15 (Apéndice G), el área de lagarganta corresponde a A = 0,707·h·d, donde d es la longitud del cordón de soldadura y h es
el tamaño de junta. Despejando h y reemplazando valores, se obtiene:
h = 0,046 mm
Se recomienda usar un h del mismo tamaño del espesor más pequeño de los dos metales a
unir. Por lo tanto, h tendrá un valor de 2 mm.
Para comprobar si h = 2 mm es correcto, se tiene que cumplir la relación según ecuación(2.32):
1,361271 MPa ≤ 62 MPa
Es correcto, ya que se cumple la relación.
3- Cálculo de soldadura en placa sistema móvil: la figura 2.6.2 muestra el diagrama de
cuerpo libre de la unión soldada:
e = 5
e = 2
F T
Figura 2.6.2: Diagrama de cuerpo libre de la unión soldada (medidas en mm).
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
37/143
30
La fuerza producida por el peso corresponde al peso del sistema móvil equivalente a 3,85 kg
más el peso del sistema motriz equivalente a 3,73 kg. La fuerza producida por el peso será
de 7,58 kg equivalentes a 74,35 N. La fuerza tangencial se calcula con ecuación (2.21), peroutilizando diámetro d = 0,022 mm lo que equivale a 43,36 N. La fuerza total según ecuación
(2.33) queda:
FT = 117,71 N
Debido al efecto dinámico producido cuando el eje esta en movimiento, a la fuerza total, se
le aplica un factor dinámico que equivale a 1,25. Entonces, la fuerza total será:
FT = 147,13 N
Si se usa electrodo E6011 con un esfuerzo cortante admisible de 124 MPa y el factor de
diseño es 2, reemplazando en (2.32) queda:
A = 2,37·10-6 m2
A = 2,37 mm2
Para este tipo de soldadura sometida a flexión [13], tabla 15 (Apéndice G), el área de la
garganta corresponde a A = 1,414·h·d, donde d es la longitud del cordón de soldadura y h esel tamaño de junta. Despejando h y reemplazando valores, se obtiene:
h = 6,7·10-3 mm
Se recomienda usar un h del mismo tamaño del espesor más pequeño de los dos metales a
unir. Por lo tanto, h tendrá un valor de 2 mm.
Para comprobar si h = 2 mm es correcto, se tiene que cumplir la relación según ecuación
(2.32):
0,208104 MPa ≤ 62 MPa
Es correcto, ya que se cumple la relación.
4- Cálculo de soldadura en encamisado de eje: la figura 2.6.3 muestra el diagrama de cuerpo
libre de la unión soldada:
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
38/143
31
FTB
e=2
A
e=1
Figura 2.6.3: Diagrama de cuerpo libre de la unión soldada (medidas en mm).
La soldadura será calculada en el punto A, ya que es punto más crítico. La fuerza producida
por el peso corresponde al peso del encamisado del eje igual a 0,73 kg equivalente a 7,16 N.
La fuerza tangencial se calcula con ecuación (2.21), pero utilizando diámetro d = 0,022 mm
lo que equivale a 43,36 N. La fuerza total según ecuación (2.33) queda:
FT = 50,52 N
Debido al efecto dinámico producido cuando el eje esta en movimiento, a la fuerza total, se
le aplica un factor dinámico que equivale a 1,25. Entonces, la fuerza total será:
FT = 63,15 N
Si se usa electrodo E308L-16 con un esfuerzo cortante admisible de 60 MPa y el factor de
diseño es 2, reemplazando en (2.32) queda:
A = 2,1·10-6 m2
A = 2,1 mm2
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
39/143
32
Para este tipo de soldadura sometida a flexión [13], tabla 15 (Apéndice G), el área de la
garganta corresponde a A = 0,707·h·d, donde d es la longitud del cordón de soldadura y h es
el tamaño de junta. Despejando h y reemplazando valores, se obtiene:
h = 0,09 mm
Se recomienda usar un h del mismo tamaño del espesor más pequeño de los dos metales a
unir. Por lo tanto, h tendrá un valor de 1 mm.
Para comprobar si h = 1 mm es correcto, se tiene que cumplir la relación según ecuación
(2.32):
2,978773 MPa ≤ 30 MPa
Es correcto, ya que se cumple la relación.
La soldadura calculada en el punto B, tendrá un h = 1 mm.
5- Cálculo de soldadura en aspas de eje: la figura 2.6.4 muestra el diagrama de cuerpo libre
de la unión soldada:
e=2
Figura 2.6.4: Diagrama de cuerpo libre de la unión soldada (medidas en mm).
La fuerza total en este caso será la fuerza de arrastre. La fuerza de arrastre corresponde a
84,89 N. Por lo tanto:
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
40/143
33
FT = 84,89 N
Debido al efecto dinámico producido cuando el eje esta en movimiento, a la fuerza total, sele aplica un factor dinámico que equivale a 1,25. Entonces, la fuerza total será:
FT = 106,11 N
Si se usa electrodo E308L-16 con un esfuerzo cortante admisible de 60 MPa y el factor de
diseño es 2, reemplazando en (2.32) queda:
A = 3,53·10-6 m2
A = 3,53 mm2
Para este tipo de soldadura sometida a flexión [13], tabla 15 (Apéndice G), el área de la
garganta corresponde a A = 1,414·h·d, donde d es la longitud del cordón de soldadura y h es
el tamaño de junta. Despejando h y reemplazando valores, se obtiene:
h = 0,33 mm
Se recomienda usar un h del mismo tamaño del espesor más pequeño de los dos metales a
unir. Por lo tanto, h tendrá un valor de 1,2 mm.
Para comprobar si h = 1,2 mm es correcto, se tiene que cumplir la relación según ecuación
(2.32):
8,355118 MPa ≤ 30 MPa
Es correcto, ya que se cumple la relación.
6- Cálculo de soldadura en encamisado de eje parte inferior: la figura 2.6.5 muestra eldiagrama de cuerpo libre de la unión soldada:
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
41/143
34
B
A
e=2
e=2
FT
e=1
Figura 2.6.5: Diagrama de cuerpo libre de la unión soldada (medidas en mm).
Cálculo de soldadura en punto A: la fuerza producida por el peso corresponde al peso de las
dos placas unidas en la parte inferior del encamisado del eje. Su peso corresponde a 0,22
kg, equivalentes a 2,15 N. La fuerza tangencial se calcula con ecuación (2.21), pero
utilizando diámetro d = 0,022 mm lo que equivale a 43,36 N. La fuerza total según ecuación
(2.33) queda:
FT = 45,51 N
Debido al efecto dinámico producido cuando el eje esta en movimiento, a la fuerza total, se
le aplica un factor dinámico que equivale a 1,25. Entonces, la fuerza total será:
FT = 56,88 N
Si se usa electrodo E308L-16 con un esfuerzo cortante admisible de 60 MPa y el factor de
diseño es 2, reemplazando en (2.32) queda:
A = 1,89·10-6 m2
A = 1,89 mm2
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
42/143
35
Para este tipo de soldadura sometida a flexión [13], tabla 15 (Apéndice G), el área de la
garganta corresponde a A = 1,414· π ·h·r, donde r es el radio del cordón de soldadura y h es
el tamaño de junta. Despejando h y reemplazando valores, se obtiene:
h = 0,02 mm
Se recomienda usar un h del mismo tamaño del espesor más pequeño de los dos metales a
unir. Por lo tanto, h tendrá un valor de 1 mm.
Para comprobar si h = 1 mm es correcto, se tiene que cumplir la relación según ecuación
(2.32):
0,738701 MPa ≤ 30 MPa
Es correcto, ya que se cumple la relación.
Cálculo de soldadura en punto B: la fuerza producida por el peso corresponde al peso de la
placa unida en la parte inferior del encamisado del eje. Su peso corresponde a 0,13 kg,
equivalentes a 1,27 N. La fuerza tangencial se calcula con ecuación (2.21), pero utilizando
diámetro d = 0,022 mm lo que equivale a 43,36 N. La fuerza total según ecuación (2.33)
queda:
FT = 44,63 N
Debido al efecto dinámico producido cuando el eje esta en movimiento, a la fuerza total, se
le aplica un factor dinámico que equivale a 1,25. Entonces, la fuerza total será:
FT = 55,78 N
Si se usa electrodo E308L-16 con un esfuerzo cortante admisible de 60 MPa y el factor de
diseño es 2, reemplazando en (2.32) queda:
A = 1,85·10-6 m2
A = 1,85 mm2
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
43/143
36
Para este tipo de soldadura sometida a flexión [13], tabla 15 (Apéndice G), el área de la
garganta corresponde a A = 1,414· π ·h·r, donde r es el radio del cordón de soldadura y h es
el tamaño de junta. Despejando h y reemplazando valores, se obtiene:
h = 0,01 mm
Se recomienda usar un h del mismo tamaño del espesor más pequeño de los dos metales a
unir. Por lo tanto, h tendrá un valor de 2 mm.
Para comprobar si h = 1 mm es correcto, se tiene que cumplir la relación según ecuación
(2.32):
0,157126 MPa ≤ 30 MPa
Es correcto, ya que se cumple la relación.
En la fijación del sistema móvil, unas tuecas son soldadas al sistema para impedir la rotación
del perno (sistema de ajuste). Además, cada perno tiene soldada una argolla para facilitar el
apriete cuando se desea fijar la posición. Estas soldaduras no fueron calculadas, ya que su
función es irrelevante al compararlas con las otras solicitaciones de la estructura.
2.7 Alineamiento del eje
Cuando en dos o más máquinas la línea central de sus ejes coinciden entre sí, es porque
están correctamente alineadas. Sin embargo, en la práctica es muy común encontrar que la
línea central de sus ejes forma un ángulo o están desfasadas, condición a la cual se le llama
desalineamiento. El desalineamiento es la causa de problemas vibracionales de la maquina
rotativa.
Cualquier movimiento transmitido a través de los ejes causa serias averías al
comportamiento de las máquinas y para evitarlas debe establecerse con precisión los
cambios que soportan las máquinas desde sus estados en frío hasta su operación de normal
funcionamiento.
2.7.1 Tipos de desalineamiento
Las formas más generales para describir el desalineamiento entre los ejes de dos máquinas
son:
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
44/143
37
a) Desalineamiento paralelo.
b) Desalineamiento angular.
c) Desalineamiento combinado (paralelo - angular).
a) Desalineamiento paralelo:
Este tipo de desalineamiento es la distancia perpendicular entre la línea central de un eje y la
misma línea del otro eje (figura 2.4.1a).
Figura 2.4.1a
b) Desalineamiento angular:
Este ocurre cuando la línea central de los ejes forman un ángulo entre sí (figura 2.4.1b).
Figura 2.4.1b
c) Desalienamiento combinado (paralelo – angular):
Cuando ocurren los casos anteriores simultáneamente (figura 2.4.1c).
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
45/143
38
Figura 2.4.1c
Es importante señalar que los cálculos realizados en 2.3.2, 2.4, 2.5, 2.6 son para un
funcionamiento continuo del prototipo. Como el prototipo será usado para fines
experimentales y su uso será solo ocasional, algunos de los materiales usados en laconstrucción varían, no alterando su función principal que es un buen y agitado de la mezcla.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
46/143
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
47/143
40
3.1 Construcción de las piezas
Este equipo es uno de los accesorios básicos para realizar una mezcla con una distribuciónde partículas lo mas homogénea posible, compuesto fundamentalmente por una estructura
base, un sistema móvil, un sistema motriz (motor eléctrico, el eje y la hélice) y un vaso
contenedor de la mezcla.
La mayoría de las piezas del Mezclador-Agitador se construyeron realizando los siguientes
procesos [6]:
• Torneado.
• Corte.
• Taladrado.
• Soldadura.• Pintado.
A continuación se detallan estos procesos realizados para la fabricación de cada una de las
partes del equipo [7] con sus respectivos planos de construcción [8]:
3.1.1 Estructura base
La estructura base cumple la función de sostener todas las piezas que constituyen el
Mezclador-Agitador, conformando así una sola estructura para su fácil trasporte y manejo.
Además es importante destacar que la estructura base posee dos tubos paralelos que serán
soldados a la base, los que servirán de guía al sistema móvil del equipo.
Los materiales utilizados para la construcción de la estructura base son los siguientes:
• 1 Placa de acero A37-24ES de 400 × 400 mm, espesor 8 mm.
• 4 Tapillas de goma pegadas a la base.
• 2 R65 diámetro 1”, espesor 2 mm, largo 1 m.
• 1 Goma soporte vaso contenedor 230 × 180 mm, espesor 5 mm.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
48/143
41
La figura 3.1.1a muestra las dimensiones de la estructura base:
Base1 1 Acero A37-24ES
R65
ESCUELA DE INGENIERIA EN MECANICA
Tubo guia sist. movilSoporte vasocontenedor
Soporte base
4
3
2
Medidas en mm.
1
2
4 Tapilla de goma
Goma
UNIVERSIDAD DE TALCADESCRIPCIÓNNº CANT. MATERIAL
Figura 3.1.1a: Estructura base.
Los procesos de fabricación realizados en la estructura base son los siguientes:
Nº Proceso Herramienta utilizada Condiciones de trabajo
1 -Trazado Trazador, escuadra deacero
2 -Corte delmaterial(base)
-Equipo de Oxicorte -Consta de dos etapas: en la primera, elmetal se calienta a alta temperatura(900°C) con la flama producida por eloxígeno y un gas combustible(acetileno); en la segunda, una corrientede oxígeno corta el metal y remueve losóxidos de fierro producidos
3 -Corte R65 -Esmeril angular (corte ydesbaste)
-Velocidad de corte: 8500 rpm-Potencia 2,3 kW-220 V
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
49/143
42
4 -Soldadura alarco de R65a la base
-Máquina soldadora al arco-Electrodo para acero alcarbono AWS E 6011
-Implementos de seguridaden la aplicación
-Toda posición.-Corriente continua, electrodo positivo-Corriente alterna
-Revestimiento gris-Punto: azul5 -Pegado de
tapillas-Pegamento Agorex
6 -Pintado dela baseestructura
-Esmalte spray parasuperficies metálicas, colorazul
-Limpiar bien la superficie antes depintar-Agitar el envase antes de usar-Pintar en ambientes ventilados
Tabla 3.1.1: Procesos de fabricación estructura base.
Figura 3.1.1A: Estructura base terminada.
3.1.2 Sistema móvil
El sistema móvil es una pieza del Mezclador-Agitador cuyas funciones son las siguientes:
1- Soportar el sistema motriz. Además cabe destacar que este sistema móvil posee también
un encamisado como parte del mismo, el cual ayudará a obtener una mayor calidad de
dispersión debido a su forma, ya que se diseñó con ranuras en la parte superior y con
orificios en la parte inferior.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
50/143
43
2- Deslizarse por las barras paralelas soldadas en estructura base de modo que la posición
de esta pieza sea ajustable. El sistema de ajuste esta constituido por cuatro pernos que fijan
el sistema móvil cuando se ha elegido una posición.Los materiales utilizados para la construcción de la estructura base son los siguientes:
• 2 R65 diámetro 1 ¼”, espesor 2 mm, largo 0.25 m.
• 1 Placa de acero A37-24ES de 100 × 250 mm, espesor 5 mm.
• 1 Placa soporte motor acero A37-24ES 90 × 80 mm, espesor 2 mm.
• 4 Pernos cabeza hexagonal diámetro ½”, hilo corriente.
• 4 Tuercas hexagonal diámetro ½", hilo corriente.
• 4 Argollas diámetro interior 1½”, espesor 3 mm.
• 1 Tubo de acero inoxidable AISI 304 diámetro interior 35 mm, espesor 1 mm, largo
0,4 m.
• 1 Placa de acero inoxidable AISI 304 diámetro 84 mm, espesor 2 mm.
• 1 Placa de acero inoxidable AISI 304 de 265 × 30 mm, espesor 2 mm.
• 2 Placa de acero inoxidable AISI 304 de 30 × 160 mm, espesor 2 mm.
• 1 Placa de acero A37-24ES de 165 × 29,4 mm, espesor 5 mm.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
51/143
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
52/143
45
La figura 3.1.2b muestra las dimensiones de la placa soporte sistema motriz:
Soporte sistema motriz
UNIVERSIDAD DE TALCADESCRIPCIÓN
1
CANT.
ESCUELA DE INGENIERIA ENMECANICA
MATERIAL
Medidas en mm.
Acero A37-24ES
Figura 3.1.2b: Placa soporte sistema motriz.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
53/143
46
La figura 3.1.2c muestra las dimensiones del sistema de ajuste:
Perno hexagonaldiámetro 1/2" con
turca y argolla
MATERIAL
Medidas en mm.
UNIVERSIDAD DE TALCADESCRIPCIÓN
Fijación sistema móvil 1
ESCUELA DE INGENIERIA EN MECANICA
CANT.
Figura 3.1.2c: Sistema de ajuste.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
54/143
47
La figura 3.1.2d muestra las dimensiones del encamisado unido a la base móvil:
ESCUELA DE INGENIERIA EN MECANICA
UNIVERSIDAD DE TALCADESCRIPCIÓN
Encamisado unido a labase móvil
MATERIAL
Medidas en mm.
Acero inoxidable AISI 3041
CANT.
Figura 3.1.2d: Encamisado unido a la base móvil.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
55/143
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
56/143
49
UNIVERSIDAD DE TALCAMedidas en mm.ESCUELA DE INGENIERIA EN MECANICA
Figura 3.1.2f: Sistema móvil.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
57/143
50
Los procesos de fabricación realizados en el sistema móvil son los siguientes:
Nº Proceso Herramienta utilizada Condiciones de trabajo
1 -Trazado -Trazador, escuadra deacero
2 -Corte deplaca basesistema móvil
-Equipo de Oxicorte -Consta de dos etapas: en la primera,el metal se calienta a alta temperatura(900°C) con la flama producida por eloxígeno y un gas combustible(acetileno); en la segunda, unacorriente de oxígeno corta el metal yremueve los óxidos de fierro producidos
3 -Corte de:a)R65 y tuboinoxidableb)Placasoportesistemamotrizc)Encamisadounido a labase móvild)Placas deuniónencamisado ala base móvild) Placafijación tubosparalelos
-Esmeril angular (corte ydesbaste)
-Velocidad de corte: 8500 rpm-Potencia 2300 W-220 V
4 -Taladrado:a) Trazado delos orificiosb) Sujeción dela piezac) Sujeción dela broca
-Trazador, escuadra deacero-Dispositivo de sujeción enel taladro
-Brocas helicoidales de acero rápido.-Diámetros: 2,5-5-10 mm., y ¼” -½”-1”.-Uso de lubricante
5 -Forma aplaca soportesistemamotriz
-Tornillo de banco-Martillo de goma
6 -Soldadura al
arco de:a)R65 ysoporte motriza la basemóvilb) Argollas ytuercas alsistema deajustec)Placafijación tubosparalelos
-Máquina soldadora al arco
-Electrodo para acero alcarbono AWS E 6011-Implementos de seguridaden la aplicación
-Toda posición.
-Corriente continua, electrodo positivo-Corriente alterna-Revestimiento gris-Punto: azul
7 -Soldadura -Máquina soldadora TIG -No requiere fundente
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
58/143
51
TIG de:a)Encamisadounido a al
base móvilb)Placa deuniónencamisado ala base móvil
-Material de aporte-Implementos de seguridaden la aplicación
-No hay salpicadura, chispas oemanaciones-Soldaduras en toda posición sin
distorsiones
8 -Pintado de:a)Base delsistema móvilb)Sistema deajuste
-Esmalte spray parasuperficies metálicas, colorazul
-Limpiar bien la superficie antes depintar-Agitar el envase antes de usar-Pintar en ambientes ventilados
Tabla 3.1.2a: Procesos de fabricación sistema móvil.
Figura 3.1.2A: Encamisado unido a base Figura 3.1.2B: Sistema de ajuste
móvil terminado. terminado.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
59/143
52
Figura 3.1.2C: Sistema móvil terminado.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
60/143
53
3.1.3 Sistema motriz
La función del sistema motriz es realizar una mezcla homogénea de la forma más eficiente.Este sistema se fija al sistema móvil mediante una abrazadera apernada. Los materiales
utilizados para la construcción de la estructura base son los siguientes:
• 1 Placa de acero inoxidable AISI 304 de 64 × 240 mm, espesor 2 mm.
• 1 Placa soporte abrazadera de acero inoxidable AISI 304 64 ×120 mm, espesor 2
mm.
• 6 Pernos acero inoxidable AISI 304 diámetro 6 mm × 1,25.
La figura 3.1.3a muestra las dimensiones de la abrazadera del sistema motriz:
1
MATERIAL
Medidas en mm.
Acero inoxidable AISI 304
1
4
Acero inoxidable AISI 304
Acero inoxidable AISI 304
DESCRIPCIÓN
Abrazadera
Nº
1
2
3
Placa abrazadera
Perno con tuerca
UNIVERSIDAD DE TALCACANT.
ESCUELA DE INGENIERIA EN MECANICA
Figura 3.1.3a Abrazadera del sistema motriz.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
61/143
54
Los procesos de fabricación realizados en la abrazadera del sistema motriz son los
siguientes:
Nº Proceso Herramienta utilizada Condiciones de trabajo
1 -Trazado -Trazador, escuadra deacero
2 -Corte:a)Abrazaderab)Placaabrazadera
- Esmeril angular (corte ydesbaste)
-Velocidad de corte: 8500 rpm-Potencia 2300 W-220 V
3 -Taladrado:a) Trazado delos orificiosb) Sujeción dela pieza
c) Sujeción dela broca
-Trazador, escuadra deacero-Dispositivo de sujeción enel taladro
-Brocas helicoidales de acero rápido-Diámetros: 2,5-5-10 mm. y ¼” -½”-1”-Uso de lubricante
4 -Taladrado:a) Trazado delos orificiosb) Sujeción dela piezac) Sujeción dela broca
-Trazador, escuadra deacero-Dispositivo de sujeción enel taladro
-Brocas helicoidales de acero rápido-Diámetros: 2,5-5-8 mm-Uso de lubricante
5 -Forma aabrazadera
-Tornillo de banco-Martillo de goma
6 -Limpieza deabrazadera
Tabla 3.1.3a: Procesos de fabricación de la abrazadera del sistema móvil.
Figura 3.1.3A: Perno con tuerca. Figura 3.1.3B: Abrazadera terminada.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
62/143
55
A continuación se describen los componentes del sistema motriz:
3.1.3.1 Motor eléctrico
El motor eléctrico utilizado corresponde al motor de un esmeril angular y es el primer
componente del sistema motriz .Sus características son las siguientes:
Marca : S1M-100.
Potencia : 0,45 kW.
Velocidad : 9000 rpm.
Volt : 220 V
Su función principal es la de transmitir la velocidad de rotación al resto de los componentes
del sistema motriz.
Figura 3.1.3.1A: Motor eléctrico.
3.1.3.2 Eje
El eje es el segundo componente del sistema motriz. En la parte superior va conectado al
motor mediante un mecanismo de rosca, de la misma forma en que se conecta la hélice en
su parte inferior. Su función es trasmitir la velocidad de rotación entregada por el motor
eléctrico a la hélice.
Los materiales utilizados para la construcción del eje son los siguientes:
• 1 Eje macizo de acero AISI 4340 diámetro 30 mm, largo 0,45 m (eje sección 1).
• 1 Eje macizo de acero AISI 4340 diámetro 30 mm, largo 0,065 m (eje sección 2).
• 1 Prisionero.
• 2 Rodamientos rígidos de bola SKF.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
63/143
56
• 1 Placa soporte rodamientos acero AISI 304 de 35 × 150 mm, espesor 2 mm.
• Relleno de soldadura para acero inoxidable.
El eje consta de dos secciones que se acoplan mediante un sistema de conexión tipobayoneta mediante una chaveta (Apéndice A 1.9). Este sistema se utilizó considerando que
la transmisión es de alta velocidad. Para asegurar mayormente el mecanismo, se le agrega
un prisionero en la conexión para evitar cualquier tipo de movimiento en el eje no deseado.
La figura 3.1.3.2a muestra las dimensiones del eje:
Medidas en mm.
Acero inoxidable AISI 4340
Acero inoxidable AISI 4340
Prisionero
MATERIALDESCRIPCIÓNNº
1
2
3 Sujeción conexión
Eje sección 1
1
1
CANT.
Eje sección 1 1
ESCUELA DE INGENIERIA EN MECANICA
UNIVERSIDAD DE TALCA
Figura 3.1.3.2a: Eje.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
64/143
57
En un principio, se pensó en agregar adicionalmente un buje al eje con el fin de cumplir las
siguientes funciones:1) Evitar las vibraciones del eje en la puesta en marcha y apagado del
motor y 2) Ser guía del eje dentro del componente encamisado del sistema móvil.Esta opción se desechó, ya que en la puesta en marcha se produjo contaminación en la
dispersión producto del desprendimiento de partículas debido a las altas revoluciones del
eje. Se optó entonces, por la incorporación de dos rodamientos rígidos de bolas. Los
rodamientos elegidos son según catálogo SKF [10]. Como el diámetro interior del rodamiento
es de 17 mm., se relleno con soldadura el eje hasta alcanzar dicha medida en la parte donde
están colocados. También se le adicionó un encamisado al eje de modo que asegurara la
posición de los rodamientos cuando éstos estén en funcionamiento.
La figura 3.1.3.2b muestra las dimensiones del eje calculado y eje construido con los
rodamientos rígidos de bola:
Eje construido d = 16 mm Eje calculado d = 22 m m
Medidas en mm.ESCUELA DE INGENIERIA EN MECANICA
Nº
1 Soporte rodamientos
DESCRIPCIÓN
UNIVERSIDAD D E TALCAMATERIALCANT.
1 Acero inoxidable AISI 304
2 2
23
Rodamientos
Rodamientos
SKF 6003
SKF 62/22
La figura 3.1.3.2b: Eje calculado y eje construido con los rodamientos rígidos de bola.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
65/143
58
Los procesos de fabricación realizados en el eje son los siguientes:
Nº Proceso Herramienta utilizada Condiciones de trabajo
1 -Torneado,sujeción ycentradoa) de la piezaen brutob) de laherramienta
-Plato universal de sujeción-Porta herramienta
2 -Torneado yrefrentado en:a)ambascaras de ejesección 1
-Herramienta de refrentar -Velocidad de corte: 250 rpm
3 -Torneadoa)Desbastadoen eje sección1b) Afinado eneje sección 1
-Herramienta de desbastar -Velocidad de corte: 25 m/min-Profundidad de corte: 0,25 mm
4 -Rectificadoen:a)eje sección1
-Máquina de rectificadocilíndrico (muela de esmerilpara acero inoxidable)
-Velocidad de corte (velocidad periféricade la muela): 35 m/s
5 -Roscainterior en:a)Eje sección1, parteinferior
-Herramienta de roscar -Velocidad de corte: 10 m/min-Profundidad de corte: 0,2 mm
6 -Torneado yrefrentado en:a)ambascaras de ejesección 2
-Velocidad de corte: 250 rpm
7 -Torneadoa)Desbastadoen eje sección2b) Afinado eneje sección 2
-Herramienta de desbastar -Velocidad de corte: 25 m/min.-Profundidad de corte: 0,25 mm
8 -Rectificadoen:a)Eje sección2
-Máquina de rectificadocilíndrico (muela de esmerilpara acero inoxidable)
-Velocidad de corte (velocidad periféricade la muela): 35 m/s
9 -Taladrado eneje sección 2 :a) Trazadodel orificio(partesuperior einferior de lasección)
-Trazador, escuadra deacero-Dispositivo de sujeción enel taladro
-Brocas helicoidales de acero rápido-Diámetros: 2,5-5-8-10-12-14-16 mm-Uso de lubricante
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
66/143
59
b) Sujeción dela piezac) Sujeción de
la broca10 -Rosca
interior en:a)Eje sección2, partesuperior
-Herramienta de roscar -Velocidad de corte: 10 m/min-Profundidad de corte: 0,2 mm
11 -Fresadoverticala) Sujeción dela fresab) Sujeción dela pieza yalineación dela mismac) Fresado deranura ensuperficielateral de ejesección 2
-Fresa de vástago dediámetro 5 mm.
-Pernos de sujeción
-Velocidad de corte de la herramienta:19 m/min-Avance automático de la mesa portapieza: 29 mm/min-Profundidad de corte de laherramienta: 1 mm-Usar líquido de refrigeración
12 -Roscadointerior ejesección 1
(prisionero):a) Sujeción dela piezab) Sujeción demachos
-Tornillo de sujeción-Machos, terraja, aceitepara lubricar
-Macho diámetro 3/16”
13 -SoldaduraTIG para:a)placasoporterodamientosb)Relleno eneje pararodamientos
-Máquina soldadora TIG-Material de aporte-Implementos de seguridaden la aplicación
-No requiere fundente-No hay salpicadura, chispas oemanaciones-Soldaduras en toda posición sindistorsiones
14-Limpieza deleje
15 -Colocar losrodamientosen el eje
Tabla 3.1.3.2a: Procesos de fabricación del eje.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
67/143
60
Figura 3.1.3.2A: Sección Figura 3.1.3.2B: Sección
eje 1 terminada. eje 2 terminada.
Figura 3.1.3.2C: Eje
Terminado.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
68/143
61
3.1.3.3 Hélice
Finalmente, la hélice es el tercer y último componente del sistema motriz. Su funciónconsiste en agitar y mezclar, ya que la hélice esta en contacto con la solución en todo el
proceso.
Los materiales utilizados para la construcción de la hélice son los siguientes:
• 6 Placas de acero inoxidable AISI 304 de 15 ×12 mm, espesor 1,2 mm.
• 1 Placa de acero inoxidable AISI 304 de diámetro 45 mm, espesor 2 mm.
• 1 Perno acero inoxidable AISI 304 cabeza hexagonal M8 × 1,25 con golilla.
La figura 3.1.3.3a muestra las dimensiones de la hélice:
MATERIAL
Medidas en mm.
CANT.Acero AISI 304
Acero AISI 304
Acero AISI 304
ESCUELA DE INGENIERIA EN MECANICA
UNIVERSIDAD DE TALCA
Nº1
2
3
Hélice
Golilla
DESCRIPCIÓN
Perno cabeza hexagonal
Figura 3.1.3.3a: Hélice.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
69/143
62
Los procesos de fabricación realizados en el eje son los siguientes:
Nº Proceso Herramienta utilizada Condiciones de trabajo
1 -Trazado -Trazador, escuadra deacero
2 -Corte:a)Placa basehéliceb)Aspas
--Esmeril angular (corte ydesbaste).-Guillotina manual
-Velocidad de corte: 8.500 rpm-Potencia ,23 kW-220 V
3 -Taladrado:a) Trazado delos orificiob) Sujeción dela piezac) Sujeción dela broca
-Trazador, escuadra deacero-Dispositivo de sujeción enel taladro
-Brocas helicoidales de acero rápido-Diámetros: 2,5-5-8 mm
4 -SoldaduraTIG en:a)Aspas a labase de lahélice
-Máquina soldadora TIG-Material de aporte-Implementos de seguridaden la aplicación
-No requiere fundente-No hay salpicadura, chispas oemanaciones-Soldaduras en toda posición sindistorsiones
5 Limpieza dehélice
Tabla 3.1.3.3a: Procesos de fabricación de la hélice.
Figura 3.1.3.3A: Hélice terminada.
3.1.4 Vaso contenedor
El vaso contenedor tiene la función de contener la mezcla a agitar. Básicamente es un
recipiente de vidrio transparente. La figura 3.1.4a muestra las dimensiones del vaso
contenedor:
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
70/143
63
UNIVERSIDAD DE TALCA
Vaso contenedor de la mezcla
DESCRIPCIÓN CANT.
1
ESCUELA DE INGENIERIA EN MECANICA
Vidrio transparente
Medidas en mm.
MATERIAL
Figura 3.1.4a: Vaso contenedor.
Figura 3.1.4A: Vaso contenedor.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
71/143
64
3.1.5 Esquema general
Obtenidas todas las partes que componen el Mezclador-Agitador, la figura 3.1.4a se muestrael esquema general de la estructura en su conjunto:
Figura 3.1.4a: Esquema general Mezclador-Agitador.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
72/143
65
Donde:
1- Estructura base.
2- Sistema móvil.3- Sistema motriz.
4- Vaso contenedor.
Figura 3.1.4A: Mezclador-Agitador terminado.
1
2
3
4
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
73/143
66
CAPITULO 4
ENSAYOS
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
74/143
67
4.1 Descripción general
En este capítulo se describe la característica del material sólido de referencia utilizados enlos ensayos del Mezclador-Agitador. El material particulado se conoce como óxido de zinc
(ZnO), que es del tipo comercial y fue adquirido en farmacias Cruz Verde. Además se
detallarán los distintos procesos y etapas preparatorias que involucran estos ensayos y por
consecuencia la determinación de la distribución de tamaño de micro partículas.
4.2 Descripción de los materiales utilizados en la preparación de las suspensiones
Una suspensión se compone de dos sustancias en distinta fase termodinámica, donde uno
de ellos es un material sólido micro particulado denominado como fase discontinua en lasuspensión y el segundo esta en fase líquida siendo llamado como fase continua de la
suspensión. A continuación se describen los materiales de referencia utilizados en los
distintos ensayos que se realizaron con el Mezclador-Agitador.
4.2.1 Líquido
El líquido utilizado como fase continua en la suspensión es agua destilada y desionizada.
Esta agua esta libre de sales y otro tipo de contaminación que altere su índice de acidez
(pH), por lo que es muy importante mantener un alto grado de limpieza en los utensilios detrabajo. La presencia de partículas extrañas a la suspensión a analizar generaría una
alteración considerable en los datos obtenidos en las mediciones ya que podrían generar la
formación de flóculos y aglomerados.
Durante el trabajo experimental se utilizó agua a 20°C, lo que implica que las principales
características mecánicas del agua sean una densidad 998,23 kg/m3 y una viscosidad
dinámica de 1,009 mPa·s. El comportamiento de estas propiedades respecto de la
temperatura se encuentran tabulados en el anexo 3.
4.2.2 Material particulado
Se utilizó como material de particulado óxido de zinc (ZnO), el cual posee propiedades
físicas y químicas bastante apropiadas como para realizarle un buen tratamiento analítico.
Para trabajar con este material y verificar correctamente el óptimo funcionamiento en el
Mezclador-Agitador, era necesario conocer de antemano todos los parámetros de tamaños
de partículas que posee este compuesto. Los resúmenes Web que se presentan a
continuación, contienen diversos datos del material que se ha utilizado como patrón de
medida. El objetivo de la visualización de estos datos, es poder compararlos estrictamente
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
75/143
68
con los resultados obtenidos por PRO C.S.G. 2004. De este modo, el lector tendrá una idea
general de la tangible magnitud de aproximación que poseen ambos conjuntos de
resultados.El óxido de zinc es un material utilizado para muchas aplicaciones industriales. Funciona
excelentemente bien como activador en la vulcanización del hule, para la elaboración de
telas de rayón, cintas y telas adhesivas, pinturas, fritas para cerámica, reactivos químicos,
vidrio, alfarería, cosméticos, productos farmacéuticos, tintas de impresión, cerillos,
pegamentos, cemento dental, papel para fotocopiado, lubricantes especiales, crayones,
fertilizantes, y productos alimenticios para aves y ganado.
Sus principales propiedades físicas y químicas se muestran a continuación en la tabla 4.2.2:
Oxido de Zinc (ZnO) : 99,60%Contenido de Zinc en Oxido de Zinc : 79,71%
Retenido en malla 325 (vía húmeda) máx. : 0,5%
Control de acidez (PH) : 6,3
Insolubles en HCI y Acido Acético : 0,03%
Pérdida por calentamiento máx. : 0,15%
Punto de fusión : 1800 ºC
Plomo : 0,03%
Cadmio : 0,05%
Fierro : 0,01%
Densidad : 5,65 g/cm3
Tabla 4.2.2: Óxido de zinc [http://www.prohulsa.com.mx/oxi-zinc.htm]
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
76/143
69
También se extrajo de la Web, un gráfico que contiene las curvas de dispersión de sus
tamaños de partículas:
Figura 4.1.2: Densidad de distribución de tamaño de partícula para Oxido de Zincaportado por MVT de la TU-Dresden
Nótese que según este gráfico la dispersión sería de tipo bimodal [11], ya que presenta dos
conjuntos de tamaños con una diferencia notoriamente marcada. Las partículas que miden
menos de 1 micra, serían el pequeño grupo que se encuentra a la izquierda del gráfico,
mientras que la mayoría de las partículas, tendría un diámetro bastante mayor que el de 1
micra. Se podría asegurar que las modas que se visualizan en el gráfico son de 0,3 y 9
micras respectivamente. En todo caso, es complicado saber con exactitud lo mencionado
anteriormente, ya que por poseer una escala logarítmica, los espacios de intervalo van
variando a lo largo del eje x. Densidad aparente 3050 kg/m3.
Las figuras 4.2.1c y 4.2.1d muestran su forma, tamaño y comportamiento de floculación en
agua a partir de imágenes obtenidas a través de un microscopio electrónico.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 2 4 6 8 10 12 14 16x [µm]
Q 3
0
0,05
0,1
0,15
0,2
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
77/143
70
Figura 4.2.1c: Fotografía de partículas de óxido de zinc,
aportado por MVT de la TU-Dresden.
Figura 4.1.2d: Fotografía del flóculo de óxido de zinc,
aportado por MVT de la TU-Dresden.
4.3 Restricciones de operación del prototipo
Como todo prototipo, el Mezclador-Agitador tiene sus rangos de operación y restricciones en
su aplicación, las que para este equipo radican en aspectos físicos y en los aspectos
químicos.
4.3.1 Restricciones físicas de operación del prototipo
La suspensión utilizada para este cálculo corresponde a la de óxido de zinc en agua, ya que
presenta el mayor tiempo en estado de aceleración, debido a su mayor densidad y tamaño
nominal del flóculo que actúa como partícula. Se asume entonces que la velocidad de
sedimentación de la partícula será prácticamente constante e igual a la velocidad de Stokes
en todo el tiempo que dure el proceso de sedimentación en cada muestra.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
78/143
71
Una vez tomadas las muestras, éstas deben ser de forma horizontal como muestra la figura
3.3.1 ya que definen la dirección de la sedimentación, ya que si esta no fuera vertical
respecto de la superficie transversal de medida generaría que la distribución de tamaño departículas presentes en la suspensión se vea alterada.
Las condiciones de operación del Mezclador-Agitador y la toma de muestras deben
realizarse en una sala con temperatura adecuada, esto es entre los 20ºC y los 25ºC con el
fin de mantener tanto el equipo como la suspensión que se esta midiendo, sin alteraciones
de temperatura, con el fin de no provocar variaciones en las mediciones. Las variaciones
apuntan principalmente los cambios en el valor de la viscosidad del agua destilada, los que
obviamente alterarán el valor de la fuerza de arrastre y con ello la velocidad de Stokes y el
efecto asociado a la formación de corrientes convectivas del fluido líquido dentro de la
muestras, las que retardarían el proceso de sedimentación y con ello la velocidad desedimentación y con ello la medida.
4.3.2 Restricciones químicas del prototipo
La contaminación de la suspensión en una medición es una posibilidad latente. Si así
ocurriera, se facilita la formación de floculos y aglomeraciones en las muestras, generando
alteraciones en las medidas. Para evitar cualquier tipo de contaminación, ya sea debido a al
limpieza inadecuada que cada uno de los elementos utilizados al momento de realizar los
ensayos o la no aislamiento de los materiales sólidos y líquidos, se debe realizar una
minuciosa limpieza de los componentes y aislamiento de los materiales antes de cada
ensayo.
4.4 Descripción del protocolo de ensayo para el Mezclador-Agitador
Los pasos descritos a continuación corresponden al montaje del Mezclador-Agitador en
condiciones de operación. Estos pasos configuran el protocolo de medición donde se indican
las tareas de montaje y procedimientos para realizar una medición con el prototipo.
4.4.1 Descripción del procedimiento para realizar el ensayo
Los procesos que se realizan para la obtención de la distribución de tamaño de micro
partículas son los siguientes:
1 - Mezclador-Agitador mecánico: para la preparación de la suspensión se procede a masar
el material particulado en una balanza electrónica, que para nuestro caso es 8 gr. de óxido
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
79/143
72
de zinc (ZnO) la que se vierte en el vaso contenedor que posee 1000 ml. de agua destilada,
formando con ello la suspensión con el valor de concentración volumétrica de micro
partículas que se desea ensayar. La suspensión es mezclada y agitada durante 10 minutos.Luego se toman 2 muestras en tubos de ensayo. Cada una de las muestras tendrá un
volumen de mezcla de 2,3·10-5 m3. En la fotografía 4.4.1A se puede apreciar al proceso de
mezclado y agitación:
Fotografía 4.4.1A: Proceso de mezclado y agitación.
2 - Mezclador-Agitador magnético: para la preparación de la suspensión se procede a masar
el material particulado en una balanza electrónica, que para nuestro caso es 4 gr. de óxido
de zinc (ZnO) la que se vierte en el vaso precipitado que posee 500 ml. de agua destilada,
formando con ello la suspensión con el valor de concentración volumétrica de micro
partículas que se desea ensayar. La suspensión es mezclada y agitada durante 10 minutos.
Luego se toman dos muestras en tubos de ensayo. Cada una de las muestras tendrá un
volumen de mezcla de 2,3·10-5 m3. En la fotografía 4.4.1B se puede apreciar al proceso de
mezclado y agitación:
Fotografía 4.4.1B: Proceso de mezclado y agitación.
8/15/2019 mezclador agitador de alta velocidad
80/143
73
La agitación magnética se realiza haciendo girar una barra imantada circularmente en el
fondo del vaso precipitado con la mezcla agua y oxido de zinc (Anexo 5).
Es importante señalar que tanto el ensayo de agitación de la suspensión con el Mezclador-Agitador mecánico como el ensayo de agitación de la suspensión con el Mezclador-Agitador
magnético, son realizados simultáneamente. Este procedimiento se repite 5 veces,
registrando un total de 5 ensayos.
3 - Adquisición de datos: transcurrido el tiempo de agitación, se toman dos muestras de cada
uno de los ensayos, las cuales son sujetadas por un sopote como muestra la figura 4.4.1:
Mezclador-Agitador Mecánico
Mezclador-Agitador Magnético
Figura 4.4.1: Muestra de los ensayos.
A continuación se procede a fotografiar las muestras durante 28 minutos. Se toma una
fotografía inicial al momento de colocar en el soporte las muestras obtenidas y las otras son
tomadas cada dos minutos a partir de la primera fotografía registrada. Al final del proceso se
obtendrán 15