Diseño y desarrollo de una instalación experimental mediante el uso de herramientas de impresión 3D para el estudio y simulación de flujos granulares

Abstract

El presento proyecto surge de la motivación para realizar una práctica teórico experimental, llevada a cabo por alumnos de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Madrid (ETSIIM), en la que se estudie el comportamiento de sólidos granulares en una instalación experimental de almacenamiento y descarga elaborada mediante herramientas de impresión 3D.
A este tipo de sólidos se les denomina granulares porque están compuestos por numerosas partículas, cuyas propiedades unitarias determinan las características globales del mismo y condicionan la metodología de las operaciones llevadas a cabo en el sector industrial, como por ejemplo su transporte y almacenamiento.
La importancia que tienen en labores de la actualidad hace necesario que sean evaluados y caracterizados de forma específica, con la finalidad de profundizar en el conocimiento de su naturaleza mediante la tecnología de partículas.
Es por ello que la siguiente actividad pretende mostrar experimentalmente la temática correspondiente al diseño de equipos industriales que tratan con sólidos granulares. A su vez, está diseñada para la asignatura Operaciones con Sólidos, que es obligatoria del Máster Universitario en Ingeniería Química de la Universidad Politécnica de Madrid.
Por tanto, se trata de realizar un práctica dinámica cuya ejecución resulte ser atractiva para el alumno con la intención de que su aprendizaje se vea reforzado mediante una mayor implicación por su parte, evitando ser un mero espectador de la experimentación. Además, se consigue dar rienda suelta a su creatividad e ingenio, puesto que es el propio alumno quien se encarga de diseñar y fabricar la instalación a su gusto, ofreciendo el económico recurso de la impresión 3D como alternativa. Estos objetivos son conseguidos gracias a sus sencillas fases:
- Fase I: Introducción y diseño de la actividad. Los alumnos son formados para realizar el ejercicio.
- Fase II: Caracterización y selección de materiales. Se pone en práctica aspectos teóricos tratados en la asignatura, eligiendo de forma adecuada el sólido granular.
- Fase III: Diseño, fabricación y montaje de la instalación. Se verifica que el equipo de descarga sea elaborado de forma precisa, primando su sencillez y rendimiento.
- Fase IV: Simulación experimental. Se chequean los caudales de la descarga en las simulaciones, comparándolos con los obtenidos experimentalmente.
Las simulaciones con este tipo sólidos mejoran el conocimiento de su flujo y comportamiento en equipos de descarga, conocidos como tolvas. El uso de simuladores a nivel industrial tiene una notable importancia en la búsqueda e investigación de datos experimentales puesto que ofrecen una alternativa económica y unos resultados eficaces.
Dichas simulaciones están basadas en el Método de Elementos Discretos (DEM) que, al igual que el software destinado a realizar los cálculos, ha dado un paso más hacia el desarrollo de estos estudios que permiten resolver problemas en numerosas prácticas con sólidos granulares, cuyos análisis se encuentran en continuo progreso.
En este caso concreto se ha utilizado LIGGGHTS como simulador de cálculo, puesto que es un software de fácil adquisición que fomenta el aprendizaje tanto en la programación de ejecuciones DEM como en la interpretación instantánea y sencilla de sus resultados.
A pesar de sus limitaciones, posee multitud de herramientas que lo hacen ser muy adecuado en la simulación de sistemas complejos y otorgan una notable precisión en el análisis del comportamiento de sólidos granulares durante las operaciones de descarga, de modo que contribuye satisfactoriamente al aspecto docente del ejercicio.
El objetivo perseguido en estas simulaciones era obtener el caudal de la descarga de arena retenida en una tolva, así como el tipo de flujo durante este, en función del tamaño de partícula, el diámetro del orificio de descarga y la pendiente de la pared cónica.
Para ello, en primer lugar fue necesario tamizar en el laboratorio de Tecnología Química la muestra de arena conseguida, de tal forma que se pudieran clasificar las distintas fracciones retenidas en los tamices en función de sus tamaños de partícula.
Una vez realizada esta operación de separación, se escogieron los tamaños de interés atendiendo a su cantidad obtenida, de modo que se descartaron aquellos cuya proporción no era significativa para las dimensiones de la tolva a experimentar.
En principio se consideró analizar cinco fracciones distintas, pero debido al tiempo que supondría las simulaciones de todas y cada una de ellas, se limitó el estudio a las partículas de mayor y menor tamaño (0,568 mm y 0,138 mm, respectivamente).
A continuación, tras identificar las propiedades de los sólidos granulares a evaluar, es decir, las dos fracciones de arena separadas, se continuó con el diseño de las tolvas y del resto de equipo auxiliar para la descarga. En este punto del proyecto, fue necesario hacer una reconsideración del ejercicio ante la dificultad de realizar la metodología tradicional empleada en el diseño de tolvas.
Para realizar un diseño eficaz de los equipos de descarga es necesario conocer perfectamente las propiedades intrínsecas del sólido y del material de la pared, tanto por separado como de forma conjunta. El conocimiento de estas se consigue mediante la celda de ensayo de Jenike, que es una herramienta que permite obtener las tensiones normales y tangenciales que el sólido es capaz de soportar cuando está alojado en un recipiente del mismo material de la pared de la tolva.
Gracias a estas parejas de tensiones, es posible calcular el valor del ángulo de fricción interna del sólido (δ) y el ángulo de fricción de la pared (ϕw) que son los principales parámetros de los que se derivan el resto de las propiedades de diseño: factor de flujo (ff), tensión límite de flujo (σy), función de flujo del sólido (PFF), pendiente de la tolva (θ) y tamaño del orificio de descarga (B). Estas dos últimas son los valores buscado a la hora de configurar las dimensiones de la tolva.
Sin embargo, ante la imposibilidad de realizar los ensayos de tensiones mediante la celda de Jenike, se llevó a cabo una estimación de los valores de dichos ángulos:
- Para el ángulo de fricción interna se optó por la búsqueda bibliográfica de valores obtenidos gracias a las experimentaciones llevadas a cabo en tareas de investigación.
- Para el ángulo de fricción de la pared, dicha búsqueda no se vio plasmada ante la dificultad de encontrar resultados experimentales entre la arena y el PLA con el que se imprimieron las piezas finales. Esto es obvio, porque no tiene aplicación industrial la construcción de tolvas de plástico, sino de acero.
No obstante, el ejercicio de la medida del ángulo de deslizamiento (φ), a partir del cual la fracción de arena comienza a fluir sobre un panel de PLA, permitió dar una idea aproximada del ángulo de fricción.
Asimismo, la consecución de estos ángulos permitió identificar los coeficientes de fricción partícula-partícula y partícula-pared necesarios para la declaración de los experimentos en las simulaciones con LIGGGHTS.
Tras haber finalizado con las estimaciones pertinentes en el diseño, se realizaron las geometrías de las tolvas y del resto de la instalación experimental mediante OpenSCAD, tras la definición de multitud de bocetos hasta dar con el más práctico, sencillo y que menos material requería.
Todos estos diseño gráficos fueron creados fácilmente a través de impresiones 3D realizados por la máquina Witbox presente en el Departamento de Ingeniería Química Industrial y del Medio Ambiente.
Este tipo de fabricación de piezas supone un recurso muy económico que está creciendo notablemente en la práctica actual gracias a su sencillez y funcionalidad. Además, el bajo coste destinado a su tarea facilitó que la metodología iterativa de prueba y error no fuera ningún inconveniente a la hora de declinar bocetos defectuosos y volver a repetirlos adecuadamente.
Si bien es cierto, esta técnica presenta una serie de limitaciones en cuanto a las dimensiones de la máquina y el tiempo dedicado a la impresión que, sin embargo, son fáciles de resolver mediante la modificación de diseños seccionados en piezas más sencillas, o una configuración de laminado más básica que suponga la creación de piezas de menor calidad y, por tanto, en menos tiempo.
Al término de la fase de diseño y fabricación, se realizaron los montajes pertinentes del equipo hasta dar con la configuración final. En ella se puede apreciar la sencillez de todas y cada una de sus piezas, que permiten el acoplamiento de cualquier tolva cilíndrica cuyo diámetro no exceda las dimensiones del soporte estabilizador y el tamaño de su orificio no supere la cavidad de la llave de paso de la descarga.
Además, se destaca la presencia de la balanza analítica, ya que resultó ser un factor determinante en el diseño de la instalación, el cual debía incorporar su acoplamiento para registrar la masa de arena caída.
El valor del caudal másico durante la descarga se consiguió mediante el tiempo medido en el momento en que la tolva quedaba completamente vacía y la masa registrada en la balanza.
Finalmente, cuando estos ensayos experimentales fueron registrados, el proyecto concluyó con la ejecución de las correspondientes simulaciones. El objetivo inicial de las mismas era conseguir los valores de fricción que dieran una réplica exacta tanto del caudal como del flujo de la descarga para cada una de las tolvas enumeradas.
Para ello, se partió de la aproximación de parámetros de interacción entre la arena y el PLA como el módulo de Young, el coeficiente de Poisson y el coeficiente de restitución, y de los coeficientes de fricción conseguidos tras la obtención estimada de los ángulos de fricción.
La declaración de estas variables, junto con la forma, densidad y distribución de las partículas de arena, se realizó en un documento de texto a través del cual LIGGGHTS ejecutaba los comandos definidos hasta concluir con la simulación. Asimismo, se necesita declarar el dominio de la simulación, la geometría del archivo gráfico y los modelos físicos de interacción para realizar los cálculos correspondientes.
En los ensayos realizados se obtuvo un comportamiento similar en el caudal y flujo de la descarga cuando se emplearon los modelos Hertz y Hooke, en igualdad de condiciones. Pero cuando la evaluación enfrentaba modelos con y sin resistencia al giro de las partículas los resultados obtenidos fueron muy distintos. Como era de esperar, la implementación de un modelo físico que considere dicha resistencia supone una reducción en el caudal de descarga debido a que el sólido tiene mayores dificultades para fluir, y por tanto necesita más tiempo en desalojar completamente la tolva.
Gracias al uso de este tipo de simuladores es posible obtener archivos variados que permitan visualizar todos los detalles durante el movimiento de las partículas sólidas, tales como la posición de las mismas, las velocidades instantáneas tanto angulares como lineales y las fuerzas de interacción, entre otros.
De forma general la actividad desarrollada en la presente práctica consigue su objetivo satisfactoriamente ya que, lejos de profundizar en la idoneidad del modelo físico implantado en las simulaciones, la idea era tener una visión representativa de la problemática que entrañan las tareas de diseño industrial, así como la incertidumbre existente en el conocimiento de sus parámetros, y su resolución mediante el empleo de simuladores informáticos.
Además, gracias a una metodología innovadora que permite la libertad en la toma de decisiones por parte del alumno, se garantiza que los conceptos tratados queden profundamente adquiridos con una práctica atractiva, bien definida y con unos recursos bastante asequibles.