Cuando se diseñan sistemas transportadores, lo más grande no siempre es lo mejor. El consumo de energía es también un factor clave. Por Sergio Zamorano

Los transportadores terrestres se usan ampliamente para transportar grandes cantidades de materiales sueltos. Optimizar su consumo de energía tiene ventajas medioambientales y de costos. En la mayoría de los casos, los transportadores representan un impacto medioambiental menor que los camiones, que son la alternativa más común.

Dentro de sus ventajas medioambientales, una menor huella de carbón es uno de los aspectos más relevantes. Las emisiones de carbono variarán de acuerdo al método usado para generar energía para el transportador, y por supuesto, serán más bajas si el consumo de energía es optimizado en la etapa de diseño.

Este artículo abordará los principales aspectos que definen al consumo de energía de transportadores terrestres y formas de minimizarlo.

Capacidad y Tamaño

Definir la capacidad requerida para el transportador está lejos de ser una tarea trivial. La mayoría de los transportadores terrestres transfieren material desde un equipo primario de procesamiento (tal como un chancador primario) con una planta de proceso, o una planta de proceso con instalaciones de carguío tal como un puerto o un sistema de selección de carga o viceversa. Las estaciones de chancado/clasi-

ficación primario normalmente tienen una alimentación tipo de lote desde los camiones. La planta de proceso normalmente funciona en forma continua. La capacidad “máxima” o instantánea puede ser un 50% mayor que la capacidad promedio.

El uso de un sistema de almacenamiento, apilado o tolvas permite el carguío del transportador de manera continua. Por lo tanto, el transportador puede estar diseñado para una capacidad inferior, más cercana a su promedio que a la capacidad máxima. La evaluación debiera incluir no sólo los ahorros potenciales en costo de capital, sino que también los ahorros en energía consumida. Un sistema de gran tamaño posee partes móviles más grandes y los motores eléctricos son menos eficientes al trabajar a capacidades inferiores a su potencia de régimen. Una simulación dinámica de la operación a menudo es bastante útil cuando se trata de encontrar el diseño óptimo para la aplicación específica.

Una situación similar la producen los recuperadores con rueda de cangilones (tipo rotopala), que generan una velocidad de manipulación no-continua. Es importante recordar que la capacidad máxima producida por la rotopala normalmente dura segundos, o a lo más unos pocos minutos, así que es improbable que la longitud total de una larga correa terrestre pueda ser cargada a tal velocidad. Diseñar los transportadores descendentes para la capacidad máxima tiene sentido para aplicaciones pequeñas, pero para sistemas largos y de gran capacidad, el costos de diseñar a capacidad máxima puede ser alto. A fin de cuentas, el sistema debe ser capaz de adaptarse a cargas transientes máximas sin derrame, y entonces la energía requerida se puede calcular usando una distribución de carga realista en el transportador.

La mayoría de los métodos de diseño, tales como CEMA, DIN ó ISO dictan un carguío volumétrico máximo para operación normal. Este carguío incluye la distancia mínima al borde que debiera permitirse al diseñar el transportador. En la práctica real, la mayoría de los transportadores terrestres están diseñados para una utilización volumétrica inferior, normalmente entre 75% y 85% para adaptarse a trozos grandes o aumentos instantáneos de carga. En los transportadores cortos, tales como aplicaciones dentro de la planta, se acostumbra diseñar los transportadores de acuerdo a un 100% de carguío volumétrico, ocupándose de los aumentos volumétricos durante las detenciones, durante las demandas de energía para vaciar tolvas cargadas, variaciones de proceso, etc. Una vez más, lo que tiene sentido en transportadores cortos puede tener grandes implicancias en cuanto a costos en un transportador terrestre grande—agregar unos pocos kilowatts de potencia instalada a un transportador dentro de la planta es bastante diferente a agregar varios megavatios a un sistema de gran envergadura. Además, los peaks de carga de corto plazo y las fuerzas adicionales creadas por una tolva a pleno carguío son irrelevantes en un sistema grande. Al mismo tiempo, los equipos con flujo ascendente como los chancadores primarios normalmente no son capaces de sustentar una producción total 20%-30% mayor que la capacidad máxima durante los varios minutos que se requieren para llenar el largo total de un transportador terrestre de gran longitud.

En resumen, un diseño preciso de acuerdo a los requerimientos y evitando simplificaciones comunes para los sistemas más pequeños puede ser el mejor método para reducir el consumo de energía en un transportador terrestre. Se debe tener en mente que un sistema sobre-diseñado tiene mayores pérdidas de energía “fijas” y, en general, una menor eficiencia, así que el costo de energía por tonelada transportada es mayor.

Además, el tamaño de un transportador también tiene un efecto en su huella de carbono, debido al carbono generado para preparar las obras civiles, el acero y los componentes mecánicos. La producción de una tonelada de acero genera alrededor de 3,2 toneladas de emisiones de carbono, mientras que un kilowatt-hora de energía generada con diesel produce alrededor de 1 kg de emisiones equivalentes de carbono. Un transportador terrestre mediano, con 1.000 toneladas de acero estructural y 1.000 kW de consumo de energía, generaría 3.200 toneladas de carbono inicialmente debido sólo al acero estructural, y aproximadamente 6.000 toneladas de emisiones de carbono al año si la energía se genera por diesel. Así, la reducción del tamaño del sistema en la etapa de diseño tiene la ventaja añadida de bajar sustancialmente las emisiones de carbono.

Polines

La selección del polín determinará en forma directa la resistencia a la rodadura del polín de la resistencia al movimiento del transportador. La resistencia a la indentación de la correa será determinada por una combinación de diámetro del polín, cargas verticales, y propiedades del caucho de la cubierta de retorno de la correa. La resistencia a la rodadura del polín es un factor importante en correas largas con producciones totales relativamente pequeñas, mientras que la resistencia a la indentación será el factor impulsor en los transportadores de gran capacidad.

Selección del Rodamiento

Tradicionalmente, los fabricantes norteamericanos de polines han usado rodamientos tipo rodillo, mientras que los fabricantes de Europa, Sudáfrica y Australia han preferido los rodamientos esféricos. Sin importar los argumentos acerca de capacidad de carga, resistencia a la contaminación, etc., ha quedado bastante claro que los rodamientos esféricos presentan una menor resistencia a la rodadura así que normalmente se usan en aplicaciones a nivel del suelo.

La siguiente tabla muestra una comparación entre rodamientos de rodillo y esféricos para un transportador terrestre de carbón de 5-km, con capacidad para 1.000-t/h. Los datos de la Tabla 1 corresponden a un promedio de datos a partir de una cantidad de diferentes fabricantes de rodamientos esféricos; los datos del rodamiento de rodillo son de un fabricante.

Aparece una diferencia del 5% en energía absorbida, a partir de los datos publicados por el fabricante. Sin embargo, existe una diferencia cuatro veces mayor en la energía inicial de fricción de arranque vacía. Mientras los rodamientos esféricos presentan una resistencia inicial aproximadamente un 25% mayor que cuando están corriendo, los rodamientos de rodillo presentan una resistencia inicial casi cinco veces mayor que la fuerza en operación, tal como se muestra en la Figura 2.

Esta mayor fuerza inicial de fricción de arranque puede estar asociada a los espacios libres más estrechos encontrados en los rodamientos de rodillo ya que la grasa necesita perder viscosidad antes de poder fluir libremente dentro del rodamiento.

El ejemplo de la tabla anterior corresponde a un transportador real, puesto en servicio hace 20 años, que fue equipado con rodamientos de rodillo. Los accionamientos de 900-kW (6 x 150 kW) no fueron capaces de poner el transportador vacío en movimiento hasta que se pasó por alto la protección de sobrecarga. Sin embargo, luego de unas pocas horas de operación, la energía absorbida descendió a valores “normales” y se completó la puesta en servicio.

Otro factor para tomar en cuenta es que la resistencia del rodamiento está en función de su tamaño. Tener rodamientos excesivamente grandes muy probablemente reducirá las probabilidades de falla en el rodamiento, pero resultará en un mayor consumo de energía.

Disposición del Sello

Existen muchas configuraciones de sellado ofrecidas por diferentes fabricantes. Sellos de contacto y sellos tipo laberinto apretados originarían mayores resistencias a la rodadura, especialmente en aplicaciones a baja temperatura. La práctica común es usar sellos de laberinto libres de grasa o con gran espacio libre.

Calidad de Fabricación

Aunque es difícil de evaluar mediante métodos teóricos, la calidad de fabricación de los polines, tal como la alineación de los rodamientos o las tolerancias de la estructura de apoyo, tiene un efecto significativo en la resistencia a la rodadura final de un transportador. Existen varias entidades que pueden realizar un testeo de los polines en forma independiente, como por ejemplo la Universidad de Hannover en Alemania.

La Tabla 2 muestra un resumen de esta prueba. Obsérvese la amplia variación de los valores de resistencia para polines con capacidad y tamaño similar. Al fin y al cabo, la mejor prueba se hace en terreno. La trayectoria de un fabricante es la mejor forma de predecir el comportamiento de su producto en una situación real.

Diámetro/Espaciamiento del Polín

La resistencia a la indentación de la correa está en función inversa al diámetro del polín. A mayor diámetro del polín, menores son las fuerzas de indentación. A mayor capacidad del transportador, más relevante es la fuerza de indentación para la demanda total de energía. Polines con poca separación originarán menores fuerzas de indentación, pero mayores resistencias de los polines (más polines).

El espaciamiento óptimo variará de acuerdo a cada aplicación.

Correaje

La selección de las correas es probablemente el factor más importante en la demanda de energía de un transportador terrestre. El correaje es también el componente más costoso. El consumo de energía está en función de la masa de la correa y de las propiedades de la cubierta. La masa de la correa está en función de la capacidad de tensión de la correa y del grosor de la cubierta. La mayoría de los transportadores terrestres usan correas con cordón de acero.

Capacidad de tensión

Hasta hace unos pocos años, la capacidad de tensión de la correa era expresada como una fracción de la resistencia final de la correa según lo determinado por una prueba de tensión estática. Normalmente, las correas de tela fueron seleccionadas con un factor de seguridad de 10 por sobre la máxima tensión de trabajo calculada, y las correas con cordón de acero con un factor de seguridad de 6,7. Sin embargo, las correas normalmente fallan en los empalmes durante la operación, y la resistencia estática de un empalme con cordón de acero es mucho mayor que la resistencia de la correa. En los últimos 25 años, los avances en el entendimiento del comportamiento del caucho y una exhaustiva investigación y testeo han arrojado mayores luces sobre el mecanismo de falla del correaje del transportador. Pues bien, resulta que los empalmes de la correa fallan debido a la fatiga del caucho que une los cordones de acero—así que el factor importante cuando se selecciona una correa es la resistencia dinámica, o resistencia a la fatiga, del empalme.

La más reciente versión de DIN contiene un método de selección basado en las condiciones de operación, tales como la tensión del borde y las fuerzas transientes, como también los factores ambientales. El factor de seguridad estática equivalente es menor para transportadores terrestres planos donde las fuerzas transientes pueden ser controladas y limitadas4, también cuando se usan sistemas de partida que permiten tiempos de partida prolongados y bajas fuerzas de aceleración tales como los accionamientos VFD, controladores WRM, o acoplamientos con fluido de llenado controlado. En aplicaciones exigentes, tales como transportadores con alta inclinación o regenerativos, la presencia de grandes fuerzas transientes es difícil de controlar y deriva en factores de seguridad estática similares o más altos que el tradicional 6,7.

Transportadores con alta tensión requieren correas pesadas con una gran cantidad de cables de acero de diámetro grande. Además, la realización del empalme se vuelve más compleja mientras mayor sea la capacidad de tensión. De esta manera, la eficiencia del empalme disminuye mientras sube la capacidad de la correa. Dependiendo del diseño del empalme, una correa con una capacidad estática menor podría tener mayor resistencia dinámica de empalme, resultando en una aplicación más segura.

El uso de una correa más pesada con mayor resistencia estática no solamente es más caro sino también origina mayores consumos de energía. Una vez más, lo más grande no siempre es lo mejor.

Cubiertas Superiores

El propósito de la cubierta superior del circuito de correas es conducir el material y proteger la carcasa de daños. La cubierta se daña por el escopleado o el desgaste cada vez que la correa pasa por el área de carguío. Como resultado, las correas cortas tienen una vida útil más breve y están más expuestas al escopleado por parte de grandes trozos afilados de material. En un transportador terrestre, los prolongados tiempos de ciclo involucrados tienen como resultado bajos índices de desgaste. Sin embargo hay experiencias negativas en que las cubiertas sobre transportadores largos han tenido una vida útil muy corta—siempre como resultado de un mal diseño del chute de alimentación. Hoy en día, la disponibilidad de modelación DEM permite el diseño chutes de transferencia que resultan en un mínimo impacto y desgaste en el transportador.

Por ejemplo, un transportador terrestre de 6-km, con capacidad para 2.200 t/h fue puesto en servicio en Sudáfrica en 1990. Varios años después, en 1996, se midió el grosor de la cubierta. No se pudo medir desgaste real en la correa. Durante la etapa de diseño, se puso especial cuidado con el chute de alimentación y se implementó un transportador acelerador y alimentación en línea. Está claro que los esfuerzos de diseño tuvieron éxito en minimizar el desgaste de la correa.

Gruesas cubiertas superiores aumentan el peso de la correa. Si los chutes de alimentación son diseñados cuidadosamente y usando un grosor mínimo para la cubierta, el resultado será un menor costo de capital y consumo de energía.

Cubiertas de Retorno

La función de la cubierta de retorno es proteger a la carcasa y distribuir la presión de los cordones sobre las poleas y polines. La resistencia a la indentación está en función del grosor de la cubierta. Mientras más gruesa es la cubierta, mayor es la resistencia a la indentación y mayor consumo de energía.

El desgaste de la cubierta inferior normalmente se asocia a resbalamiento en las poleas motrices, un problema que se puede evitar con el diseño apropiado. Algunos consultores alegan que el uso de inclinación y culebreo de polines en curvas horizontales causa un desgaste prematuro en las cubiertas de retorno. Esta creencia obedece a un malentendido del comportamiento de la correa cuando va sobre un polín que no está completamente perpendicular a la correa.

En inclinaciones pequeñas, la correa no se resbala hacia los costados, pero la cubierta de retorno se deforma (fluencia lenta) para compensar las desviaciones. El ejemplo mostrado en la Figura 2 tiene culebreo e inclinación en la larga curva de 45°. Sin embargo, las mediciones al grosor de la cubierta no mostraron desgaste significativo en las cubiertas de retorno después de seis años de operación.

El uso de componentes de caucho especiales puede reducir significativamente la resistencia a la indentación. Estos componentes son producidos por varios fabricantes de renombre. El costo adicional de las cubiertas especiales es compensado por la reducción de la capacidad de la correa y ahorros en el consumo de energía.

Tal como se explicó anteriormente, la relevancia de la fuerza de indentación aumenta con la capacidad del sistema. El gráfico más abajo muestra la resistencia a la rodadura de indentación de acuerdo a una prueba hecha por un destacado fabricante para diferentes temperaturas y componentes. Las placas de cubierta E y F identifican a componentes de baja resistencia a la rodadura.

Sergio Zamorano (sergio.zamorano@flsmidth.com) es director técnico–tecnologías de transportación de FLSmidth RAHCO Inc., Spokane, Washington, EEUU.

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