Simulación numérica del campo de flujo en canal de deshidratación por extrusión espiral de diente partido de una sola cabeza

Convertir el estiércol en un recurso manejable

En las grandes explotaciones, montones de estiércol húmedo suponen un reto diario: huelen mal, son difíciles de transportar y pueden contaminar el agua si se gestionan mal. Una solución prometedora son las máquinas basadas en tornillos que exprimen el agua, dejando un sólido más seco y fácil de manejar. Este estudio utiliza simulaciones informáticas avanzadas para mirar en detalle el interior de una de estas máquinas y responder a una pregunta práctica con grandes consecuencias para la explotación: ¿qué forma del tornillo y qué separación entre sus “dientes” ofrece el mejor y más estable rendimiento de deshidratación?

Cómo un tornillo exprimidor limpia la suspensión

El dispositivo estudiado es un separador por extrusión con tornillo. Se alimenta estiércol líquido por un extremo de una cámara cilíndrica que contiene un tornillo metálico giratorio. A medida que el tornillo gira, sus palas empujan la mezcla hacia adelante, presionándola contra una pantalla perforada. El agua se filtra a través de la pantalla y se recoge, mientras los sólidos espesados se empujan hacia una salida. Ajustando detalles de diseño como cuánto se comprime el material, la velocidad de avance y la frecuencia con la que las palas se interrumpen por huecos, los ingenieros pueden afinar cuán secos salen los sólidos y qué tan fluida es la operación de la máquina.

Por qué importan los dientes partidos y los ejes cónicos

En lugar de usar una espiral continua simple, los investigadores se centran en un diseño de “diente partido”, donde cortos tramos del tornillo están separados por pequeños huecos. Estas interrupciones cambian cómo se aglomeran, desaceleran y aceleran las partículas del estiércol, lo que a su vez afecta cómo se expulsa el agua. Comparan dos formas principales de eje: un cilindro recto y un cono que se estrecha suavemente, ambos equipados con el mismo patrón de palas interrumpidas. Para cada uno prueban varias distancias de hueco entre secciones del tornillo. Al seguir el movimiento de las partículas, cómo se empaquetan y cómo se genera la presión a lo largo del canal, revelan cómo decisiones geométricas sutiles se traducen en la eficiencia real de separación.

Mirar dentro con experimentos virtuales

Es casi imposible mirar el interior de una prensa de estiércol en funcionamiento, por lo que el equipo recurre a la simulación numérica. Tratan el estiércol como una mezcla de agua y pequeñas partículas sólidas y usan un modelo Euleriano de flujo multifásico, una herramienta estándar en dinámica de fluidos computacional. Con un modelo 3D detallado de la máquina, simulan el flujo de estiércol a través de diferentes diseños de tornillo y monitorizan cómo cambian localmente el contenido sólido, la velocidad de las partículas y la presión a lo largo de líneas y secciones transversales seleccionadas. Para comprobar que el modelo virtual es realista, comparan sus predicciones con mediciones de una prensa de tornillo real. La sequedad simulada en la salida difiere en menos del 10% respecto a los experimentos, lo cual se considera un buen acuerdo para una mezcla tan compleja.

Encontrar el punto óptimo en el diseño

Las simulaciones muestran que la forma del eje y la separación entre dientes controlan conjuntamente cuán uniforme es el movimiento del material y cuán seco queda. En ejes cilíndricos rectos, la concentración de sólidos en la zona de compresión aumenta de forma intermitente, en ondas, con acumulaciones notables y riesgo de taponamiento cerca de la pantalla. Un hueco de 40 milímetros entre secciones interrumpidas ofrece el mejor equilibrio: los sólidos en la salida alcanzan aproximadamente el 48% en volumen y el flujo es más estable que con huecos más cortos o más largos. Cuando el eje es cónico, estrechándose gradualmente hacia la salida, la situación mejora. El contenido sólido aumenta de manera más suave, la presión se mantiene más alta y estable, y las partículas tienden menos a amontonarse. Aquí, un hueco de 40 milímetros vuelve a destacar, proporcionando alrededor del 55% de sólidos en la salida y una descarga relativamente uniforme, mientras que huecos demasiado pequeños no dan al material suficiente tiempo bajo presión para deshidratarse completamente.

Conclusiones prácticas para granjas más limpias

Para agricultores y fabricantes de equipos, el mensaje es claro y práctico: usar un tornillo ligeramente cónico con palas interrumpidas y una separación de interrupción de unos 40 milímetros puede aumentar significativamente la sequedad y la estabilidad de la separación de estiércol en comparación con un eje recto. Los sólidos más secos son más fáciles de almacenar, transportar y usar como fertilizante, mientras que un flujo interno más uniforme reduce atascos y desgaste. Al mostrar cómo pequeños cambios geométricos alteran el flujo oculto dentro de la máquina, este estudio ofrece una hoja de ruta para diseñar separadores más eficientes y fiables que ayudan a convertir un problema sucio de residuos en un recurso manejable.

Cita: Na, R., Wang, N., Ma, S. et al. Numerical simulation of flow field in single-head broken-tooth spiral extrusion dewatering channel. Sci Rep 16, 5011 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36029-9

Palabras clave: deshidratación de estiércol, prensa separadora de tornillo, simulación de flujo multifásico, tornillo cilíndrico vs cónico, gestión de residuos agrícolas