capÍtulo iv - virtual.urbe.eduvirtual.urbe.edu/tesispub/0107504/cap04.pdfsecado antes de pasar por...
TRANSCRIPT
CAPÍTULO IV ANALISIS DE RESULTADOS
61
ANALISIS DE LOS RESULTADOS
En este capítulo se realiza la presentación y el análisis de los resultados
obtenidos en el desarrollo de los objetivos planteados al inicio de la
investigación. En este se muestra la descripción del proceso de embotellado
del jugo de papelón, detallando como esta estructurado el sistema de
llenado, el sistema transporte y finalmente el proceso de tapado de la botella.
Posteriormente se describe el diseño de la microplanta donde se presentan
todos los elementos utilizados para automatizar el proceso y donde se valida
el diseño antes mencionado.
Fase I: Descripción del proceso que lleva a cabo una microplanta embotelladora para jugo de papelón.
En esta primera fase de la investigación se describe en detalle como es
llevado a cabo el proceso de producción del jugo de papelón, es primordial
conocer los elementos inherentes a cada etapa así como también tener en
cuenta todos los factores que puedan intervenir o afectar en la producción
del jugo. La descripción de cómo se produce el jugo de papelón se muestra
mediante un diagrama de proceso (ver figura 4), el cual resume todas las
actividades llevadas a cabo así como también todos los elementos que
intervienen al momento de la elaboración del mismo.
Alguna de estas actividades comprende la filtración, esterilización,
dosificación, mezclado, llenado y tapado de la botella. Cuando la producción
62
es netamente artesanal conlleva en general a un mayor tiempo de
producción así como a la prolongada manipulación lo cual perjudica las
cualidades del producto tanto en el aspecto sanitario como en su calidad.
Figura 5. Proceso de producción del jugo de papelón
Fuente: Elaboración Propia (2017)
63
El jugo de papelón esta compuesto por una mezcla de agua potable,
limón y panela en proporciones previamente establecidas. La panela es un
alimento cuyo único ingrediente es el jugo de la caña de azúcar el cual es
secado antes de pasar por el proceso de purificación que lo convierte en
azúcar morena o moscabada. Para producir la panela el jugo de caña de
azúcar es cocido a altas temperaturas hasta formar una melaza bastante
densa, luego se pasa a unos moldes en formas rectangulares donde se deja
secar hasta que se solidifique o cuaje.
Figura 6. Panela producto de la caña de azúcar.
Fuente: Elaboración Propia (2017).
El proceso comienza en una primera etapa donde es recibida la materia
prima para la elaboración del producto, la misma esta comprendida por
bloques preformados de panela y frutos de limón en proporciones
equivalentes al volumen de producción que se estime tener. Luego de haber
sido recibidos se procede a lavar cuidadosamente el material en bruto
quitando cualquier tipo de partícula extraña que pueda contener y que
puedan contaminar el jugo.
Habiendo culminado la fase de lavado el fruto de limón es procesado de
forma manual para extraer su jugo, estos son cortados uno por uno con un
64
cuchillo y luego son exprimidos por una herramienta especializada cuyo
funcionamiento esta basado en la presión ejercida por las manos del
operador humano. Para evitar que la semilla del fruto llegue al contenedor
donde se acumula el extracto de limón se utilizan mallas de plástico para
filtrarlo.
A fin de evitar impurezas en el producto el agua utilizada es purificada por
medio de un filtro a base de carbón activado, el fluido recorre el material
rocoso atravesando los innumerables poros del mismo y eliminando así
cualquier partícula existente con un tamaño mayor a 5 micras.
Adicionalmente, a fin de erradicar cualquier tipo de microorganismo
contaminante el agua es llevada a su punto de ebullición a una temperatura
de 100 grados centígrados durante un periodo considerable de tiempo. Esto
debido a que los filtros de carbón activado no son capaces de eliminar las
bacterias, virus, hongos, ni esporas de hongos del agua.
Se procede entonces a disolver la panela en el agua ya purificada,
buscando formar una mezcla homogénea de dichos componentes. Para
ayudar en el proceso de disolución de la panela y acelerar el proceso de
mezclado, el bloque de panela es triturado y pulverizado para facilitar su
solubilidad en el agua, de no ser así esta etapa tomaría una mayor cantidad
de tiempo reflejándose directamente en tiempos de producción. Ya disuelta,
la mezcla se revuelve continuamente tratando de disolver totalmente las
partículas mas grandes de la panela. Finalizada la mezcla se agrega el
extracto de jugo de limón de forma dosificada para darle así el sabor acido
característico de esta refrescante bebida, la cantidad vertida debe ser exacta
y en proporción a la cantidad de agua y panela utilizada.
Concretada la elaboración del jugo, se esterilizan los recipientes donde va
a ser vertida la mezcla, todo esto de acuerdo a lo expuesto en el articulo
65
N°66 del Reglamento General de Alimentos emitido por el Ministerio de
Sanidad y Asistencia Social de la Republica Bolivariana de Venezuela. El
mismo dicta que “El fabricante de alimentos tiene la responsabilidad de
asegurar la inocuidad y salubridad del producto elaborado a fin de lograr la
protección de la salud el consumidor. Para este propósito, debe disponer de
un sistema de calidad idóneo que identifique, evalúe y controle los peligros
potenciales asociados con las materias primas y otros insumos, el proceso y
el manejo post proceso del producto terminado”. Las botellas son limpiadas
por medio de vapor de agua a alta temperatura, a fin de calentar lo suficiente
el envase para eliminar todas las bacterias del mismo pero al mismo tiempo
evitando los daños que pudiese ocasionar al polietileno por exceso de
temperatura.
Posteriormente el producto es envasado vertiéndolo de forma manual por
medio de un embudo para facilitar la actividad, de igual forma le es colocada
una tapa roscada sellándola y protegiéndolo de cualquier agente externo. La
información sobre los datos nutricionales, lugar de elaboración y contacto del
fabricante son dispuestos en un papel especial el cual es adherido
cuidadosamente a la botella.
Durante todo el proceso de manufactura se encuentra siempre activo el
elemento de inspección visual y control de calidad que lleva a cabo el
operador humano, dicha actividad se realiza en intervalos regulares durante
las distintas fases de producción, abarcando estas inspecciones de pre-
lavado, post-lavado, elaboración de la mezcla, post-llenado e inspección final
del producto. Según la norma ISO 9001 preparada por el Comité Técnico
ISO/TC 176 de Gestión y Aseguramiento de la Calidad “La adopción de un
sistema de gestión de la calidad debería ser una decisión estratégica de la
organización. El diseño y la implementación del sistema de gestión de la
calidad de una organización están influenciados por las diferentes
66
necesidades, objetivos particulares, los productos suministrados, los
procesos empleados y el tamaño y estructura de la organización” dejando
claro la relevancia que tiene el control de calidad en la elaboración del
producto.
En definitiva, luego de haber estudiado el proceso de elaboración del jugo
de papelón artesanal se determina que es una tarea laboriosa y propensa a
generar errores debido al alto índice de intervención humana que tiene dicho
proceso, originando un acabado del producto irregular y de baja calidad.
Como resultado de esta situación, nace la idea de diseñar un sistema que
permita automatizar el proceso de embotellado del producto, de tal manera
que se eviten mayores errores por manipulación humana garantizando la
calidad del mismo y reduciendo los tiempos de producción.
FASE II: Requerimientos y parámetros para el diseño de una microplanta embotelladora para jugo de papelón.
Los requerimientos que caracterizan el sistema y los parámetros de
funcionamiento asociados son fundamentales para lograr la automatización
del proceso, los mismos fueron considerados de acuerdo a las propiedades
físicas del producto y a los objetivos operacionales que se desean obtener.
La microplanta embotelladora para jugo de papelón se caracteriza por
manejar un volumen de trabajo menor a su contraparte de nivel industrial
pero conservando al mismo tiempo todas las ventajas que esta posee como
lo es su alto nivel de autonomía, baja necesidad de personal que la opere y
poco margen de error debido al factor humano.
Las condiciones iniciales de este proceso se ven ligadas directamente a
las características físicas del fluido de trabajo que se va a manejar, el mismo
67
esta compuesto por una solución de 90% agua, 7% panela y 3% esencia
cítrica o limón. Basado en los hechos expuestos anteriormente, se puede
concluir que la solución de jugo de papelón presenta unas características
básicas de densidad y viscosidad muy similares a la del agua, por lo que su
comportamiento no diferirá mucho del mismo.
Tabla 2. Propiedades físico – químicas del agua.
Propiedades del Agua Apariencia Incoloro Densidad 1000 Kg/m3 Viscosidad Dinámica 0,001 Pa.s a 20°C Punto de Ebullición 373,15 K (100 °C) a 1 atm Punto de Fusión 273,15 K (0 °C) a 1 atm Formula Química H2O Composición Hidrogeno y Oxigeno Masa Molar 18,01528 u Estructura Cristalina Hexagonal
Fuente: Cengel (2008)
En la tabla numero 2, se pueden observar todas las propiedades que
describen el comportamiento del agua. El mismo tiene una apariencia física
inodora e incolora, presentando solo una tonalidad azul cuando se concentra
en grandes masas. La densidad promedio del agua en su fase liquida es de
1000 Kg/m3 y posee una viscosidad de 0,001 Pa.s a una temperatura de 20
grados centígrados. La misma esta catalogada como una sustancia de alta
fluencia cuyas propiedades se tomaran en consideración para la fase de
diseño de la microplanta embotelladora para jugo de papelón, teniendo
especial énfasis en la densidad y viscosidad del mismo ya que influyen
directamente en la velocidad de llenado y la bomba hidráulica que se debe
seleccionar para dicho trabajo.
68
Tabla 3. Propiedades físico – químicas de la Panela.
Propiedades de la Panela
Apariencia 5 colores resaltantes Amarillo Ocre,
Cobre, Ocre Tostado, Sienna, Amarillo Mineral
Humedad 2.33% Densidad Real 1.48 gr/cm3 Densidad Aparente 0.67 gr/cm3 Temperatura de Cocción 121.5 C
Contenido 100gr
Azucares 86.4 gr Agua 12.3 gr Grasas 0.1 gr
Proteínas 0.2 gr Hierro 12 mg
Magnesio 81 mg Calcio 79 mg
Fuente: Revista Ingeniería e Investigación (1999)
Así mismo en la tabla numero 3 se detalla la composición de la panela,
esta tiene una apariencia externa que varia entre tonalidades de colores
como amarillo ocre, cobre, ocre tostado, sienna y amarillo mineral. Esta
sustancia esta presente en estado sólido teniendo una densidad real de 1.48
gr/cm3 y 2.33% de humedad. Nutricionalmente esta compuesto por
azucares, grasas, proteínas, hierro, magnesio y calcio.
Tomando en cuenta que se busca automatizar un proceso que era
llevado a cabo de forma netamente artesanal, se toma como punto de partida
para el diseño de la microplanta la velocidad con que el operador ejecutaba
esta actividad. Se realizaron pruebas de envasado para establecer la
velocidad minima de producción la cual es definida como uno de los
requerimientos principales de la microplanta y así lograr un índice de
producción altamente rentable.
69
Tabla 4. Resultados de pruebas de embotellado manual
Pruebas de Embotellado Manual
Numero Tiempo (seg)
Flujo Volumétrico (ml/seg)
1 22,6 50 2 19,5 50 3 21,3 50 4 20,4 50 5 21,8 50 6 19,2 50
Tiempo Promedio 20,8 seg.
Fuente: Elaboración Propia (2018)
En la Tabla numero 4 se pueden observar los resultados obtenidos
mediante las pruebas de embotellado hechas de forma manual, en la misma
una persona llena con jugo una botella a la vez y le coloca la tapa
aplicándole el torque sin ningún instrumento para llevarlo a cabo. Durante la
misma se le tomo el tiempo de duración a cada proceso de embotellado
durante 6 veces con el mismo flujo volumétrico para todas las pruebas,
obteniendo como resultado un tiempo promedio de producción de 20,8
segundos para culminar un ciclo completo, aproximadamente 3 botellas por
cada 1 minuto. Dichas pruebas se realizaron con el fin de promediar el
desempeño del operador y omitir los errores asociados a la manipulación
humana.
Tabla 5. Propiedades de tapa de Polietileno 28mm
Tapa Plástica
DENOMINACION: TAPA 28 mm LINER LESS DESCRIPCION: Tapa plástica elaborada en polietileno, por proceso de compresión. APLICACIÓN: Técnicamente desarrollada para envase cuello 28 mm BPF o PCO 1816 fabricados en PET, Polietileno, Polipropileno. Máxima eficiencia en líquidos como agua, aceites, jugos y en general bebidas no carbonatadas.
70
ESPECIFICACIONES TECNICAS MATERIAL: TAPA CON LINER LESS EN POLETILENO NUMERO DE ESTRIAS 120
DIMENSION UNIDAD ESPECIFICACION TOLERANCIA ALTURA TOTAL (mm) mm 20 0,3 - 0,4 +/- DIAMETRO INTERNO ROSCA mm 25,8 0,15 +/- DIAMETRO INTERNO BANDA DE SEGURIDAD mm 26,1 0,3 +/- ALTURA DEL LINER mm 3,6 0,2 +/- CONCAVIDAD /CONVEXIDAD mm 0,4 A -0,8 BOTTON mm 1,4 0,1 PESO g 2,92 0,1 +/- PRUEBAS Y ENSAYOS A. TORQUE: Para un ajuste perfecto se debe aplicar un torque de 19 lb/pulg. Para obtener un torque de remoción entre 6 y 10 lb/pulg.
B. HERMETICIDAD: la tapa con un torque de 19 lb/pulg es sometida a prueba de presión (110psi a 150psi) en una duración de 1 min. No debe presentar fuga.
Fuente: Packing Alliance (2017)
En la tabla numero 5 se muestran todas las propiedades técnicas de la
tapa de polietileno utilizada para el sellado de la botella seleccionada. En la
misma se observan características básicas como la altura la cual posee un
valor de 20mm, el diámetro interno de 25,80mm y el peso de 2,92 gr. Según
pruebas y ensayos realizados por el fabricante se determino que el torque
máximo para evitar la deformación plástica de la tapa debía de ser de 19
lb/pulg, siendo esto un requerimiento básico para el diseño de la microplanta.
La capacidad de sellado establecida según las pruebas hidrostáticas
realizadas en base al torque máximo permisible se encuentran en el rango
de 110 psi a 150 psi.
71
Figura 7. Botella de Polietileno para 600ml.
Fuente: Elaboración Propia (2017)
En la figura numero 7 se muestra la descripción detallada de la botella
seleccionada para el proceso de envasado en la microplanta embotelladora
para jugo de papelón, la misma fue escogida debido a su alta
comercialización y por poseer la mejor relación costo-beneficio para el
usuario. Este recipiente esta fabricado en material de polietileno teniendo
una capacidad volumétrica de 600 ml, posee una altura de 23 cm con una
boquilla de 2,58 cm. de diámetro.
Tabla 6. Características de Red Eléctrica Urbana
Red Eléctrica Urbana Tipo de Corriente Alterna
Voltaje 110/120 V 220/240 V
Frecuencia 60 Hz Fases 3ϕ - Trifásico
Tipo de Enchufe Tipo B, NEMA 5, de 3 polos, 20 A
Fuente: CodeElectra (2008)
72
En la tabla numero 6 se muestran las características estándar de la red
eléctrica nacional, esto con el fin de analizar los requerimientos de energía
de cada uno de los distintos elementos que serán utilizados para llevar a
cabo el proceso de embotellado del producto. Siendo una maquina
proyectada para uso domestico el suministro de energía se limitara a los
valores de la red eléctrica local, la misma esta caracterizada por ser corriente
alterna del tipo trifásico con un voltaje de toma de 110 o 220 Volt y una
frecuencia de oscilación de 60 ciclos por segundo. El conector generalmente
usado en Venezuela es el modelo Tipo B - NEMA 5 de 3 polos e intensidad
máxima de 20 A.
FASE III: Establecer el diseño de la microplanta embotelladora para jugo de papelón.
La microplanta embotelladora para jugo de papelón se caracteriza por ser
pequeña y compacta en comparación a las líneas de envasado a nivel
industrial, el equipo que se diseñara abarcara la automatización de la sección
del proceso donde las botellas son llenadas con el jugo y selladas
herméticamente. A continuación se describe específicamente el esquema
propuesto de la microplanta embotelladora para jugo de papelón.
Figura 8. Esquema de funcionamiento propuesto para la Microplanta
Embotelladora. Fuente: Elaboración Propia (2017)
73
Basándose en el esquema de funcionamiento propuesto y conociendo los
requerimientos previamente establecidos se procede entonces a elaborar el
prototipo de la microplanta embotelladora así como todos los componentes
que la conforman, a continuación se describirá paso a paso como fue
estructurado este diseño. Durante los estudios realizados a este tipo de
maquinaria se distinguieron dos modelos principales utilizados en la
industria, estas son las embotelladoras con bandas transportadoras de tipo
lineal y las de tipo carrusel. Teniendo en cuenta que el dispositivo será
utilizado a nivel domestico y con el fin de lograr la mejor disposición posible a
fin de obtener un máximo de eficiencia en el uso del espacio se opto por
seleccionar la configuración de tipo carrusel, la misma esta compuesta por el
disco transportador, el sistema de rodillos de apoyo, el disco guía soporte
para las botellas y el eje de acople al elemento de potencia que lo hará girar
90 grados a través de las distintas estaciones de trabajo. En la figura numero
9 se puede observar el diseño antes mencionado.
Figura 9. Conjunto de disco transportador.
Fuente: Elaboración Propia (2017)
74
De acuerdo a los índices de producción que se quieren obtener para
asegurar la rentabilidad de la maquina en la cual se deben embotellar 2
unidades o mas cada 41,6 seg, se creo la configuración del disco
transportador con unas dimensiones de 30 cm de diámetro y 2 mm de
espesor para abarcar un total de 8 botellas, es decir 2 botellas en cada fase
de trabajo, el material seleccionado para cumplir con esta función fue el
acero inoxidable debido a su alta resistencia, capacidad de no oxidarse en
ambientes húmedos y a la facilidad para ser esterilizado. En la tabla número
7 se puede observar las características mecánicas de este material.
Tabla 7. Propiedades mecánicas del acero inoxidable.
Propiedades del Acero Inoxidable Densidad 8 gr/cm3 Esfuerzo de Fluencia 250 MPA Esfuerzo Ultimo de Tracción 540 MPA Modulo de Young 193 GPA
Fuente: Autodesk Inventor (2018)
Teniendo todo esto en cuenta y considerando que 6 de las botellas
estarán llenas con el jugo se puede calcular el esfuerzo asociado al peso que
estará sometido el conjunto de disco transportador cuando este en
movimiento, dicho cálculo se puede observar a continuación.
30006,06,0600 mLmlV
Nsmm
mKggVW 886,581,9.0006,0.1000.. 2
33
NWNBotellasW
Botellas
Botellas
316,35886,5.6
En función de proveer la movilidad requerida al disco transportador el
75
mismo estará suspendido sobre 4 rodillos de apoyo que le permitirán girar
suavemente alrededor de su propio eje, estos conjuntos de rodillos están
compuestos por 2 rodamientos, 2 porta rodamientos y el rodillo de apoyo
principal. Dichos rodamientos fueron seleccionados en base a varios criterios
como lo son el espacio para la instalación, índice de carga, ruido de
funcionamiento, tipo de lubricación, tipo de carga y facilidad de montaje. En
la figura numero 10 se puede observar el plano isométrico del conjunto de
rodillos de apoyo.
Figura 10. Conjunto de rodillos de apoyo.
Fuente: Elaboración Propia (2017)
De acuerdo al espacio disponible el rodamiento que mejor se adapta a
esta disposición tiene unas dimensiones de 22mm de diámetro externo, 8mm
de diámetro interno y 7mm de espesor, fueron seleccionados los
rodamientos de bolas esféricas con ranura profunda ya que la carga
soportada es de tipo radial y son los mas aconsejados por el fabricante para
aplicaciones donde los bajos niveles de ruido y fricción son claves, la
lubricación utilizada por este modelo es la grasa convencional. La carga
soportada por los rodamientos esta asociado al peso del disco transportador,
las botellas y el peso del propio rodillo. En las tablas numero 11 y 12 se
pueden detallar características básicas de las piezas diseñadas como lo son
el área, volumen y densidad, todo esto obtenido mediante el mismo software
de modelado. Teniendo estos datos podemos calcular sencillamente cuanto
es la fuerza asociado al peso de cada una de ellas.
76
Tabla 8. Características del rodillo de apoyo. Rodillo de Apoyo
Material Acero Inoxidable Masa 0,145318 Kg. Área 16889,2 mm2. Volumen 18164,7 mm3.
Fuente: Autodesk Inventor (2018)
En la tabla numero 8 se pueden detallar características básicas del rodillo
de apoyo diseñado mediante el mismo software de computadora que se uso
para modelarlo. Estas características las comprenden el área superficial, el
volumen y la densidad del mismo. A través de estos datos se puede calcular
cuanto es la fuerza asociada al peso de cada uno de los elementos,
obteniendo así un valor que servirá de base para seleccionar el rodamiento
para dicha función.
Tabla 9. Características del conjunto disco transportador. Disco Transportador
Material Acero Inoxidable Masa 2,65162 Kg. Área 240093 mm2. Volumen 331453 mm3.
Fuente: Autodesk Inventor (2018)
Mediante el mismo procedimiento se determino las características del
disco transportador el cual está sustentado sobre estos rodillos de apoyo,
todo este peso se distribuirá equitativamente sobre los rodamientos. Ambos
componentes fueron modelados en acero inoxidable, esto debido a la
húmeda a la cual estarán expuestos los elementos evitando deterioramiento
por la reacción de oxidación asociada.
77
gW rodillorodillo .
NsmKgWrodillo 425569,181,9.145318,0 2
NsmKgW portadorDiscoTrans 012392,2681,9.65162,2 2
NNNWWWW portadorDiscoTransRodilloBotellastotal 01,2642,131,35
NWtotal 74,62
La estructura principal de la Microplanta Embotelladora para jugo de
papelón fue diseñada con tubos rectangulares de 19mm de lado y 1,4 mm de
espesor, la estructura fue dividida en dos secciones en la cual estarán
ubicados la zona de trabajo y el tanque de almacenamiento para el jugo
respectivamente. El material seleccionado para esta fabricación fue el
aluminio, siendo escogida por ser bastante liviano pero al mismo tiempo
cumpliendo con los niveles de esfuerzo admisible al cual será sometido en
esta aplicación. A continuación en la figura numero 7, se puede detallar la
geometría del elemento antes mencionado.
Figura 11. Estructura Principal de Microplanta Embotelladora
Fuente: Elaboración Propia (2017)
78
Dentro de la estructura se ubicaran 3 láminas principales que soportaran
distintas cargas según su disposición. La lamina de la zona superior la cual
soportara los pesos del motor eléctrico, bomba hidráulica, actuador
neumático, sistema dispensador de tapas y válvulas de llenado fue diseñada
en acero inoxidable con unas dimensiones de 35,8 cm x 35,8cm x 2mm. La
misma fue planteada para soportar una masa nominal de 30 Kg el cual
genero un esfuerzo de VonMisses de 153,2 Mpa en los agujeros de sujeción,
la misma tiene un factor de seguridad de 1,63 y solo tuvo 0,3708 mm de
desplazamiento en la zona critica central, según las simulaciones realizadas.
A continuación se puede verificar la simulación del objeto de estudio en la
figura numero 12.
Figura 12. Simulación de desplazamiento con 30 Kg en lámina soporte
superior Fuente: Elaboración Propia (2017)
La segunda lámina se encuentra ubicada en la parte posterior inferior de
la estructura, la misma esta encargada de soportar completamente el peso
del tanque con el máximo nivel de jugo en su interior. A continuación en la
figura numero 13 se pueden detallar las características básicas del tanque de
almacenamiento, el mismo posee unas dimensiones de 28 cm x 20 cm x
32cm y 2mm de espesor.
79
Figura 13. Tanque de almacenamiento de jugo
Fuente: Elaboración Propia (2018)
Este tanque posee una capacidad volumétrica de 19 litros
aproximadamente, el material requerido para esta aplicación debía ser muy
liviano, rígido e inerte a fin de no reaccionar de ninguna forma con el líquido
que contiene, de acuerdo a estos criterios se selecciono el polietileno de alta
densidad el cual cumple con estos requerimientos y es fácil de limpiarlo.
Seguidamente se muestran los cálculos del peso asociado al jugo contenido
en el tanque.
KgmmmmKgVm 92,17)32,0.20,0.28,0.(1000. 3
NsmKggmW 8,17581,9.92,17. 2
Mediante los datos volumétricos del tanque y los cálculos del peso
asociado se pudo simular las cargas que actúan sobre la lamina soporte
correspondiente. La lámina posee unas dimensiones de 35,8 cm x 19,6 cm
con 2 mm de espesor, siendo esta de acero inoxidable. Los resultados
obtenidos indican un esfuerzo máximo de VonMisses de 27,6 Mpa, un factor
de seguridad mínimo de 9,06 y un máximo desplazamiento de 0,1252 mm en
80
la zona critica media. Dichos resultados se visualizan en la figura numero 14.
Figura 14. Simulación de desplazamiento con 17,92 Kg en lámina soporte
inferior del tanque Fuente: Elaboración Propia (2018)
A fin de lograr movilizar las botellas plásticas a través de las distintas
etapas del proceso y tomando en cuenta el peso total de las botellas
involucradas llenadas con el producto se selecciono un motor eléctrico
bifásico de corriente directa (DC) del tipo paso a paso, esto a fin de controlar
con gran precisión los grados de posición a la cual quiere ser llevada. El
mismo debe generar un torque mínimo necesario para hacer girar la carga de
botellas llenas y el peso del conjunto disco transportador.
.IT
srad
srevW 57075,14/10
tWW f .0 , donde stW f 1;0
ss
rad
tW
1
57075,10 257075,1
srad
81
2.21 rmI , siendo mr 15,0
portadorDiscoTransBotellastotal mmm
..6 VBotellamBotellas
3
3
1000.1000
1.6,0.6mKg
Lm
BotellaLBotellamBotellas
KgmBotellas 6,3
Kgm portadorDiscoTrans 65,2 (Obtenido mediante software)
Kgmtotal 25,6
215,0.25,6.21 mKgI
2.0703,0 mKgI
22 57075,1..0703,0
sradmKgT mmNmNT .4,110.1104,0
Por medio de las ecuaciones básicas de cinemática se determino la
aceleración angular del disco al girar 90 grados de revolución en un tiempo
predeterminado de 1 segundo. Habiendo calculado esta aceleración se
procedió a obtener la inercia asociada a la masa completa del disco giratorio
y las botellas llenas con el jugo, esto permitió obtener la capacidad de torque
que deberá ejercer el motor eléctrico paso a paso, resultando en un valor
aproximado de 110,4 mN.m. En la figura numero 15 se puede observar una
vista general del motor eléctrico paso a paso.
82
Figura 15. Motor eléctrico paso a paso
Fuente: Elaboración Propia (2018)
El sistema de circulación esta comprendido por la bomba hidráulica la
cual elevara la presión del jugo a fin de extraerlo desde el tanque hasta la
zona de llenado, el sistema de válvulas que tiene la función de dar apertura o
cierre respectivamente para descargar el liquido en las botellas con gran
velocidad y las tuberías utilizadas para conectarlos. A fin de calcular la
presión requerida para seleccionar la bomba el análisis debe realizarse en
dos partes que comprenden el estudio de la línea de fluido desde el punto
inicial en el fondo del tanque de almacenamiento hasta la salida de la bomba
y desde la salida de la bomba hasta la salida del jugo en la boquilla de la
válvula.
Figura 16. Esquema de circuito hidráulico
Fuente: Elaboración Propia (2017)
83
En la figura numero 16 se observa el diagrama hidráulico de la línea de
alimentación que va desde el tanque hasta las válvulas de llenado, en el
mismo se puede observar que el jugo debe recorrer una distancia de 28cm
de altura desde el fondo del tanque hasta el punto de succión de la bomba y
luego baja alrededor de 10cm hasta el tope de la botella, para efectos de
estudio se separo el diagrama en 3 puntos de análisis. A continuación se
presentan los cálculos realizados para obtener la capacidad de bombeo del
equipo.
Análisis 1 hallando la presión requerida por la bomba ( BH ):
22
22
11
21 ..
2...
2. hgPVHfHhgPV
B
Donde ;0;0;0 21 VHfV
)(.).( 1212 PPghhH B
?;;0;28,0 2121 PPPhmh atm
)101325(1000.81,9).28,0( 232 PaPmKg
smmH B
)101325(8,2746 2 PaPPaH B (Ecuación 1)
En el procedimiento anterior se establecieron los pasos para determinar la
altura manométrica de la bomba necesaria para dar energía al fluido y
cumplir con los requerimientos de llenado en la microplanta embotelladora.
Esto se realizo basándose en la ecuación de Bernoulli la cual establece una
interrelación entre la velocidad, presión y posición de un fluido a lo largo de
una línea de corriente. El primer análisis se llevo a cabo desde el punto 1 al
número 2, donde por medio de las condiciones iniciales se obtuvo una
ecuación dependiente de la presión P2 la cual no se conoce.
84
Análisis 2, hallando la presión 2P :
sL
sLsalQ 12,0
56,0
222 0000316,0)003175,0.(. mmrA
salBA QQQQ
.23 ; salVV .23 ;
sm
ms
m
AQVV salida 594,7
0000316,0
00012,0.2 2
3
3
33
23
22
22 ..
2...
2. hgPVHfHhgPV
B
Donde mhPPHHV atmfB 1,0;;0;0;0 332
)10,0.(81,9.10001013252
1000.)594,7().(.
2.
23
32
233
23
2 msm
mKgPam
Kgsm
hhgPV
P
PaP 418,1291782
Estableciendo un tiempo de llenado óptimo de 5 segundos por cada
botella de 600 ml se puede determinar el caudal requerido y por consiguiente
la velocidad en la salida del punto 3. Debido a que el flujo se divide por
alimentar 2 válvulas de llenado y que el área de las líneas poseen los
mismos diámetros, tenemos entonces que el caudal de salida debe ser el
doble. Analizando la línea de corriente desde el estado 2 al 3 y basándose en
el caudal obtenido previamente a la salida de la bomba, se logra calcular la
presión P2 la cual será sustituida en la ecuación número 1 para obtener el
resultado final.
PaH B 618,25106 o psi641,3
85
Una vez obtenida la presión de trabajo en el circuito hidráulico se procede
a diseñar el sistema de la válvula de llenado, la misma esta compuesta de
una sección inferior y otra superior las cuales se desplazan una dentro de
otra. La pieza superior posee una longitud total de 13,25cm con un diámetro
interno de 6,35mm y un espesor de 2mm, posee una conexión roscada en la
parte posterior que servirá de entrada para el jugo.
La sección inferior tiene una longitud de 6,5 cm, un diámetro de 11mm,
espesor de 2mm y así mismo una conexión roscada en la parte posterior por
donde tendrá salida el reflujo creado por efecto de llenado de la botella, esta
pieza tiene una sobresaliente circular en la zona media que hará contacto
con la botella, el material para ambas piezas fue el acero inoxidable a
excepción de las dos empacaduras utilizadas.
Al momento de descender la válvula el componente inferior hace contacto
con el borde de la botella sellando el mismo para su llenado, este contacto
genera un movimiento relativo entre los dos componentes empujando la zona
superior hacia abajo, venciendo así la fuerza del resorte que la mantenía
cerrada. A continuación se muestran los calculas para la selección de este
resorte así como también el modelado del mismo.
Pa418,27853 20000316,0 mA
22Pr 0000316,0.418,27853. m
mNAF esion NF esion 880,0Pr
XKF sortesorte .ReRe
mN
XF
K sortesorte 033,0
880,0ReRe
mNK sorte 67,26Re
A través la presión obtenida anteriormente en la línea de llenado y
conociendo el área de contacto del fluido con la válvula se puede determinar
86
la fuerza ejercida por el liquido la cual tendría que ser igualada a la del
resorte para su correcto funcionamiento, evitando así fugas del jugo cuando
la maquina no esté accionando. Con esta fuerza y el desplazamiento nominal
se obtiene la constante característica del resorte, dato con el cual se
realizara la selección optima en las tablas de los fabricantes
Figura 17. Válvula de llenado
Fuente: Elaboración Propia (2018)
Finalizado el desarrollo de cada componente requerido, se muestra el
plano isométrico de la microplanta embotelladora para jugo de papelón
completamente ensamblada, en ella se pueden detallar algunos de los
elementos principales que la conforman estructura principal, motor DC paso
a paso, el conjunto de disco transportador, el tanque de almacenamiento de
jugo, la bomba hidráulica, las válvulas de llenado, los actuadores de tapado y
los diferentes componentes que integran el sistema de control para este
proyecto de automatización.
87
Figura 18. Parasolido 3D Microplanta Embotelladora de Jugo
Fuente: Elaboración Propia (2018)
Una vez proyectado el parasolito 3D de la microplanta embotelladora se
procede a realizar de forma esquemática el diagrama de tubería e
instrumentos respectivo de este sistema. En las figuras número 19, 20 y 21
se observa la distribución de los elementos utilizados para automatizar el
proceso detallándose en ello los instrumentos de medición, actuadores y
controlador respectivamente.
88
Figura 19. Circuito Hidráulico de la Microplanta Embotelladora
Fuente: Elaboración Propia (2018)
En la figura 19 se puede observar el circuito hidráulico recorrido por el
jugo de papelón, en ella se puede apreciar como inicialmente el liquido se
encuentra almacenado en el tanque T-01, por medio de la bomba hidráulica
B-01 el jugo es circulado a una presión optima de 25,1 Kpa por encima de la
atmosférica alimentando las válvulas de flujo principales FV-01 y FV-02,
posteriormente estas inyectan el jugo respectivamente dentro de las botellas.
Estas válvulas son controladas por medio de un actuador neumático el cual
da apertura y cierre a las mismas, el sensor de flujo FT-01 censa la cantidad
de jugo vertido dentro de las botellas y emite la señal al controlador.
89
Figura 20. Circuito Neumático de la Microplanta Embotelladora
Fuente: Elaboración Propia (2018)
En la figura 20 se visualizan las líneas de suministro de aire a los distintos
actuadores neumático de la maquina. Aquí podemos observar como el
compresor C-01 suministra aire a presión al tanque T-02, el transmisor de
presión PT-02 es el encargado de censar esta señal y enviarla al controlador
para su procesamiento. El actuador A-01 es el designado para descender las
herramientas de enrosque correctamente y tapar las botellas con un torque
nominal de 19 lb/pulg para un sellado perfecto.
90
Figura 21. Diagrama de Tubería e Instrumentos (PI&D) de la Microplanta
Embotelladora Fuente: Elaboración Propia (2018)
Habiendo descrito detalladamente los 2 circuitos de funcionamiento
principal del equipo, se presenta a continuación en la figura 21 el diagrama
de tuberías e instrumento de la microplanta embotelladora, aquí podemos
observar completamente el interconexionado de todos los equipos con el
controlador lógico programable. El motor de corriente directa M-01 es el
encargado de girar las botellas a través de cada sección de trabajo, los
sensores ZT-01, ZT-02 y ZT-03 se encargan de validar el correcto
posicionado de las botellas en las fases de llenado, ubicación de tapa y
aplicación de torque respectivamente. Observamos también el solenoide S el
cual actúa dejando caer las tapas plásticas sobre las botellas una vez
activado el sensor ZT-02.
91
Figura 22. Diagrama de flujo del proceso de control
Fuente: Elaboración Propia (2018)
En la figura numero 22 podemos observar el diagrama de flujo
desarrollado para el control lógico de la microplanta embotelladora para jugo
de papelón. Al encender la maquina inician 3 procesos simultáneamente, en
el primer proceso el transmisor de presión determina si el valor en el circuito
neumático es mayor o igual a 620,5 Kpa, de no ser así el controlador da la
orden para encender el compresor neumático llevando este al valor
requerido, de igual forma ocurre el mismo procedimiento en el circuito
hidráulico donde se verifica que la presión sea mayor o igual a 200 Kpa que
en caso contrario activaría la bomba hidráulica, ambos procesos ocurren una
y otra vez durante el embotellado.
El tercer proceso inicia con la activación de un botón de seguridad
pulsado por el usuario cuando se ha completado la inserción de las 2 botellas
en la bandeja de entrada de la maquina, una vez activado el controlador da
la orden al motor DC para girar los primeros 90 grados de hacia la etapa de
llenado, aquí el primer sensor de posición verifica la ubicación de las
92
botellas para proceder a activar el actuador neumático de las válvulas de
llenado. En este momento las válvulas descienden aperturandose y llenando
las botellas respectivamente, el sensor de flujo verifica la dosificación
correcta de jugo para cada recipiente, una vez vertido el jugo la válvula se
desactiva y se emite la señal de disponibilidad para girar nuevamente.
Si el segundo sensor de posición ZT-02 = verdadero el controlador activa
el solenoide que deja caer las tapas plásticas en el borde de cada botella
quedando disponible para girar también. Igualmente el sensor ZT-03 verifica
la posición para luego activar el actuador neumático que desciende la
herramienta de torque hacia la botella. El controlador monitorea
constantemente el estatus de disponibilidad de cada fase, al ser estas tres
verdaderas vuelve a reiniciar el ciclo a la espera del pulsado del botón de
seguridad.
FASE IV: Seleccionar los equipos e instrumentos a ser utilizados en la microplanta embotelladora para jugo de papelón.
Una vez culminada la fase de desarrollo de la Microplanta embotelladora
se procede a seleccionar los instrumentos y equipos necesarios para el
correcto funcionamiento del mismo, todo esto fundamentado en base a los
parámetros calculados previamente. Adicionalmente se proyectara una lista
de precios actualizados y competentes en el mercado donde se podrán
evaluar la rentabilidad de la maquina.
a) Matriz de selección de bomba hidráulica
Para la selección de la bomba hidráulica se estudiaron las diversas
opciones disponibles en el mercado a fin de elegir el equipo que cumpliera
con las necesidades de flujo volumétrico y presión requeridos por el sistema,
93
además de esto se tomo en cuenta los requerimientos sanitarios y de higiene
inherentes a la elaboración de un producto alimenticio.
Tabla 10. Selección de Bomba Hidráulica Sanitaria.
Características Centrifuga Desplazamiento Positivo
Margen de error ○ ✔ Costo ✔ ✘
Disponibilidad ✔ ○ Confiabilidad ✔ ✔
Eficiencia ○ ✔ Caudal ✔ ✘ Presión ✘ ✔
Autocebante ✘ ✔ Cuerpo Acero Inoxidable ✔ ✔
Muy Bueno ✔ Bueno ○ Regular ● Malo ✘
Fuente: Elaboración Propia (2018)
En la tabla numero 10 se puede observar la comparación realizada entre
las características de las bombas centrifugas y las de desplazamiento
positivo. Según los cálculos realizados anteriormente se requiere una bomba
capaz proporcionar 14,4 L/min y al menos 3,64 psi de presión. De acuerdo a
lo expuesto, se decide seleccionar la bomba de desplazamiento positivo por
diafragma marca Flojet serie AC VSD modelo Quad.
Figura 23. Bomba de desplazamiento positivo Flojet, modelo Quad
Fuente: Catalogo de productos Flojet (2009)
94
En la figura numero 23 se puede observar las características externas del
equipo, este trabaja con una alimentación de voltaje de 115V con una
frecuencia de trabajo de 60 Hz. El equipo posee la capacidad para
suministrar un caudal de 19 L/min elevando la presión del líquido hasta un
máximo de 45 psi de forma constante sin necesidad de tanque acumulador o
switch de presión esto debido al controlador de velocidad variable que posee,
el mismo posee una carcaza hecha en material de polipropileno teniendo un
peso total aproximado de 3 kg.
b) Matriz de selección de motor paso a paso
Habiendo determinado en la fase anterior el torque requerido para
movilizar el disco transportador y la carga de botellas involucradas, se
procede entonces a seleccionar el motor que llevara a cabo esta función.
Estudiando esta aplicación se opto por elegir el motor de corriente directa
tipo paso a paso, esto debido a que ofrece mayor precisión de rotación al
momento de atravesar cada fase de trabajo.
Tabla 11. Selección de motor paso a paso
Modelo Tipo Longitud Corriente Torque Máx. Peso
Nema 17 Sencillo 39,8 mm 2 Amp 15 mN.m 0,28 Kg Doble 48,3 mm 2 Amp 25 mN.m 0,36 Kg Triple 62,8 mm 2 Amp 30 mN.m 0,60 Kg
Nema 23 Sencillo 55 mm 2,2 Amp 45 mN.m 0,60 Kg Doble 77 mm 3 Amp 75 mN.m 1,00 Kg Triple 77 mm 3 Amp 150 mN.m 1,10 Kg
Fuente: Catalogo ProLinear (2015)
En la tabla numero 11 se pueden observar las características principales
de los motores paso a paso ofrecidos por los fabricantes, según los cálculos
previos el torque requerido es de 110,4 mN.m. De acuerdo a esta tabla se
95
selecciono el motor standard NEMA 23, ya que puede cumplir con el
parámetro de torque anteriormente deducido. El mismo es del tipo bifásico,
con capacidad para 200 pasos por revolución, corriente de 3 Amp, 24 Voltios,
genera un torque de 150 mN.m y posee un peso aproximado de 1,10 Kg.
c) Matriz de selección de resorte para válvulas de llenado
A fin de mantener sellada la válvula de llenado cuando la misma esta en
reposo se debe seleccionar correctamente el resorte de compresión para
cumplir a cabalidad con esta función, se tomaron en cuenta para esta
selección las dimensiones del componente superior de la válvula, el mismo
tiene un diámetro externo de 10 mm con una altura de trabajo total de 33 mm
y una constante característica de 26,67 N/m.
Tabla 12. Selección de resorte para válvula de llenado
Numero Parte
Diámetro Exterior
(mm)
Diámetro Alambre
(mm)
Longitud sin Carga
(mm)
Altura Sólida (mm)
Constante K
(Kgf/mm)
LP018GH01
11,13 0,46
19,05 3,16 0,008
LP018GH02 25,40 3,81 0,006
LP018GH03 31,75 4,45 0,005
LP018GH04 38,10 5,10 0,004
LP018GH05 44,45 5,74 0,003
LP018GH06 50,80 6,38 0,003
Fuente: Catalogo LeeSpring (2016)
En la tabla numero 12 se puede apreciar una sección de los resortes
de compresión disponibles por el fabricante, se selecciono el modelo
96
LP018GH04 en base a las dimensiones antes mencionadas para dicha
aplicación, el resorte escogido posee un diámetro exterior de 11,13 mm, una
longitud libre de 38,1 mm y una constante de 0,004 Kgf/mm lo cual equivale
a 39,2 N/m cumpliendo así con las expectativas anteriormente calculadas.
d) Matriz de selección de actuadores lineales neumáticos
Para elegir el actuador neumático que aplicara la fuerza necesaria para
descender y elevar continuamente las válvulas de llenado, se debe tomar en
cuenta todo el peso del conjunto que este soportara y la longitud máxima de
la carrera según el espacio disponible del diseño. La masa de cada conjunto
de válvula de llenado es de 0,3521 Kg reflejándose en un peso de 3,454 N,
sumando 2 válvulas equivaldría a un total de 6,908 N.
Tabla 13. Selección de Cilindro Neumático
Tipo Diámetro Embolo
(mm) Carrera
(mm) Presión
(Bar) Fuerza (N)
Doble Efecto
12 5,10,15,20,25,30,40 6 68 16 5,10,15,20,25,30,40,50 6 121
20,25 5,10,15,20,25,30,40,50,60 6 188 / 295 32,40,50 5,10,15,20,25,30,40,50,60,80 6 483 / 754 /1178
63 10,15,20,25,30,40,50,60,80 6 1870 80,100 10,15,20,25,30,40,50,60,80 6 3016 / 4712
Fuente: Catalogo Festo (2017)
En la tabla numero 13 se pueden comparar las características entre los
distintos cilindros neumáticos según la disponibilidad del fabricante. La
configuración del sistema de llenado diseñado permite una carrera total de
alrededor de 50 mm, a fin de cumplir con el objetivo de hacer contacto con la
boquilla de la botella y aperturas dichas válvulas. El equipo seleccionado fue
el cilindro compacto ADN de tipo doble efecto, el mismo posee 16 mm de
97
diámetro en el embolo, una fuerza en avance de 121 N y en retroceso de 90
N con una alimentación de aire de 6 Bar.
e) Matriz de selección de actuador de torque
De acuerdo a las especificaciones de la botella previamente escogida, la
misma utiliza una tapa plástica de polietileno de 28mm de diámetro, 120
estrías y requiere de un torque de 19 lb/pulg para lograr correctamente su
hermeticidad. Estos valores son las principales condiciones de contorno que
afectan la selección de la herramienta de torque que se va utilizar en la
microplanta embotelladora para jugo de papelón.
Tabla 14. Selección de Actuador de Torque
Características Modelos
CAH-1000 CAH-1050 CAH-2000 Alimentación Neumática Eléctrica Neumática
Velocidad 800 RPM 650 RPM 550 RPM
Torque 7-35 lb/in 6.9 - 21.7 lb/in 13-82.5 lb/in
Peso 430 gr 535 gr 770 gr Longitud 180 mm 237 mm 215 mm
Diámetro de Agarre 29 mm 33 mm 37 mm
Nivel de Ruido 72 dBA S/I 78 dBA
Alimentación 2 - 6 CFM @ 90psi
110 Volt @60 Hz
3 - 8 CFM @ 90psi
Fuente: Catalogo Apacks (2017)
En la tabla numero 14 se puede observar la comparación entre los
distintos equipos disponibles para llevar a cabo el proceso de tapado de la
botella, cada modelo posee el mismo método automático para iniciar la
operación al presionar el cabezal de roscado. Según los datos expuestos en
98
la tabla la opción más adecuada seria el modelo CAH-1000 ya que el mismo
provee hasta 35 lb/in de torque cubriendo con la necesidad primaria
establecida por el fabricante de la tapa, posee el menor tamaño con 180 mm
de largo, el menor peso con 430 gr de peso y además posee la ventaja de
ser neumático lo cual aprovecharía el suministro de aire utilizado en los
actuadores.
f) Matriz de selección de compresor neumático
Habiendo seleccionado los distintos equipos que trabajaran en base a un
suministro neumático, se procede entonces a establecer el compresor de aire
que cubrirá de forma efectiva estos requerimientos. Según las características
de los actuadores lineales y del actuador de torque neumático escogido los
mismos necesitan una alimentación de aire a una presión de 90 psi con un
flujo volumétrico de 6 ft3/min.
Figura 24. Mini compresor neumático.
Fuente: Catalogo de productos Goodyear (2016)
En base a estos requerimientos y debido a las dimensiones proyectadas
para la microplanta embotelladora se opta por elegir el mini compresor
neumático Goodyear modelo i8000 el cual provee una presión máxima de
150 psi cumpliendo con la demanda de aire exigida por el sistema. En la
99
figura numero 24 se pueden visualizar las características externas del equipo
anteriormente mencionado.
g) Matriz de selección de sensores de posición
Para asegurar el correcto posicionado de las botellas y evitar cualquier
tipo de error en el ciclo completo de embotellado se seleccionaron sensores
de posición para controlar cada una de las etapas del proceso. Debido a la
disposición o las dimensiones de la microplanta y de acuerdo al tipo de
material de la botella utilizada, se determino que la opción más adecuada
para esta función era el sensor tipo óptico de reflexión directa.
Figura 25. Sensor óptico de reflexión directa.
Fuente: Catalogo Festo (2009)
En la figura 25 se puede observar el sensor óptico seleccionado, en este
equipo el emisor y el receptor están incluidos en un mismo cuerpo donde el
haz de luz es emitido hacia la botella siendo y luego es reflejado de vuelta
hacia el sensor, certificando así su posición. Este dispositivo trabaja con un
rango de voltaje de entre 10 a 36V DC generando una luz de tipo infrarroja,
posee un conector tipo clavija M8x1 de 3 contactos el cual se conecta con un
cable trifilar. El sensor posee un cuerpo hermético resistente a la humedad y
a las altas presiones para los lavados del equipo, teniendo un rango de
operación de 0 a 55°C.
100
h) Matriz de selección de transmisores de presión
Teniendo en cuenta la necesidad de mantener un rango de presión
optimo para mantener un flujo de jugo favorable en la línea de llenado, se
seleccionaron los sensores de presión más acorde para cumplir con el
control de estos parámetros. En la sección anterior se seleccionaron los
equipos de bombeo de jugo y compresión de aire requeridos por el sistema,
estos determinaran directamente el rango de operación de los instrumentos
de medición que se van a utilizar.
Figura 26. Transmisor de presión.
Fuente: Catalogo Festo (2009)
En la figura numero 26 se observa el transmisor de presión escogido para
tomar las mediciones en la línea de suministro de jugo y la línea neumática
que alimenta a los actuadores lineales de la válvula y del actuador de torque
que lleva a cabo el proceso de tapado. El mismo tiene un tamaño entrecaras
de 22mm con un rango de presión que va desde 0 a 16 bares, la rosca de
conexión es de ¼” produciendo una salida analógica de 0 a 10 Volt en un
rango de 4 a 20 mA, la conexión eléctrica es del tipo M12x1 con 4 contactos
y el cuerpo del transmisor esta hecho de acero inoxidable AI206 al 96%.
101
i) Matriz de selección de sensor de flujo
A fin de controlar exactamente la cantidad de líquido suministrado a las
botellas, se decidió instalar un medidor de caudal en la línea de alimentación
de jugo el cual emitirá una señal al controlador notificándole la correcta
cantidad de jugo que fue vertida en las botellas. A continuación se presenta
el transmisor de flujo volumétrico utilizado para esta aplicación.
Figura 27. Transmisor de flujo volumétrico.
Fuente: Catalogo GF Piping Systems (2009)
En la figura numero 27 se muestra el transmisor de caudal Signet 2100
Turbine, seleccionado del catalogo GF Piping Systems, el mismo posee un
rango de operación de 3 a 38 lpm con precisión de lectura 3%, este se
conecta directamente en la línea del fluido y sus conexiones varían en los
extremos desde ¼” hasta ½”. La longitud del dispositivo es de 124mm con
carcaza hecha en material de polibutileno y rodamientos cerámicos.
j) Matriz de selección de electroválvulas
Para controlar los 2 actuadores lineales neumáticos que operan en las
etapas de llenado y tapado correspondientemente, se instalaron 2
electroválvulas que permitirán el paso del aire hacia los actuadores. Estas
son manipuladas por un controlador lógico programable el cual da la orden
de apertura o cierre según la evaluación de parámetros que tenga en su
algoritmo de control.
102
Figura 28. Electro válvula neumática.
Fuente: Catalogo Asconumatics (2010)
En la figura numero 28 se puede apreciar las características de la
electroválvula escogida, esta pertenece al catalogo de la empresa fabricante
asconumatics serie 327, esta posee un cuerpo fabricado en acero inoxidable
con las un rango de operación de 24 a 48V. El diámetro de la conexión en la
línea es de ¼” y tiene una capacidad de flujo de hasta 25 l/min, cumpliendo
así con el valor suministrado por el compresor de aire seleccionado.
k) Matriz de selección del controlador lógico programable
La selección del controlador lógico programable más adecuado para este
sistema se fundamento principalmente en el número de variables entradas /
salidas que requerían ser controladas durante el proceso de embotellado. En
el caso de la microplanta embotelladora para jugo de papelón el equipo
controla directamente el funcionamiento de 6 equipos (Bomba, Compresor,
Motor Stepper, Solenoide y 2 Cilindros Neumáticos Lineales) contabilizando
en su totalidad 7 entradas y 6 salidas.
103
Figura 29. Controlador Lógico Programable.
Fuente: Catalogo Siemens (2009) En la figura numero 29 se puede observar el modelo de controlador lógico
programable seleccionado, su interfaz tiene una capacidad de direccionar 8
salidas / 8 entradas analógicas y 20salidas / 24 entradas digitales de 0 a 10V
DC. Posee unas dimensiones de 71,5 mm de ancho, 90 mm de alto y 58 mm
de profundidad. El rango de tensión de alimentación varía entre 20,4 a 28,8
V.
FASE V: Validar el diseño de la microplanta embotelladora de jugo
En esta fase se presentan las simulaciones de funcionamiento
automatizado de la microplanta embotelladora para jugo de papelón, la cual
será una oportunidad de negocios para las familias zulianas debido al alto
costo de los productos gaseosos que hoy en día invaden los centros de
distribución de alimentos. Para esto se da cumplimiento a cabalidad de una
lógica de control y automatización la cual se estableció en la fase anterior a
través de unos diagramas de flujo que representan el funcionamiento a
programar en esta etapa de la investigación. A continuación se presenta el
panel de control que tendrá la microplanta.
104
Figura 30. Panel de control de la microplanta embotelladora para jugo de papelón
Fuente: Elaboración Propia (2018)
Como se puede apreciar en la imagen anterior se visualiza el panel
hombre-máquina para la supervisión de variables. Esto se realizó pensando
en los usuarios y su entendimiento a fin de no generar desconocimiento que
conlleve a la mala manipulación del usuario y por ende averiar la máquina de
manera progresiva. Cabe destacar que la pantalla de usuario se diseñó en
función de los botones mínimos que deben de presionar para encenderla y
manipularla respectivamente. A continuación se presenta una imagen del
arranque de la microplanta.
105
Figura 31. Arranque inicial de la microplanta Fuente: Elaboración propia (2018)
En la figura anterior se puede notar que una vez arrancado el suiche de
transferencia de energía la misma planta empieza a realizar el “barrido” de
señales donde cada línea de señal se comunicara con su respectivo
instrumento de medición o control a fin de preservar la seguridad en el
arranque definitivo del sistema a la carga de diseño. Ahora bien es necesario
activar el suministro de aire hacia los cilindros de desplazamiento a fin de
generar el producto bajo las diversas especificaciones. A continuación se
presenta el arranque de los periféricos
106
Figura 32. Fin del barrido de señales Fuente: Elaboración Propia (2018)
Luego de observar la figura sobre la parte subrayada se aprecia que las
luces de la llenadora y tapadora se comprueba que los instrumentos con sus
controles están bien diseñado y esquematizado en función de los
requerimientos. En la marcada con color verde se muestran las condiciones
del proceso y los mensajes de alerta con respecto a la seguridad de la planta
y por consiguiente del usuario.
Figura 33. Inicio del proceso Fuente: Elaboración Propia (2018)
107
En esta parte de la simulación se presenta la condición inicial para poder
activar la maquina una vez energizada se asigna un contador de 2 botellas
ya que es la capacidad máxima de manipulación de botellas. Se inicia la
etapa de llenado en aproximadamente 5 segundos por cada 2 botellas, para
luego condicionarla con la tapa respectivamente
Figura 34. Condiciones de tapa y botellas de la microplanta Fuente: Elaboración Propia (2018)
Una vez culminado esto, se pueden conseguir con botellas que irán
pasando progresivamente por la banda transportadora. Ahora bien, una vez
que el operador establezca el ritmo de producción de 2 botellas las mismas
circularmente irán transcurriendo en un tiempo de no más de 5 segundos por
cada producto final obtenido por lo que eso dependerá del torque de la
botella el cual no debe exceder los 19Lbf.plg. Ahora bien, presentándose eso
se muestra ese caso:
108
Figura 35. Proceso de torqueado de la tapa
Fuente: Elaboración propia (2018)
Una vez culminado el posicionamiento y su verificación por etapas, se
llega a la etapa final la cual se evidencia que todos los procedimientos están
en verde o activos por lo que selladora no se va a detener a fin de colocar
las tapas respectivas para cerrar esta botella de manera segura y con un
apriete suave. Todos estos comandos de programación se emplearon en el
software LabVIEW® para poder denotar los procesos que ahí se llevan a
cabo de manera “grafica”
Figura 36. Diagrama de programación
Fuente: Elaboración Propia (2018)
109
Para la etapa final de la simulación se tiene el lenguaje empleado para la
misma el cual fue Lenguaje G donde el mismo suele ser amigable con el
programador y el usuario. El mismo refleja la secuencia lógica de las
operaciones por lo que el uso de lógica booleana ha hecho que se pueda
automatizar sin contratiempos el proceso que lleva a cabo la embotelladora
respectivamente. Por otra parte la misma de dividió en 2 secciones; una de
color naranja que es el sistema de arranque y de color verde
correspondiendo al sistema de programación de temporizadores y acciones
que tomara la microplanta.
FASE VI. Plan de Negocios
a) Análisis de Mercadeo Este análisis esta definido como el estudio de la viabilidad comercial
de una actividad económica en donde se establecen las necesidades de
un producto con la finalidad de identificar la demanda potencial y el grado
de mercadeo que este abarcara. Dicho trabajo incluye el precio optimó
que el comprador pagaría, promoción para su venta, conocimiento del
consumidor, distribución del producto, así como también el lugar
especifico para su venta.
De acuerdo a lo expuesto en el capitulo I el problema tiene su origen
en la limitada productividad que tienen los vendedores de jugo en la
ciudad de Maracaibo. Con temperaturas por encima de los 34º, humedad
del 73% y sensaciones térmicas de hasta 51º estas condiciones
climáticas impulsan naturalmente la comercialización de bebidas
refrescante en la zona.
Según estudios estadísticos de bebidas similares el 70% de la
110
población esta de acuerdo con una bebida refrescante natural ya que
aportaría grandes beneficios a su salud, 81% estaría dispuesto a comprar
una bebida natural embotellada por encima de los productos artificiales ya
existentes. Basándose en estos datos se puede inferir un alto mercado
para la microplanta embotelladora ya que incrementaría la producción
hasta un 200%.
Tabla 15. Estimación de costos del producto
Descripción Precio Unitario Panela 1Kg 45.000 BsF Limón 1Kg 15.000 BsF
Agua Filtrada 0 BsF Botella Plástica 600ml 6000 BsF
Fuente: Elaboración propia (2018)
En la tabla numero 15 se pueden apreciar los costos de la materia
prima utilizada para elaborar el producto, estos tienen un rendimiento
para 10 botellas de 600ml por lo que el precio total para manufacturar
cada unidad seria de 12.000 BsF, si se estipula una ganancia neta de
30%, el precio total de venta seria de 15.600 BsF. Con una velocidad de
producción de 6 botellas por minuto que equivale a 2880 botellas en 8
horas de trabajo por cada día, se obtendría una ganancia diaria de
10.368.000 BsF.
b) Estudio Financiero
El estudio financiero esta integrado por un conjunto de elementos
informativos que en conjunto con un análisis cuantitativo permite decidir o
observar la viabilidad de un proyecto, en este se resumen las operaciones
necesarias para que un trabajo de emprendimiento avance visualizando el
111
crecimiento del mismo en el tiempo. Es por esto que destaca la importancia
de iniciar cualquier idea de proyecto o negocio contemplando las variables
que intervienen en su implementación considerando el costo efectivo y su
viabilidad financiera. A continuación en la tabla numero 16 se presenta la
estimación de costos de la microplanta embotelladora para jugo de papelón.
Tabla 16. Estimación de costos de la Microplanta Embotelladora
Descripción Cantidad Precio Unitario Precio Total
Tubo Rectangular Aluminio19mm x 19mm x 2m 3 250.000 BsF 750.000 BsF
Tornillo, Tuerca y Arandela 4 mm 20 30.000 BsF 600.000 BsF
Lamina de Plástico Acrílico 38cm x 38cm 4 405.000 BsF 1.620.000
BsF Lamina de Acero 1m x 1m 1 180.000 BsF 180.000 BsF Recipiente de Polietileno 1 150.000 BsF 150.000 BsF
Rodamiento SKF 608 8 20.000 BsF 160.000 BsF Motor Eléctrico DC Paso
a paso 150 mN.m 1 220.000 BsF 220.000 BsF
Bomba Hidráulica 19l/min @ 45 psi 1 2.000.000
BsF 2.000.000
BsF Compresor Neumático 150 psi 1 750.000 BsF 750.000 BsF
Actuador Neumático 121 N 2 570.000 BsF 1.140.000 BsF
Actuador de Torque 7-35 lb/in 2 600.000 BsF 1.200.000 BsF
Actuador Solenoide 1 74.000 BsF 74.000 BsF Electro válvula ¼” 24-48V 2 80.000 BsF 160.000 BsF
Tubería ¼” x 50cm 1 51.250 BsF 51.250 BsF Sensor de Presión ¼” 4 – 20 mA 2 100.000 BsF 200.000 BsF
Sensor de Posición 10-36 V 3 612.000 BsF 1.836.000 BsF
Sensor de Flujo ¼” 3 – 38 LPM 1 298.000 BsF 298.000 BsF Controlador Lógico (PLC) 1 8.900.000 8.900.000
112
BsF BsF Fuente de Poder (12/24 Volt) 1 400.000 BsF 400.000 BsF Total de Materiales o Equipos 20.689.250 BsF
Recursos Humanos Empleado Valor Mes (Sueldo mensual)
Ingeniero Consultor 3.000.000 BsF Técnico Instrumentista 1.500.000 BsF
Obrero 1.000.000 BsF Total Recursos Humanos 5.500.000 BsF
Inversión Total 26.189.250 BsF
Fuente: Elaboración propia (2018)
En la tabla numero 16 se puede observar la estimación de costos
realizada para la microplanta embotelladora para jugo de papelón, en la
misma se describen todos los materiales o equipos asociados a la
construcción de esta maquina así como también la volumetría y los gastos
del personal capacitado que llevara a cabo esta actividad. El costo total por
materiales se proyecta en 20.689.250 BsF estipulado con adquisición de
divisas preferenciales, así mismo los recursos humanos ascienden a la
cantidad de 5.500.000 BsF para una inversión total de 26.189.250 BsF. Cabe
resaltar que comparando el costo de la fabricación de la maquina con la
ganancia neta por producción, se concluye que se recuperaría la inversión
inicial en 2,6 días de trabajo.