hidraulica-diseño de un sistema rotativo de llenado

[Escribir el nombre de la compañía]

10

DISEÑO DE UN SISTEMA

ROTATIVO DE LLENADO Y

TAPADO ENVASES PET DE 500 ml

DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO

ENVASES PET DE 500 ml

1. TEMA:

LLENADO Y TAPADO ROTATIVO DE BOTELLAS DE AGUA DE 500 cm3

2. OBJETIVOS:

2.1 Objetivo General

- Diseñar un sistema neumático y mecánico de embase y tapado de botellas de agua de

500 cm3.

2.2 Objetivos Específicos

- Realizar los cálculos respectivos para una correcta selección de componentes mecánicos

y neumáticos para el funcionamiento del sistema propuesto.

- Escoger el mejor y más eficiente diseño, el cual permita una mejor capacidad de

producción.

- Comprender el funcionamiento sistemático del proceso de llenado y tapado en envases

PET.

- Diseñar el sistema bajo los parámetros establecidos.

3. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

La compañía Tesalia Sprig Company tuvo sus orígenes en el periodo de los años 1880 – 1889;

por los beneficios saludables de sus aguas, se toma la decisión de implementar un proceso de

embotellamiento rudimentario y se inicia la comercialización del producto en lugares y ciudades

más cercanos a Machachi (Quito, Ambato, Latacunga). En la década de los años 1961 1970, la

compañía adquirió material adicional de embasado para completar la línea de embotellamiento

con el objetivo de incrementar las ventas en la región.

Hasta un tiempo la compañía utilizaba un sistema de llenado con maquinas de un ciclo por

grupo, es decir llenaba los envases por grupos, debido a esto se propone la implementación de

un sistema totalmente diferente el cual se basa en un sistema rotativo el cual consta de placas

circulares tangentes entre sí, lo cual permite una alimentación continua de dichos envases;

logrando así una mayor producción y reducción de tiempo en su proceso.

4. JUSTIFICACION



Debido a la expansión de la empresa y al lanzamiento de nuevos productos (bebidas), tanto en

dimensiones como en variedades, Tesalia se vio en la necesidad de adquirir nuevos sistemas de

producción para así mejorar su eficiencia, tiempos de respuesta y calidad en sus productos.

Es por este motivo que después de haber realizado varios estudios concluyeron que el sistema

más eficiente y apto para este proceso es el sistema ROTATIVO – PUNTOS TANGENTES que a mas

de ser de alimentación continua es versátil, ya que se lo puede modificar en distintos tamaños

de botellas.

4.1 Cuadro Comparativo

- CUADRO DE COMPARACIÓN EN SU FUNCIONAMIENTO

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

LLENADORA LINEAL LLENADORA ROTATIVA

ciclaje 8 botellas por ciclo Alimentación continua

Movimiento del envase Por bandas transportadoras

Placas tangentes

llenado Baja el sistema de llenado Sube el envase por medio de pistones

- CUADRO COMPARATIVO EN SUS CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

CARACTERISTICAS LLENADORA LINEAL

Capacidad de llenado 50 – 520 ml

Numero de tubos 8 juegos

Velocidad de llenado 50 – 60 bbl / min

Potencia 2 KW

Presión de aire 3 – 5 kg/cm2

Dimensiones (L * W * H) 3400 x 850 x 1800 mm

5. ANÁLISIS DEL PROCESO



El siguiente diagrama explica de una manera sistemática como funciona nuestra línea de

producción, en esta se detalla los pasos a seguir y su objetivo a lograr el cual es llenar los envases

y luego estos pasan a ser tapados, ambos subprocesos se encuentran automatizados en su

funcionamiento tanto de manera mecánica y neumática.

DIAGRAMA DE FLUJO LLENADO Y TAPADO

No

Si

Recepción

del envase

Ingreso del envase al

tornillo sin fin.

Entrada del envase a la

primera rueda motriz de

Sensor

Ingreso del envase a la

rueda principal

Accionamiento del sistema

de elevación neumático por

medio de sistema de biela

Desalojo del envase de la

rueda principal a otra

secundaria


de llenado

Llenado



Ingreso del envase a una

banda transportadora


rueda tercera rueda

secundaria

Ingreso del envase a la

rueda principal


de elevación y traslación

Accionamiento del tambor-

dispensador de tapas

Roscado de la tapa

Evacuación del envase de la

rueda primaria

Desalojo del envase de la

rueda principal a otra

secundaria


banda transportadora



6. DISEÑO DEL SISTEMA

6.1 Diseño Mecánico

Los parámetros a tomar en cuenta para los cálculos correspondientes son:

Diámetro de la ruedas 1: 80 plg.

Diámetro de la rueda 2= 20 plg.

o GLOSARIO

Diámetro de la rueda 1: Dr1

Diámetro de la rueda 2: Dr2

Diametrito del envase: Db

Diámetro del tornillo sin-fin: dt

Perímetro de la rueda 1: pr1

Perímetro de la rueda 2: pr2

Desplazamiento: L

Pasos: p, Pd

Diámetro gusano: Dw

Diámetro de paso de la rueda: DG

Numero de cuerdas del gusano: Nw

Angulo de desplazamiento: λ

Velocidad de línea de paso: vt

Relación de velocidad: VR

o FÓRMULAS

Cabeza a= 0.318 Px = 1/Pd

Profundidad total ht = 0.686 6Px = 2.157 / Pd

Profundidad de trabajo hk = 2a = 0.636 6Pa = 2 / Pd



Raíz b= ht – a = 0.368 3Px = 1.157 / Pd

Diámetro de ría del gusano Drw= Dw – 2b

Diametro externo del gusano Dow = Dw + 2a = Dw + hk

Diámetro de raíz del engrane DrG= DG – 2b

Diámetro de garganta del engrane Dt= DG + 2a

CALCULO DE DIMENSIONES DE GUSANO Y MECANISMO DE TORNILLO SIN FIN:

Tornillo sin fin:

ht= 1,25

ht= 0.6866Px Px= 1,25 / 0.6866 Px= 1,821 plg

ht= 2,157 / Pd Pd= 2,157 / 1,25 Pd= 1,726 plg

Cabeza:

a= 0,3183 Px = 0,3183 (1,821) a= 0,579 plg

Raíz:

b= ht – a

b= 1,25 – 0,579

b= 0,671 plg

Drw = Dw – 2b

Drw= 3 – 2(0,671)

Drw= 1,658 plg

Dow= Dw + 2b

Dow= 3 + 2(0,671)



Dow= 4,342 plg

Db = 2, 5 plg

dt = Dw = 3 plg

FG= (Dow2 – Dw2)1/2

FG= (4,3422- 32)1/2

FG= 3,139 plg

Desplazamiento:

L = Nw * Px

L= 1 * 1,821

L = 1,821 plg

Angulo de desplazamiento:

Tan λ = L / π*Dw

Tan λ = 1,821 / π*3

Tan λ = 0,193 λ = 10,936

Velocidad de línea de paso:

nw= 500 rpm

vt = π*Dw*nw / 12

vt = π*3*500 / 12

vt = 392,7 (ft/min) = 1,995 m/s



Rueda o mecanismo tornillo sin fin:

DrG= DG – 2b

DrG = 80 – 2(0,671)

DrG= 78,658 plg

Dt= DG + 2a

Dt= 80 + 2(0,579)

Dt= 81,158 plg

Dr1= 80 plg

pr1= Dr1 x π = 251, 32 plg

Dr2 = 20 plg

pr2 = Dr2 * π = 62,832 plg

Pasos:

P = π*Dg / Ng

P = π * 80 plg / 55

P = 4,57 plg

Nw = 1

Relación de velocidad:

VR = NG / NW

VR = 55 / 1

VR = 55

nG = nW / VR

nG = 500 / 55

nG = 9,091 rpm



Velocidad de desplazamiento:

Vs = VTW / cos λ

Vs = 392,7 (pies/min) / cos 25,858

Vs = 436,393 pies/min

CÁLCULO DEL PESO:

ENVASE:

V = 500 cm3

δ H2O = 1000 kg/m3

m = δ H2O * V

m= 1000 (kg/m3) * 5 x 10-4 m3

m = 0,5 kg

masa total de botellas = 52 * 0,5 kg

masa total de botellas = 26 kg

Peso de las placas:

Material: Acero inoxidable

e= 0,5 cm = 0,197 plg

D1 = 80 plg * 2 = 160 plg

D2= 20 plg * 4 = 80 plg

V1 = 0,016 m3 * 2 = 0,032 m3

V2 = 0,001 m3 * 2 = 0,002 m3

Vtot1 = V1 + V2 = 0,032 + 0,002 = 0,034 m3

δ ACERO = 7800 kg / m3



mtot2 = δ ACERO * Vtot1

mtot2 = 7800 kg / m3* 0,034 m3

mtot2 = 265,2 kg

6.2 Diseño neumático

Circuito de Potencia del cilindro de la llenadora:



Diagrama de Estado:

Cálculo de caída de presión y longitudes equivalentes:

Tramo A-B

Presión: 6 bar

A0 A1

4 2

1 3

A+ A-

40%

40%

4 2

1 3

P1 P2

U 1

U 2

2

1 3

A12

1 3

A0

2

1 3O N

0 2 4 6 8 10

mm

20

40

60

80

100

Cilindro doble ef ecto

Denominación del componente Marca



Caudal: 137 l/s

Diámetro de la tubería: 50 mm

Resistencia no repetida para codos y accesorios de tuberías. Longitud equivalente (m)

ACCESIRIO CANTIDAD COEFICIENTE LONG. EQUIVALENTE

Curva de 90º 3 0,6 1,8

Válvula de esfera 1 0,6 0,6

1 filtro 1 7 7

1 “T” 1 0,5 0,5

9,9

NOTA: Para la utilización de los coeficientes se recurre a la tabla de resistencia no repetida para

codos y accesorios de tubería del manual de instalaciones de aire comprimido de Atlas Copco

(tabla adjunta en anexos ref-1).

TABLA PARA EL CÁLCULO DE NECESIDAD DE AIRE

HERRAMIENTAS CONSUMO

AIRE L/S CANTIDAD DE

PIEZAS GRADO DE

UTILIZACION NECESIDAD

DE AIRE

Cilindros de doble efecto 10 55 0,25 137,5

Total necesidad de aire 137,5

Correcciones -

Desgaste de las herramientas 5% 6,875

Fugas 10% 13,75

Expansión 30% 41,25

NECESIDAD DE AIRE PARA FINES DE DIMENSIONAMIENTO (L/S) 199,375

NOTA: Para la determinación de la necesidad de aire para las herramientas recurrimos a la tabla

de consumo de aire y grado de utilización para herramientas de aire comprimido del manual de

instalación de aire comprimido de Atlas Copco (tabla adjunta en anexos ref. - 2).

PARTE DE LINEA

Tramo A-B

Presión (bar) 4,5



Flujo (l/s) 199,375

Longitud (m) 11

DATOS PRELIMINARES

Dimensión (mm) 50

Caída de presión (bar) 0,015

CORRECCION DE RESISTENCIA REPETIDA

Longitud equivalente (m) 9,9

Corregida (m) 20,9

Dimensión (mm) 50

Caída de presión corregida (bar) 0,02

NOTA: Para realizar el calculo de la caída de presión utilizamos el Diagrama de caída de presión del

manual de aire comprimido de Atlas Copco (tabla adjunta en anexos, ref.3)

- CALCULO DEL PISTON:

-Presión del la línea (P1): 6 bar

- presión de embasado (P2): 4.5 bar

- diámetro de la botella 50 mm

𝑃 = 𝐹

𝐴=

𝐹

𝜋 ∗𝑑2

4

𝐹 = 𝑃 ∗ 𝜋 ∗𝑑2

4

𝐹 = 450000 𝑃𝑎 ∗ 𝜋 ∗0.052

4

F = 883,57 (N)

Diámetro del embolo:



𝑃 = 𝐹

𝐴=

𝐹

𝜋 ∗𝑑2

4

𝑑 = √𝐹 ∗ 4

𝑃 ∗ 𝜋

𝑑 = √883,57 𝑁 ∗ 4

600000 𝑃𝑎 ∗ 𝜋

d= 0,043 m = 4,33 cm

- CALCULO DE LA POTENCIA (COMPRESOR):

𝐻𝑃 =𝑄 ∗ 𝐻

75 ∗𝜂%100

η: eficiencia recomendada 60%

𝐻𝑃 =199,375 𝑙/𝑠 ∗ 4,58 𝑚𝐻2𝑂

75 ∗60

100

HP = 2,03306

HP = 2,1

6.3 sistema de control

El sistema de control aplicado a nuestro diseño son dirigidos a:

Sistema de ingreso y transporte del envase:

Sistema de llenado del envase:

start Ingreso

del

envase

Sensor

mecánico

Actuador

lineal



Si

No

7. SELECCIÓN DE COMPONENTES

- Pistón: para la selección del pistón, tomamos en cuenta los siguientes parámetros:

o Diámetro del embolo (43,3 mm) – tomamos el diámetro comercial disponible en

este caso de diámetro 50 mm.

o Fuerza

o Recorrido

o Material

Después de lo expuesto usamos el catalogo para cilindros de doble efecto de acero

inoxidable de la compañía FESTO.

Como resultado se decidió escoger el cilindro cuya denominación es: cilindro redondo

CRHD, acero inoxidable

Actuador

lineal

Sensor de

presión

Llenado

No

llenado



NOTA: para mayor información recurrimos a las hojas de datos del catalogo de cilindros inoxidables

de la compañía FESTO (tabla adjunta en anexos, ref-2).

- Compresor: para la selección del compresor definimos los siguientes parámetros:

o presión de trabajo

o caudal requerido

o potencia



- Tubería: para la selección de la tubería definimos los siguientes parámetros, el material

recomendado es acero inoxidable o cobre:

o diámetro requerido

o caudal

o presión de trabajo

- placas transportadoras (sistema de traslación del envase):

o Debido a que el proceso entra en la rama de procesamiento de alimentos es

estricto el uso de materiales como el acero inoxidable, puesto que este material

nos brinda mayor asepsia en el producto.

8. ANÁLISIS DE RESULTADOS

o El sistema de llenado rotativo nos entrega una mayor eficiencia tanto en el llenado como

en el abastecimiento del liquido (producto).

o Se mejoraron los tiempos

o Se versatilizo el uso del sistema, es decir se lo puede acoplar para nuevos envases de

diferentes tamaños.

o Se paso de alimentación lineal por ciclaje a alimentación continua por medio de rodetes

unidos tangencialmente.

9. ANÁLISIS FINANCIERO

COTIZACION:

A continuación se presenta un listado de precios de los principales accesorios que se van a

utilizar, calculando un valor total tentativo de la instalación.

TABLA DE ACCESORIOS PRINCIPALES

CANTIDAD

ACCESORIO Ф 50 (mm) – 2 (plg)

Válvula de paso 2



Tubo en “T” paso 1

Curva 90º 5

Filtro- separador 2

Tubería – (m) 19

TABLA DE COSTO DE ACCESORIOS

Ф 50 (mm) – 2 (plg)

ACCESORIO Cantidad Precio unitario (USD) Precio total (USD)

Válvula de paso 2 30,00 60,00

Tubo en “T” paso 1 28,30 28,30

Curva 90º 5 20,46 102,30

Filtro- separador 2 547,76 1095,52

Tubería – (tubos/6m) 3,5 28,71 100,48

1386,61 TABLA DE COSTOS PARTES PRINCIPALES

PARTES DEL SISTEMA Cantidad Precio unitario (USD) Precio Total (USD)

Cilindros de doble efecto 55 225 12375

compresor 1 10550 10550

Placas de acero inoxidable 4 3550 14200

37125

Costo total tentativo:

CT = tabla 1 + Tabla 2

CT= 1386,61 + 37125

CT = 38511 USD

10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

o Conclusiones

Se logro automatizar el llenado de los envases por medio de un sensor que

funciona a base de diferencia de presiones, el cual si el envase no se encuentra

en la posición correcta la llenadora no efectúa el proceso.



Se implemento para la elevación de los pistones un sensor junto con un

temporizador en lugar de un fin de carrera el cual rea activado de manera

mecánica con una leva en la periferia del sistema rotativo.

Se comprobó la mayor eficiencia y una reducción de tiempo notable al

reemplazar un sistema rotativo en lugar de un sistema lineal.

El sistema rotativo es mucho mas versátil que el lineal en el tema de cambio de

envases (tamaño).

11. BIBLIOGRAFIA

- Manual de instalación de Aire comprimido – Atlas Copco

- Catalogo de cilindros de acero inoxidable – FESTO

- Catalogo de compresores – Atlas Copco

- Diseño de elementos mecánicos - Mott 3ra Ed.

ANEXOS:

REF1.



REF2.



REF3.

hidraulica-diseño de un sistema rotativo de llenado

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