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.