trabajo previo a la obtenciÓn del tÍtulo de ingeniero en...
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
IMPLEMENTACIÓN Y DISEÑO DE UN TANQUE DE
REFRIGERACIÓN DE LECHE EN HACIENDA EL BELÉN
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
INGENIERO EN MECATRÓNICA
CHRISTIAN FERNANDO MARTÍNEZ MÁRMOL
DIRECTOR: PHD. DANIEL MIDEROS
Quito, Mayo
2014
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2014
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo, Christian Fernando Martínez Mármol, declaro que el trabajo aquí descrito
es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado
o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas
que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
______________________
Christian Martínez
1717182388
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Implementación y
diseño de un tanque de refrigeración de leche en hacienda El Belén”,
que, para aspirar al título de Ingeniero Mecatrónico fue desarrollado por
Christian Martínez, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de
Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el
reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________
PHD. Daniel Mideros
DIRECTOR DEL TRABAJO
171317732-5
AGRADECIMIENTO
Al finalizar un trabajo tan arduo, lleno de complicaciones y con gratas
recompensas es un verdadero placer expresar de manera sincera a quienes
hicieron realidad esta meta en mi vida académica y personal.
Agradezco a mis padres, Estuardo y Janeth, por su amor, comprensión y
apoyo incondicional, ya que con su ejemplo me han enseñado a que con
esfuerzo y dedicación se obtienen grandes resultados.
A mi hermano, Diego, por su apoyo y sus valiosos consejos; a mi abuelita
Marina, por cuidar de mí y siempre desearme cosas buenas en mi vida.
A mi novia, Andrea, por ser un pilar fundamental en mi vida, por su apoyo, su
ayuda, su amor, paciencia y sobre todo por siempre estarme impulsando
para superarme y hacer las cosas correctamente, gracias amor por
enseñarme a ser una persona de bien y por el tiempo que comparte
conmigo.
A mis profesores, que participaron en mi desarrollo profesional a lo largo de
toda mi carrera pero sobre todo a mi tutor de tesis, Dr. Daniel Mideros, por
su tiempo y por haberme guiado a lo largo de todo el desarrollo de este
proyecto.
A mi primo, José, por haberme abierto las puertas de su hacienda para
poder llevar a cabo el desarrollo de mi proyecto.
DEDICATORIA
Dedico la presente investigación y toda mi carrera universitaria a mis Padres,
ya que con su ejemplo me han impulsado a superarme e ir escalando
peldaños de superación a lo largo de mi vida.
Todo este esfuerzo fue por ustedes, porque gracias a ustedes he podido ir
creciendo día tras día en mi formación académica y personal, porque me
han enseñado que para llegar lejos uno tiene que plantearse metas y
cumplirlas pero destacándose del resto de personas.
Gracias a mis padres hoy soy lo que soy y me siento orgulloso de tenerlos
siempre a mi lado.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
1. INTRODUCCIÓN I
OBJETIVO GENERAL 3
OBJETIVOS ESPECÍFICOS 3
2. MARCO TEÓRICO 5
2.1 TANQUES DE LECHE ............................................................................................... 5
2.2 REFRIGERACIÓN DE LA LECHE ............................................................................ 8
2.3 TÉCNICAS DE REFRIGERACIÓN ....................................................................... 12
2.4 CONTROLADOR DE TEMPERATURA CON TIMER CÍCLICO Y MONITOR
DE TENSIÓN (MT-516CVT) ........................................................................................... 14
3. METODOLOGÍA 5
3.1 ANÁLISIS DE REQUERIMIENTO DEL PROYECTO ....................................... 19
3.2 DISEÑO GENERAL ............................................................................................ 19
3.2.1 COMPONENTE MECÁNICO ................................................................................... 19
3.2.2 COMPONENTE DE CONTROL .............................................................................. 21
3.2.3 COMPONENTE ELÉCTRICO ................................................................................. 22
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS 17
4.1 DISEÑO DEL SISTEMA MECÁNICO ............................................................... 23
4.1.1 TANQUE ..................................................................................................................... 23
4.1.2 DIMENSIONAMIENTO DEL AGITADOR ............................................................... 26
4.1.3 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN ............................................................................ 30
4.2 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL ............................................................. 34
4.3 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO ................................................................ 37
4.4 FACTIBILIDAD ECONÓMICA ............................................................................ 38
4.4.1 COSTO DEL DESARROLLO ELÉCTRICO ........................................................... 39
4.4.2 COSTO DEL DESARROLLO MECÁNICO ............................................................ 39
4.4.3 COSTO DEL DESARROLLO DEL EQUIPO .......................................................... 40
4.4.4 TABLA DE AMORTIZACIÓN RECUPERACIÓN DE CAPITAL .......................... 41
ii
5. PRUEBAS DEL EQUIPO 22
5.1 DÍA PRIMERO ...................................................................................................... 44
5.2 DÍA SEGUNDO ..................................................................................................... 45
5.3 DÍA TERCERO ...................................................................................................... 45
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDASIONES 51
6.1 CONCLUSIONES ................................................................................................. 48
6.2 RECOMENDACIONES ........................................................................................ 49
iii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1: Influencia de la temperatura de conservación en el crecimiento
bacteriano en leche cruda almacenada en granja……............. .9
Tabla 2: Evolución del contenido de gérmenes en la leche durante un
período de almacenamiento de 72 horas……………..……....... 10
Tabla 3: Evolución del contenido de gérmenes en la leche durante un
período de 48 horas con una temperatura de 4º C……………..11
Tabla 4: Parámetros para configuración y monitores del controlador de
temperatura……………………………………………….................15
Tabla 5: Selección de unidades compresoras DANFOSS ......................... 35
Tabla 6: Elementos de control para grafcet ............................................... 35
Tabla 7: Materiales desarrollo eléctrico ..................................................... 39
Tabla 8: Materiales desarrollo mecánico ................................................... 40
Tabla 9: Costo total del desarrollo del equipo ............................................ 40
Tabla 10: Retorno del capital ...................................................................... 41
Tabla 11: Gastos generales ......................................................................... 42
Tabla 12: Tabla de amortización .................................................................. 42
Tabla 13: Pruebas del equipo primer día ..................................................... 44
Tabla 14: Pruebas del equipo segundo día ................................................. 45
Tabla 15: Pruebas del equipo tercer día ...................................................... 46
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1: Tanque cilíndrico horizontal. .......................................................... 7
Figura 2: Tanque cilíndrico vertical ............................................................... 7
Figura 3: Evolución del contenido de gérmenes en la leche ...... …………...10
Figura 4: Ciclo de refrigeración por absorción……… … ……………………12
Figura 5: Ciclo de refrigeración por compresión. ..................................... 13
Figura 6: Esquema de conexión del controlador MT-16CVT…… ………….17
Figura 7: Diagrama de la Metodología Mecatrónica (National Instrument) . 18
Figura 8: Diseño de la estructura del prototipo ........................................... 24
Figura 9: Prototipo real ............................................................................. 255
Figura 10: Análisis de factor de seguridad del tanque ................................. 30
Figura 11: Análisis de tensiones de Von Mises del tanque .......................... 30
Figura 12: Agitador de leche ........................................................................ 30
Figura 13: Análisis de factor de seguridad del agitador ............................... 30
Figura 14: Análisis de tensiones de Von Mises del agitador ........................ 31
Figura 15: Unidad condensadora ................................................................. 38
Figura 16: Controlador MT-16CVT ............................................................... 38
Figura 17: Grafcet del tanque de refrigeración de leche .............................. 35
Figura 18: Esquema de control del tanque de refrigeración de leche .......... 36
Figura 19: Diagrama de fuerza del tanque de refrigeración de leche .......... 38
Figura 20: Comportamiento de temperatura vs tiempo (horas).................... 47
v
ÍNDICE DE ANEXOS
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Anexo 1 Tanque de leche ........................................................................... 52
Anexo 2: Motores 1800 rpm, 4 polos (marca SIEMENS) ............................. 57
Anexo 3: Reductores helicoidales - ejes coaxiales (marca FLENDER) ....... 58
Anexo 4: Agitadores Serie TA velocidad lenta (TIMSA) ............................... 58
Anexo 5: Unidad Compresora ...................................................................... 59
Anexo 6: Manual de uso del equipo ............................................................. 59
vi
RESUMEN
La calidad y la producción de la leche es un desafío internacional y nacional,
predominando los países industrializados con más del 80% de su mercado y
principalmente los que integran la Unión Europea. En el Ecuador, la Sierra
aporta con el 73% de la producción nacional de leche, motivo por el cual el
proyecto se lo realizó en Hacienda El Belén ubicada en Machachi.
Esta investigación, estudia: el diseño y construcción de un tanque de leche
para prolongar la vida útil de esta materia prima y evitar la proliferación de
bacterias causadas por un mal proceso de refrigeración y almacenamiento.
En el primer capítulo, se presenta una investigación sobre los componentes
principales para obtener un tanque le refrigeración y las causas para que la
leche se desperdicie.
En el segundo capítulo, se describen los diferentes tipos de tanques de
leche que existen en el mercado. Como también, la explicación de los tipos
de refrigeración que existen y una explicación del sistema de refrigeración.
En el tercer capítulo, se realizó un análisis de requerimiento del proyecto, en
el que se explicó detalladamente lo que se desarrolló en cada parte del
proyecto basándose en la metodología mecatrónica.
En el cuarto capítulo, se explica detalladamente el dimensionamiento que se
hizo y los cálculos que se desarrollaron para obtener un tanque de
refrigeración de leche que cumple con los parámetros necesarios para
alargar la vida de esta materia prima.
En el quinto capítulo, se desarrollaron pruebas del equipo para verificar que
el funcionamiento sea en base a lo planteado por el dueño de la hacienda.
El sexto capítulo, es el manual de uso del equipo, con esto se pretende que
cualquier persona sin necesidad de tener conocimiento técnico pueda tener
una idea del uso del tanque de refrigeración.
vii
SUMMARY
The quality and production of milk is an international and national challenge,
predominantly industrialized countries more than 80% of its market and
mainly comprising the European Union. In Ecuador, the Sierra contributes to
73% of national milk production, which is why the project was conducted in
Hacienda El Belén localized in Machachi.
This research study: design and construction of a milk tank to prolong the life
of this raw material and prevent the proliferation of bacteria caused by poor
refrigeration and storage process.
An investigation of the main components is presented in the first chapter, a
tank for cooling and it causes milk to go to waste.
In the second chapter, the different types of milk tanks on the market are
described. As well, the explanation of the cooling rates that exist and an
explanation of the cooling system.
In the third chapter, an analysis of project requirement was made, which was
explained in detail what took place in each part of the project based on
mechatronics methodology.
In the fourth chapter explains in detail the sizing was done and the
calculations were carried out to obtain a milk cooling tank that meets the
required parameters to extend the life of this raw material.
In the fifth chapter, developed equipment tests to verify that the operation is
based on the issues raised by the owner of the farm.
i
1. INTRODUCCIÓN
1
Los tanques para refrigeración son dispositivos que sirven para mantener a
la leche bajo condiciones propicias para el consumo humano, alargando el
periodo de descomposición de los lácteos e inhibiendo el crecimiento de
bacterias que proliferan en el mismo.
El propósito del diseño, construcción y validación del desempeño de un
tanque de refrigeración de leche cruda, se centró en la producción lechera
que se genera en Hacienda El Belén.
El equipo está formado por tres conjuntos constitutivos, así:
Sistema de refrigeración: conformado por unidad compresora, condensador
enfriado por aire, difusor o evaporador y agitador.
Sistema de conservación: compuesto por un tanque cilíndrico de acero
inoxidable AISI 304, con capacidad de 1240 litros, de doble camisa y aislado
con poliuretano para conservación del ambiente frío.
Sistema de Control: conformado por un controlador de temperatura con
timer cíclico y monitor de tensión el mismo que controla el accionamiento y
desconexión del agitador, relé térmico de 11-16 amperios , contactor de 12
amperios, selector de dos posiciones, disyuntor dos polos de 16 amperios,
luz piloto color rojo y verde de 220 VAC.
El principal problema se debe a que en Ecuador existe una producción
descontrolada de leche, debido a que no hay ningún organismo que regule la
producción y distribución del mismo.
Las empresas nacionales que se dedican a la comercialización y distribución
de este producto prefieren importar la materia prima debido a que su costo
es mucho menor, es por esta penosa razón que las pequeñas empresas
productoras en Ecuador se ven obligadas a botar o regalar leche a los
2
moradores más cercanos porque no pueden almacenarla por periodos
largos.
La calidad microbiológica de las leches crudas depende en gran medida de
su carga bacteriana inicial y del tiempo que tarde en aplicarse la cadena de
frío.
Para la International Commission on Microbiological Specifications for Foods
ICMSF (2008), “el único medio de prolongar la vida útil de la leche cruda
manteniendo sus características originales, previniendo o inhibiendo el
crecimiento de las bacterias lácticas causantes de la acidificación de la
leche, es a través del enfriamiento” (ICMSF. (2011).www.icmsf.org.
Recuperado el 05-12-2013,
http://www.icmsf.org/pdf/FSO%20Ojectives/GuiaSimplificadosp.pdf.)
En el país existen muchas empresas que fabrican equipos de refrigeración,
cada cual con características especiales que hacen que se difieran uno del
otro pero con un valor muy elevado, es por esto que se decidió construir un
equipo que se adapte a las necesidades existentes en Hacienda El Belén
tratando de abaratar el precio pero con un producto de calidad y fácil de
operar.
El equipo sugerido para contribuir a la solución de la problemática
evidenciada se diseñó y ajustó a las condiciones de producción y manejo de
la leche cruda en la Hacienda, generando de esta manera una mejora
considerable en la calidad de leche y un tiempo de vida de la misma mucho
más prolongado, ya que gracias al sistema de refrigeración que brindará el
equipo, la leche se podrá mantener a una temperatura constante de entre 3
a 5oC que son los recomendables para la conservación de este producto.
3
Objetivo General
Diseñar e implementar un tanque de refrigeración de leche
automatizado para hacienda El Belén.
Objetivos Específicos
Diseñar el tanque con un almacenamiento máximo de 1240 litros bajo
norma ASME.
Diseñar el sistema de refrigeración dimensionado para la capacidad
de trabajo del tanque.
Implementar un sistema óptimo de control de temperatura.
Desarrollo de un sistema HMI.
Con este trabajo se pretende realizar una investigación, en el área de la
automatización, específicamente un equipo que permita alargar la vida útil
de la leche.
Se realizó el diseño y construcción de un equipo que presente las siguientes
características:
En el desarrollo mecánico del equipo se decidió que el material del
tanque es acero inoxidable AISI 304 y el tipo de aislamiento a usar
para mantener la leche bajo una temperatura deseada es poliuretano,
el tanque tiene 1.5metros de diámetro externo, 1.325 metros de
diámetro interno, 1metro de altura externa incluida las bases que
sirven como soporte y nivelación del equipo y 0.9 metros de altura
interna debido a que el volumen de líquido a almacenar es de 1240
litros.
El sistema eléctrico, el mismo que se encarga de proteger el equipo,
está compuesto por: disyuntor (interruptor automático accionados por
4
sobrecargas de un circuito), contactor (componente electromecánico
capaz de cortar la alimentación eléctrica y ser accionados a
distancia) y relé térmico (dispositivo diseñado para la protección de
motor contra sobrecarga, fallo de alguna fase y diferencias de cargas
entre fases).
Para el control del proceso se utilizó un equipo FULL GAUGE MT-
516CVT cuya función es mantener siempre a temperatura deseada al
líquido (3-5 grados centígrados) y agitarlo para evitar acumulación de
grumos.
El equipo tiene aplicaciones básicas como agitar la leche cada 5 minutos por
un lapso de 1 minuto, encender el compresor cada que la leche aumente los
5 grados centígrados, los mismos necesitan de muchos componentes
eléctricos y electrónicos, es por esto que el costo del proyecto es mucho
menor que un equipo ya comercializado por cualquier empresa como
Implementos Agropecuarios, Infaine, Allbiz, entre otras empresas.
El valor total del proyecto es de $6329.98 el mismo que será recuperado al
cabo de un año por el ahorro que se genera del almacenamiento correcto y
distribución de leche, evitando los desperdicios generados por la
descomposición de la materia prima.
5
2. MARCO TEÓRICO
5
Esta parte de la investigación corresponde al análisis bibliográfico,
inicialmente se realiza un análisis de otros tipos de tanques que existen en el
mercado y las características del sistema de refrigeración que se va a
implementar en Hacienda El Belén tomando como referencia las normas
ASME para el diseño y cálculo de tanques de almacenamiento, luego se
presenta las características de los componentes que se utilizan para la
implementación de todo el sistema, una breve síntesis acerca de
refrigeración de leche y por último una descripción del sistema de control.
La materia prima (leche) para que se mantenga siempre libre de bacterias y
que no entre a un proceso de descomposición tiene que tratarse bajo ciertos
parámetros como son:
El tanque de leche tiene que estar aislado con una capa de
poliuretano.
Mantenerse siempre entre una temperatura de 3 a 5 grados
centígrados.
Se tiene que agitar cada 5 minutos para evitar la acumulación de
grumos y proliferación de bacterias.
2.1 TANQUES DE LECHE
Los tanques de almacenamiento se usan como depósitos para contener una
reserva suficiente de algún producto para su uso posterior y/o
comercialización, consiste en una tina interior y otra exterior, realizadas en
acero inoxidable de calidad alimenticia.
El tanque de expansión directa, soldado en el interior, tiene un sistema
(evaporador) de placas y tubos en los que circula gas refrigerante (R22), el
mismo que absorbe el calor del líquido contenido en la tina (la leche).
6
Además un compresor y una grilla de condensación en la que también
circula gas refrigerante.
El espacio entre las dos tinas está recubierto de una espuma de poliuretano
aislante ya que si llega a existir algún problema de electricidad y con una
temperatura exterior de 30º, el contenido no debería recalentarse a más de
1º por cada 24 h.
Para permitir un enfriado rápido y adecuado de la totalidad del contenido de
la tina, cada tanque está equipado de al menos un agitador, la agitación de
la leche permite que toda la leche en el interior de la tina quede homogénea
y a la misma temperatura.
En lo alto del tanque cerrado hay un visor para su inspección y para la
limpieza manual, si fuera necesario.
Los tanques de almacenamiento, se clasifican en:
Cilíndricos horizontales.
Cilíndricos verticales de fondo plano.
2.1.1 Cilíndricos horizontales
Los Tanques cilíndricos horizontales como se puede observar en la figura 1,
generalmente son de volúmenes relativamente bajos, debido a que
presentan problemas por fallas de corte y flexión.
Por lo general, se usan para almacenar volúmenes pequeños ya que el área
de enfriamiento del líquido dentro del tanque no es uniforme por el tamaño
del mismo.
El mantenimiento y limpieza de este tipo de tanques es mucho más sencillo
ya que es más cómodo al momento de la limpieza.
7
Figura 1: Tanque cilíndrico horizontal.
2.1.2 Cilíndricos verticales de fondo plano
Como se puede observar en la figura 2, los tanques cilíndricos verticales de
fondo plano permiten almacenar grandes cantidades volumétricas con un
costo bajo. Con la limitante que solo se pueden usar a presión atmosférica o
presiones internas relativamente pequeñas.
Es de fácil montaje en cualquier Hacienda ya que el espacio que ocupa es
mucho menor.
Figura 2: Tanque cilíndrico vertical
8
Estos tipos de tanques se clasifican en:
- De techo fijo.
- De techo flotante.
- Sin techo.
2.2 REFRIGERACIÓN DE LA LECHE
“El mejor sistema, y prácticamente el único, de almacenar y conservar la
leche en la hacienda desde el ordeño hasta la recolección es enfriarla a una
temperatura suficientemente baja y durante un tiempo limitado.” (UPM.
(2009).http://ocw.upm.es/producción-animal).
La eficacia del enfriamiento para mantener la calidad de la leche depende de
varios factores como son:
Temperatura de conservación
Período de almacenamiento
Contaminación inicial
Velocidad de enfriamiento
2.2.1 Temperatura de conservación
Enfriar la leche a una temperatura entre 3 y 4º C retarda el crecimiento de
los gérmenes tal y como se puede observar en el Cuadro 1. Actualmente se
recomienda en la mayoría de los países una temperatura de conservación
de la leche de 4º C como la más eficaz para controlar el crecimiento
bacteriano. Una temperatura inferior a 3º C puede dar lugar a fenómenos de
congelación que deben ser evitados, pues pueden alterar la composición y
calidad de la leche.
9
Tabla 1: Influencia de la temperatura de conservación en el crecimiento bacteriano en leche cruda almacenada en granja.
Leche almacenada durante 24 h, a
una temperatura de: (en oC)
Bacterias - ml
0 2400
4 2500
5 2600
6 3100
10 11600
13 18800
16 180000
20 450000
30 1400000000
35 25000000000
Fuente: Davies, 1995
2.2.2 Periodo de almacenamiento
Independientemente de la temperatura a la que se conserve la leche, cuanto
más largo es el período de almacenamiento mayor es el crecimiento
bacteriano. Este hecho se puede comprobar prácticamente en la Tabla 1.
Los ganaderos con recogida cada dos días deben tener bien presente que
cualquier temperatura de conservación por encima de 5 ºC puede ser la
causa de no obtener una buena calidad bacteriológica de la leche en el
momento de la recogida.
10
Figura 3: Evolución del contenido de gérmenes en la leche en función de la temperatura de conservación y del período de almacenamiento. (Alonso, 1996)
Al almacenar la leche se expone a que la cantidad de bacterias que se
encuentran dentro del líquido proliferen y por esta causa comience un
proceso de descomposición, mientras mayor sea la temperatura a la que se
encuentre el líquido y mayor sea el tiempo que permanezca almacenada la
cantidad de bacterias es mucho mayor provocando que ya no sea apto para
el consumo humano y que se genere un desperdició del mismo.
2.2.3 Contaminación inicial
El número de gérmenes que ya están presentes en la leche cuando empieza
el enfriamiento es un factor que tiene gran importancia para obtener buenos
resultados (Tabla 2).
Tabla 2: Evolución del contenido de gérmenes en la leche durante un período de almacenamiento de 72 horas
CONDICIONES
DE
PRODUCCIÓN
T DE
ALMACENAJE
oC
RECIÉN
ORDEÑADA
24
HORAS
48
HORAS
72
HORAS
Vacas y
equipos limpios
4.4
10
15.5
4.295
4.295
4.295
4.138
13.961
1587.333
4.566
127.727
33011.11
1
8.427
5725.277
3265000
Vacas y
equipos poco
limpios
4.4
10
15.5
136.533
136.533
136.533
281.646
1170,546
24673.571
538.775
13662.11
5
639884.6
15
749.030
25687.54
1
2407033.
333
Fuente: Argente 1984
11
Lo expuesto demuestra que para obtener leche de buena calidad
bacteriológica no basta con enfriarla y mantenerla fría, sino que también hay
que realizar todo el proceso del ordeño y el almacenamiento con una higiene
rigurosa, por lo que los malos resultados no son necesariamente debidos a
un mal funcionamiento del tanque refrigerante.
2.2.4 Velocidad de enfriamiento
La velocidad del enfriamiento inicial de la leche es otro de los factores que
influyen en el número total de gérmenes, ya que no es lo mismo un
enfriamiento prácticamente instantáneo que uno de mayor duración (Tabla 3)
Tabla 3: Evolución del contenido de gérmenes en la leche durante un período de 48 horas con una temperatura de 4º C
Contaminación
inicial
(gérmenes-ml)
25.000
75.000
125.000
24h 48h 24h 48h 24h 48h
Enfriamiento
instantáneo
22.000 23.500 79.500 87.750 132.500 188.250
Enfriamiento en 3
horas
23.000 25.500 87.000 101.250 212.500 496.250
Enfriamiento en 5
horas
25.250 30.200 115.500 237.750 273.400 613.800
Fuente: Luquet, 1985
El crecimiento de bacterias es muy lento en el lapso de las primeras dos
horas (fase bacteriostática), para ir posteriormente aumentando de forma
rápida. Por ello, hay que aprovechar este período para enfriar la leche hasta
la temperatura de conservación, como se observa en la tabla 3 existen
algunos parámetros que intervienen en el crecimiento de las bacterias como
son: tiempo de enfriamiento y la contaminación inicial que existe dentro del
depósito.
12
Es por estos motivos que mientras mayor sea el tiempo que se demora en
enfriar la leche y mayor sea la contaminación inicial que exista dentro del
tanque el número de gérmenes por litro aumentará.
2.3 TÉCNICAS DE REFRIGERACIÓN
El modo más utilizado para el enfriamiento artificial de espacios cerrados, se
consigue mediante los métodos de compresión y de absorción. El método
por compresión es el más utilizado, puesto que el método por absorción solo
se suele utilizar cuando hay una fuente de calor residual o barato.
2.3.1 Refrigeración por absorción
El sistema de refrigeración por absorción como se ve en la figura 4 es un
medio de producir frío que, al igual que en el sistema de refrigeración por
compresión, aprovecha que las sustancias absorben calor al cambiar de
estado, de líquido a gaseoso. Así como en el sistema de compresión el ciclo
se hace mediante un compresor, en el caso de la absorción, el ciclo se basa
físicamente en la capacidad que tienen algunas sustancias, como el bromuro
de litio, de absorber otra sustancia, tal como el agua, en fase de vapor.
Otra posibilidad es emplear el agua como substancia absorbente y amoníaco
como substancia absorbida.
Figura 4: Ciclo de refrigeración por absorción. (Caib, 2006)
13
Este proceso se convierte en un ciclo sin fin en el que el agua (refrigerante),
que se mueve por un circuito a baja presión, se evapora en un
intercambiador de calor, llamado evaporador. La evaporación necesita calor,
que obtiene en un intercambiador en el que refrigera un fluido secundario
(normalmente, también agua), que se lleva por una red de tuberías a enfriar
los ambientes o cámaras que interese. Tras el evaporador, el bromuro de
litio absorbe el vapor de agua en el absolvedor, produciendo una solución
diluida o débil de bromuro en agua. Esta solución pasa al generador, donde
se separan disolvente y soluto mediante calor procedente de una fuente
externa; el agua va al condensador, que es otro intercambiador donde cede
la mayor parte del calor recibido en el generador, y desde allí pasa de nuevo
al evaporador, a través de la válvula de expansión; el bromuro, ahora como
solución concentrada en agua, vuelve al absolvedor para reiniciar el ciclo.
2.3.2 Refrigeración por compresión
La refrigeración por compresión es un método de refrigeración que consiste
en forzar mecánicamente la circulación de un refrigerante en un circuito
cerrado creando zonas de alta y baja presión con el propósito de que el
fluido absorba calor en el evaporador y lo ceda en el condensador.
Figura 5: Ciclo de refrigeración por compresión (Bellés, 2009).
14
La refrigeración por compresión evidenciada en la figura 5 se logra
evaporando un gas refrigerante en estado líquido a través de un dispositivo
de expansión dentro de un intercambiador de calor, denominado evaporador.
Para evaporarse este requiere absorber calor latente de vaporización. Al
evaporarse el líquido refrigerante cambia su estado a vapor. Durante el
cambio de estado el refrigerante en estado de vapor absorbe energía
térmica del medio en contacto con el evaporador, bien sea este medio
gaseoso o líquido. A esta cantidad de calor contenido en el ambiente se le
denomina carga térmica. Luego de este intercambio energético, un
compresor mecánico se encarga de aumentar la presión del vapor para
poder condensarlo dentro de otro intercambiador de calor conocido como
condensador y hacerlo líquido de nuevo. En este intercambiador se liberan
del sistema frigorífico tanto el calor latente como el sensible, ambos
componentes de la carga térmica. Ya que este aumento de presión además
produce un aumento en su temperatura, para lograr el cambio de estado del
fluido refrigerante y producir el subenfriamiento del mismo es necesario
enfriarlo al interior del condensador; esto suele hacerse por medio de aire
y/o agua conforme el tipo de condensador, definido muchas veces en
función del refrigerante. De esta manera, el refrigerante en estado líquido,
puede evaporarse nuevamente a través de la válvula de expansión y repetir
el ciclo de refrigeración por compresión.
2.4 CONTROLADOR DE TEMPERATURA CON TIMER CÍCLICO Y
MONITOR DE TENSIÓN (MT-516CVT)
Este dispositivo es capaz de controlar e indicar temperatura, pudiendo ser
configurado para refrigeración o calefacción. Posee un temporizador (timer)
cíclico y un monitor de tensión.
A través de algunos parámetros es posible determinar límites de tensiones,
que cuando son sobrepasados, después de algunos segundos la salida del
termostato y del timer cíclico será apagada.
15
Usando la tecnología de la medida de TRUE RMS el valor es capaz de medir
tensiones en las situaciones más diversas de la red eléctrica, así
garantizando una precisión más grande en la protección de componentes de
la aplicación.
a. Aplicaciones
Tanques enfriadores de leche
Cámaras y refrigeradores comerciales
Bombas de calor
b. Especificaciones técnicas
Alimentación eléctrica: 220 Vac (60 Hz)
Temperatura de control: -50 hasta 105 oC
Corriente máxima de salida (5 A)
Dimensiones: diámetro 60 mm y profundidad 40 mm
Temperatura de operación: 0 hasta 50 oC
Humedad de operación: 10 hasta 90%
Tabla 4: Parámetros para configuración y monitores del controlador de temperatura
FUNCION DESCRIPCIÓN MINIMO MAXIMO ESTANDAR
F01 Código de acceso (123) - - -
F02 Corriente de indicación (offset) -20oC 20oC 0oC
F03 Modo de operación 0-refrig. 1-calefac. 0-refrig.
F04 Límite mínimo permitido -50oC -105oC 4oC
F05 Límite máximo permitido -50oC -105oC 5oC
F06 Diferencia de control
(histéresis)
0.1oC 20oC 1oC
F07 Retardo para prender el
compresor
0 seg 999 seg 180 seg
F08 Base de tiempo del timer 0 seg 1 min 1 min
F09 Tiempo prendido del timer 1 seg/min 999
seg/min
3 seg/min
F10 Tiempo apagado del timer 1 seg/min 999
seg/min
12 seg/min
16
F11 Estado inicial del timer 0-apag. 1-prendi. 1-prendi.
F12 Timer prendido mientras
compresor prendido
0-no 1-si 1-si
F13 Mínima protección de trabajo 180 Voltios 300 Voltios 195 Voltios
F14 Máxima protección de trabajo 180 Voltios 300 Voltios 280 Voltios
F15 Offset de tensión -50 Voltios 50 Voltios 0 Voltios
F16 Tiempo de actuación de las
salidas por tensión fuera de
rango
1 seg 30 seg 10 seg
F17 Modo de indicación en el visor 0 2 0
F18 Modo de conjugado de la
entrada digital
0 2 0
Para la programación y correcto manejo del equipo MT-516CVT, se tomó en
cuenta ciertas reglas para parametrizar correctamente el controlador, el
mismo que se encarga del manejo del sistema de refrigeración.
En la tabla 4 se puede encontrar indicadores que sirven para que el operario
se pueda dar cuenta si existe alguna anomalía en el proceso como por
ejemplo si existe algún error. Además brinda soporte a la persona encargada
del manejo del equipo para colocar los datos con los que se controla todo el
proceso como son: tiempo de prendido y apagado del agitador, control de
temperatura por medio del compresor y control de sobretensión o
subtensión.
17
Figura 6: Esquema de conexión del controlador MT-516CVT
La figura 6 sirve como guía para que se pueda utilizar el controlador
correctamente, aprovechando todos los beneficios que brinda el equipo
como es controlar varios parámetros optimizando tiempo y recursos.
5
3. METODOLOGÍA
18
Un sistema Mecatrónico comprende el análisis, diseño, desarrollo y
aplicación de dispositivos inteligentes con el afán de automatizar y mejorar
un proceso. Esta investigación inicia con el estudio del proceso de
refrigeración necesario para que la leche pueda mantenerse el mayor tiempo
posible en sus condiciones normales. Luego se realiza el diseño mecánico y
eléctrico basado en controladores FULL GAUGE y en normativas mecánicas
para el diseño y fabricación de tanques refrigerantes. Se empleará un
sistema de control (MT-516CVT) el mismo que sirve para monitorear la
temperatura del sistema por medio de una termocupla. Para evitar que se
acumulen bacterias dentro del tanque y que se hagan brumos en la leche se
emplea un motorreductor o agitador que se lo va a activar durante 10
segundos con 720 paros de 20 segundos durante todo el día.
Figura 7: Diagrama de la Metodología Mecatrónica (National Instrument)
En la figura 7, se puede observar los diferentes aspectos que se toman en
cuenta dentro de la Metodología utilizada en Mecatrónica. Es la correlación
de sistemas de computación (software embebido), electrónica (control de
temperatura y agitador) y mecánica (diseño del tanque refrigerante).
19
3.1 ANÁLISIS DE REQUERIMIENTO DEL PROYECTO
En esta sección se describe las características mecánicas, eléctricas y de
control; los requerimientos para la ejecución del proyecto cumplen con las
siguientes características:
Mecánica (diseño del modelo mecánico) dimensionamiento correcto del
tanque basándose en normativas internacionales (ASME) y del
motorreductor que es el que proporciona el movimiento de la leche para
evitar la acumulación de las bacterias y grumos. Además de los cálculos
pertinentes para escoger la potencia adecuada del compresor.
Arquitectura de control (controlador FULL GAUGE MT-516CVT).
Sistema eléctrico (diseño del sistema de protección para el equipo)
dimensionamiento correcto de los elementos de protección que se basa en
las medidas de voltaje y corriente que puede soportar el equipo.
3.2 DISEÑO GENERAL
Para el diseño del tanque de refrigeración de leche se simuló tanto la parte
mecánica con la ayuda del software SolidWorks 2013 como la parte eléctrica
realizada en el software CadeSimu, con esto se puede identificar el tipo de
protecciones eléctricas que se usarán y se puede hacer un estimado del
valor en dólares que tomará implementar el sistema de refrigeración en la
Hacienda El Belén.
3.2.1 COMPONENTE MECÁNICO
La parte mecánica es muy importante para el montaje del equipo debido a
que se tiene que realizar cálculos correctos para que posteriormente en el
día a día no se presenten fallos o se tengan que realizar modificaciones en
la estructura y en el dimensionamiento de las piezas, la parte mecánica
consta del tanque, agitador y el sistema de refrigeración.
20
3.2.1.1 Tanque
Formado por paredes dobles de acero inoxidable AISI 304 con un diámetro
de 1150cm, aislado con espuma de poliuretano de alta densidad y amigable
con el ambiente que impide el aumento de temperatura del líquido (leche) al
interior del tanque.
3.2.1.2 Agitador
Dispositivo mecánico cuyo fin es mezclar la leche que se encuentra dentro
del tanque para evitar la acumulación de bacterias y los grumos que se
presentan debido a un reposo prolongado del líquido.
Para selección del Reductor se deben tomar en cuenta los siguientes
parámetros:
Relación de reducción (i): Índice que detalla la relación entre las rpm
de entrada y salida.
Potencia, en KW, de entrada y de salida (considera eficiencia).
Velocidad, en rpm de entrada (motor) y salida (carga).
Torque, a la salida del mismo en Nm.
Dónde:
P1= Potencia de entrada al reductor (Kw)
T= Torque a la salida del reductor (requerido por la carga en Nm)
n2= Velocidad de salida del reductor (requerida por la carga en rpm)
n1= Velocidad de entrada del reductor (salida del motor en rpm)
n= Eficiencia del reductor
i= Relación de reducción (dato de placa del reductor)
21
Dichos parámetros se los puede visualizar en los anexos 1, 2, 3; los mismos
que son tomados como referencia para el dimensionamiento correcto del
agitador.
3.2.1.3 Sistema de refrigeración
El sistema de refrigeración del tanque está compuesto principalmente por
una Unidad Condensadora de Refrigeración de 2.5 HP con conexión 220V
monofásica, para el enfriamiento del líquido se utiliza gas refrigerante (R22)
el mismo que circula a través del Sistema de Expansión que se encuentra
ubicado en la parte inferior del tanque en forma de serpentín y es controlado
por una válvula solenoide que es la que se encarga de permitir el paso del
refrigerante por todo el sistema.
Para determinar todos estos valores se realizó un estudio de transferencia
de calor para determinar la cantidad de calor que hay que retirar para que el
taque comience a enfriarse, los mismos que se los detalla en el análisis de
resultados.
3.2.2 COMPONENTE DE CONTROL
La idea básica de un sistema embebido es simple. Si se toma cualquier
producto de ingeniería que necesite control, y si un equipo se incorpora
dentro de ese producto para llevar a cabo el control, entonces se tiene un
sistema embebido.
Un sistema embebido se puede definir como: Un sistema cuya función
principal no es de cómputo, pero que está controlado por una computadora
incrustada en su interior. Se caracteriza por estar dentro de un dispositivo al
que controla y al que le asigna actividades según fue programado. Es
diseñado para realizar una o algunas funciones dedicadas frecuentemente a
sistemas de computación real.
22
No se puede realizar cambios, a los algoritmos de programación después
que ya ha sido grabado el programa en la memoria del controlador.
Para el Sistema de Control se utilizó un controlador FULL GAUGE modelo
MT-516CVT combinado con componentes electrónicos que envían la señal
para activar el agitador y el compresor cuando la temperatura no está dentro
de los parámetros preestablecidos. El equipo viene configurado con
parámetros básicos que ayudan al operario a mantener siempre controlado
el proceso de refrigeración como son:
Corriente de indicación: 0 oC
Modo de operación: refrigeración
Límite mínimo permitido: 3 oC
Límite máximo permitido: 5 oC
Diferencia de control (histéresis): 1 oC
Retardo para prender el compresor: 180 seg
Base de tiempo del timer: 1 min
Tiempo prendido del timer: 3 seg/min
Estado inicial del timer: prendido
Timer prendido mientras compresor prendido: si
Mínima protección de trabajo: 195 V
Máxima protección de trabajo: 280 V
3.2.3 COMPONENTE ELÉCTRICO
Es necesario montar un correcto sistema eléctrico ya que es el que nos brida
protección y seguridad al momento de trabajar, evitando que los dispositivos
electrónicos y eléctricos se quemen ya sea por subtensión o sobretensión.
Para esto se dimensionó correctamente las protecciones que se
implementaron en el gabinete de control, basándonos en el triángulo de
potencia que se encuentra detallado en el análisis de resultados.
23
3.2.3.1 Gabinete de control
Se basó en parámetros como: material y tamaño del cable, selección de
voltaje y distancia de la carga, para calcular la caída de voltaje que se
produce por la distancia del transformador a la ubicación del equipo.
Con esto se puede calcular adecuadamente un sistema de protección
confiable para el equipo como es: cable flexible #16 AWG, breaker principal
de 16 A, relé térmico de 14-20 A, contactor de 16 A con bobina 220 VAC y
fusibles de 16 A. De esta manera cuando se produzca algún corto circuito,
sobretensión o subtensión el equipo no se verá afectado en ninguno de sus
componentes internos.
17
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
23
En esta sección se describe la construcción del tanque de refrigeración de
leche y los cálculos utilizados para la implementación de los componentes,
que se centraron en primer lugar en las dimensiones del tanque tomando en
cuenta la capacidad en litros de producción de leche en Hacienda El Belén,
además del análisis del correcto dimensionamiento de las protecciones a
usar.
4.1 DISEÑO DEL SISTEMA MECÁNICO
Abarca todo lo relacionado con partes mecánicas, selección de material del
tanque, dimensionamiento del agitador y sistema de refrigeración, lo mismo
que se explica detalladamente más adelante.
4.1.1 TANQUE
Lo primero que se escogió es el material con el que se construyó el tanque
tomando en cuenta reglas sanitarias impartidas por el Instituto Ecuatoriano
de Normalización (acero inoxidable AISI 304), para determinar el volumen
del tanque se realizó el siguiente cálculo:
V = volumen del tanque
P = producción anual
N = duración anual de producción
n = número de días de almacenamiento
C = coeficiente de relleno (constante)
24
El volumen del tanque tiene que ser mayor al volumen en litros de leche que
se produce anualmente debido a que por seguridad e higiene nunca se debe
almacenar la leche por completo en el tanque, únicamente hasta el 90%. Es
por este motivo que el tanque tiene las siguientes características.
Altura del tanque (90 cm).
Diámetro del tanque (132.50 cm)
Figura 8: Diseño de la estructura del prototipo
25
Figura 9: Tanque de almacenamiento
Para determinar el espesor de las paredes del tanque se realizó estudios de
carga, los mismos que tomando en cuenta parámetros como resistencia de
fluencia del acero inoxidable AISI 304, peso específico de la leche y las
dimensiones del tanque se pudieron obtener los siguientes resultados.
Primero se calcula el esfuerzo permisible del acero inoxidable AISI 304 ya
que este valor sirve para calcular el espesor de las paredes del tanque de
leche.
= Esfuerzo permisible
Sy = Resistencia de fluencia del material
N = factor de seguridad
26
Posteriormente se calculó la presión hidrostática en la parte inferior del
tanque debido a que en ese punto es donde mayor presión ejerce el fluido.
P = Presión hidrostática
= Peso específico de la leche
h = Altura del tanque
Con este valor se calcula el esfuerzo que se va a producir en el punto
seleccionado tomando en cuenta datos como:
б = Esfuerzo
P = Presión hidrostática
D = Diámetro
T = espesor
El esfuerzo tiene que ser menor o igual al esfuerzo permisible es por este
motivo que la ecuación queda de esta manera:
Como el valor del espesor es 0.0623 mm se puede escoger una lámina de
acero mayor a ese valor, en este caso el espesor del material es de 3mm.
Con estos valores se puede simular el comportamiento que va a tener el
tanque ante el trabajo al que va a ser sometido.
27
Primero se hace un análisis de factor de seguridad del tanque.
Figura 10: Análisis de factor de seguridad del tanque
En la figura 10 se puede determinar que el factor de seguridad mínimo es de
4.36, es por este motivo que no se encuentra en ningún lugar pintado de
color rojo.
Otro estudio que se realizó es un análisis de tensiones de Von Mises como
se puede apreciar en la figura 11, ya que con este análisis se puede
observar de una mejor manera donde se concentra el mayor esfuerzo que
sufrirá el tanque.
Figura 11: Análisis de tensiones de Von Mises del tanque
28
4.1.2 DIMENSIONAMIENTO DEL AGITADOR
Para la selección de agitador se basó en prototipos ya diseñados
anteriormente por la empresa TIMSA, la misma que se la puede ver en
anexo 3 (Agitadores serie TA velocidad lenta).
Se tiene que tomar en cuenta varios puntos para la selección del agitador
como son:
Tipo de líquido a agitar
Capacidad del tanque
Longitud del eje
Los mismos que van a influenciar al momento de poner el agitador en
marcha debido a que si se comete errores al momento de calcular los
parámetros el agitador puede recalentarse y el motor o la caja reductora
pueden echarse a perder.
En este caso el líquido a mezclar no presenta una densidad considerable
(1.02g/cm3) y es por eso que se escogió Agitadores Serie TA de Velocidad
Lenta.
Para la construcción y el dimensionamiento del agitador se toma como
referencia algunos parámetros como son:
Potencia del motor
Velocidad del motor
Tamaño constructivo del motor (FRAME)
Modelo del reductor
Velocidad de salida del agitador
Motor: 1 HP
Rpm real: 1660
Frame: 80
Modelo: lineal
Rpm deseada: 100rpm
29
Tomando como referencia anexo 3 se seleccionó la caja reductora modelo
Z38-K4-80 que tiene un índice de reducción de 14.18 y un torque de 220Nm.
Con este valor se puede calcular el torque de salida que va a tener el
agitador (motorreductor).
Finalmente se calcula el factor de servicio que es el que nos indica el modo
de trabajo del motorreductor.
En este caso un factor de 3.61 significa que el agitador puede trabajar las
veinticuatro horas del día realizando por lo menos 20 paros por hora.
30
Al realizar todos estos cálculos se obtiene un motorreductor lineal modelo
Z38-K4-80 con un índice de reducción de 14.18, ensamblado a un motor
marca SIEMENS de 1hp, con un torque de 60.86Nm y con 117.06rpm a la
salida.
Figura 12: Agitador de leche
De la misma manera se realizó un estudio de cómo se va a comportar el
agitador ante el trabajo que sufrirá, el primer análisis determina el factor de
seguridad del agitador, el mismo se puede determinar en la figura 13.
Figura 13: Análisis de factor de seguridad del agitador
31
El factor de seguridad mínimo es de 2.10, con esto se puede comprobar que
se hizo un correcto dimensionamiento de esta pieza.
En la figura 14 se realizó un análisis de tensiones de Von Mises, con esto se
puede determinar de una mejor manera en que puntos del agitador se
presenta mayores esfuerzos.
Figura 14: Análisis de tensiones de Von Mises del agitador
4.1.3 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
Para seleccionar la unidad compresora a utilizar se tiene que calcular en
primer lugar la cantidad de calor que se necesita retirar del tanque ya que
con este valor se puede utilizar una unidad compresora que se encuentra
como dato del fabricante del tanque.
Se calcula la masa de la leche ya que con este valor y el calor específico de
la leche se puede calcular la cantidad de calor que genera este sistema.
d = densidad de la leche
m = masa
V = volumen del recipiente
32
Con este valor se calcula la cantidad de calor que se necesita retirar del
sistema para poderlo enfriar.
Q = calor
m = masa
∆t = variación de temperatura
Cp = calor específico de la leche
≈ 160,27 BTU
Con este valor se puede determinar la potencia que necesita el compresor
para retirar 160,27 BTU en un lapso menor a una hora, como se puede
observar en la tabla 5.
Tabla 5: Selección de unidades compresoras DANFOSS
60 Hz
Volumen del tanque
(l)
Tanque de leche
Capacidad (Btu/hr)
Capacidad Compresor
(hp)
500 – 1000 66.77 - 132.56 1.5
1001- 1500 133.68 - 200 2
1501 – 2000 200.47 - 267.12 2.5
2001 – 2500 267.25 - 333.89 3
2501 - 3000 335.029 - 400.68 3.5
33
Para la selección del mejor sistema de refrigeración se tomó en cuenta
varios parámetros como el tipo de alimentación; como el sistema está
energizado a 220V monofásico la potencia del compresor es menor a 5HP.
Por estandarizaciones cuando un tanque de almacenamiento tiene por
volumen 1200 litro se utiliza un compresor de 2HP como se puede visualizar
en la tabla 5 pero se seleccionó un compresor de 2.5HP para que el tiempo
de enfriamiento sea menor.
Para el enfriamiento se utiliza gas refrigerante R22 el mismo que circula a
través del Sistema de Expansión que se encuentra ubicado en la parte
inferior del tanque en forma de serpentín y es controlado por una válvula
solenoide que es la que se encarga de permitir el paso del refrigerante por
todo el sistema, en un sistema de refrigeración debe existir accesorio
mínimos que controlen todo el proceso como son:
Filtro secador de la línea de líquido: filtra la suciedad y retira la
humedad del sistema.
Válvula solenoide: se instala lo más cerca posible de la válvula de
expansión, desconecta la unidad condensadora por medio de la
recolección del refrigerante.
Visor del líquido: indica carga del refrigerante y presencia de
humedad.
Válvula de expansión: se instala en la entrada del evaporador,
promueve la caída de presión y alimenta correctamente al
evaporador.
Tanque de líquido: está ubicado después del condensador, se utiliza
una válvula de expansión.
Separador de líquido: se instala antes del compresor, impide el
regreso de líquido al compresor.
Filtro de succión: se instala antes del compresor, filtra las impurezas
del sistema.
Separador de aceite: se ubica después del compresor, se utiliza para
retener el aceite de lubricación que sale del compresor.
34
Presostato de alta presión: se instala en la entrada de presión de la
descarga, su trabajo es proteger al compresor contra altas presiones
de descarga.
Presostato de baja presión: se conecta a la entrada de presión de la
succión, protege al compresor contra la baja presión de succión.
Figura 15: Unidad condensadora
4.2 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
Para el sistema de control se elaboró un circuito que permita que todo el
proceso sea automatizado, con esto se pretende que la intervención del
operario se reduzca considerablemente y que el proceso de refrigeración de
leche se mantenga siempre bajo los parámetros ingresados al controlador,
además por medio del controlador se puede monitorear varios tópicos como
son: temperatura, voltaje o errores de conexión
Figura 16: Controlador MT-516 CVT
35
Se implementó un diagrama funcional normalizado (GRAFCET), que permite
hacer un modelo del proceso a automatizar, contemplando entradas,
acciones a realizar y los procesos intermedios que provocan estas acciones.
Con esto se pretende que cualquier persona pueda interpretar el proceso sin
necesidad de que tenga conocimiento técnico, los elementos necesarios
para realizar el grafcet del tanque de refrigeración de leche se los puede
visualizar en la tabla 6.
Tabla 6: Elementos de control para grafcet
Elementos de Control
Luz piloto verde L1 Marcha.
Luz piloto roja L2 Corte alimentación, paro o error.
Agitador Agi Controla temperatura de la leche.
Compresor Com Evita acumulación de bacterias y grumos.
Figura 17: Grafcet del tanque de refrigeración de leche
Al arrancar el programa se activa la etapa inicial 1encendiéndose la luz
verde (L1) que indica que el proceso está en marcha, al mismo tiempo el
timer cíclico prende el agitador (Agi) y el compresor (Com) hasta que la
temperatura de la leche que en un comienzo es de 37 oC llegue a 5 oC
provocando la desactivación de la etapa 1 y la activación de la etapa 2. En
este punto las etapas 2,3 y 4 se activan simultáneamente para mantener a la
36
leche siempre a una temperatura deseada, evitando la acumulación de
grumos y monitoreando la tensión del taque.
La etapa 3 se encarga se encender el compresor cuando la temperatura sea
mayor a 5 oC y lo apaga cuando llegue a 5 oC nuevamente; el agitador es
controlado en la etapa 4 encendiéndose cada 5 minutos por un lapso de 1
minuto; mientras que la etapa 5 es la encargada de monitorear la tensión
evitando que los circuitos integrados y los componentes eléctricos se
quemen por una sobretensión o subtensión. Todo esto se lo puede ver en la
figura 17.
El esquema de control que se observa en la figura 18 nos ayuda a identificar
el tipo de protecciones a usar y la forma correcta de conectarse entre ellos,
además de brindar una forma visual mucho más sencilla para que cualquier
persona que tenga conocimientos eléctricos pueda interpretar e implementar
el mismo circuito en otro lugar.
Figura 18: Esquema de control del tanque de refrigeración de leche
37
4.3 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO
Para el desarrollo del sistema eléctrico se tomó como referencia algunas
mediciones tomadas en la hacienda para poder calcular las protecciones a
usar.
Estos valores son:
Voltaje de fuerza: 218 V
Potencia de compresor: 2.5 HP ≈ 3.35 Kw
Factor de potencia: 0.9
Mediante este cálculo se determinó el consumo en amperios que va a tener
el sistema en base a la potencia del compresor y al voltaje que se maneja en
la hacienda, con este valor podemos seleccionar correctamente las
protecciones, para mayor seguridad sobredimensionamos el consumo en un
30%, con esto los materiales a usar van a tener las siguientes
características:
contactor de 12 A a 220 VAC
relé térmico de 11-16 A
breaker riel din de 16 A
El diagrama de fuerza sirve para identificar la forma de conexión de los
componentes que forman parte del circuito de fuerza como son los motores,
fusibles, breakers, contactores y térmicos, el diagrama del tanque de
refrigeración de leche se lo puede evidenciar en la figura 19.
38
Figura 19: Diagrama de fuerza del tanque de refrigeración de leche
4.4 FACTIBILIDAD ECONÓMICA
La adquisición de un Sistema de Refrigeración de segunda mano encarece
considerablemente el costo, debido a que lo único que se hizo es un
mantenimiento general del equipo y un chequeo de que no exista ninguna
fuga del refrigerante para que pueda trabajar el sistema correctamente. Para
el diseño y simulación del sistema se utiliza software con licenciamiento
académico. A continuación se describe los costos de los materiales que se
utilizan en el proyecto.
39
4.4.1 COSTO DEL DESARROLLO ELÉCTRICO
En este listado están incluidos todos los componentes eléctricos que se
utilizaron en la implementación y desarrollo del proyecto, los mismos que se
los pueden evidenciar en la tabla 7.
Tabla 7: Materiales desarrollo eléctrico
DESCRIPCIÓN CANTIDAD V. UNITARIO V. TOTAL
Controlador full gauge mt-516 1 $ 90 $ 90
Breaker riel din 1 polo 16A 2 $ 5.18 $ 5.18
Contactor 12A 220V 2 $ 28.69 $ 57.37
Relé Térmico 11-16A 2 $ 30.18 $ 60.35
Selector dos posiciones 1 $ 6.93 $ 6.93
Luz piloto 220V 2 $ 11.98 $ 23.95
Cable flexible #16 AWG 100 $ 0.19 $ 18.87
Riel din 1 $ 2.91 $ 2.91
Canaleta ranurada 1 $ 3.92 $ 3.92
Gabinete metálico 1 $ 36 $ 36
Bornera 1 polo 20 $ 1.23 $ 24.50
TOTAL $ 329.98
Elaborado por: Christian Martínez
4.4.2 COSTO DEL DESARROLLO MECÁNICO
En este listado están incluidos todos los componentes mecánicos que se
utilizaron en la implementación y desarrollo del proyecto, estos materiales
están reflejados en la tabla 8.
40
Tabla 8: Materiales desarrollo mecánico
DESCRIPCIÓN CANTIDAD V. UNITARIO V. TOTAL
Placa de enfriamiento 1 $350 $ 350
Unidad de refrigeración 1 $ 650 $ 650
Unidad compresora 1 $ 1000 $ 1000
Tanque acero inoxidable 1 $ 4000 $ 4000
TOTAL $ 6000
Elaborado por: Christian Martínez
4.4.3 COSTO DEL DESARROLLO DEL EQUIPO
El valor total del equipo se lo ve reflejado en la tabla 9, está constituido por
todos los materiales tanto mecánicos como eléctricos que se utilizaron para
la construcción del tanque de refrigeración de leche.
Tabla 9: Costo total del desarrollo del equipo
DESCRIPCIÓN V. TOTAL
Costo materiales mecánicos $ 6000
Costo materiales eléctricos $ 329.98
$ 6329.98
La leche sin refrigeración puede durar almacenada máximo 24 horas ya que
si pasa este tiempo entra a un proceso de descomposición, bacterización y
los productores se ven obligados a botar la materia prima generando una
pérdida económica considerable.
Los recolectores de leche pasan de lunes a sábado pero por casos fortuitos
que se presentan como fuertes lluvias que impiden el ingreso de los
vehículos, no pueden cumplir con la ruta diaria y la materia prima se
desperdicia. Es por este motivo que con la implementación de un Tanque de
41
refrigeración la leche puede mantenerse almacenada durante 48 horas sin
problemas y se evita el desperdicio de este producto.
Por lo general los recolectores no logran concretar su ruta por lo menos dos
veces al mes es por esto que se tomó como referencia esta cifra para poder
calcular el retorno del capital (tabla 10).
Tabla 10: Retorno del capital
RECUPERACIÓN DE LA INVERSIÓN
Costo total del equipo $ 6329.98
Costo litro de leche $ 0.42
Producción diaria de leche 600 l
Producción diaria $ 252
Producción semanal $ 504
Tiempo estimado de
recuperación
12.5 meses
Realizando un cálculo más minucioso tomando en cuenta el sueldo de los
trabajadores, gastos administrativos, vacunas y alimentación del ganado,
servicios básicos y el interés que genera el banco por el préstamo se puede
determinar exactamente el valor a cancelar por un lapso de 2 años que es el
deseado por el dueño de la Hacienda.
4.4.4 TABLA DE AMORTIZACIÓN RECUPERACIÓN DE CAPITAL
Tanque para refrigeración de leche: $ 6.329,98
Costo litro de leche: $ 0,42
Almacenamiento semanal: 3500 l
Producción semanal: $ 1.470,00
Producción mensual: $ 5.880,00
42
Tabla 11: Gastos generales
Gastos administrativos $ 4020,00
Vacunas del ganado $ 125,00
Alimento del ganado $ 350,00
Servicios básicos $ 120,00
Interés $ 30,68
Total $4645,68
Utilidad bruta: $1234,32
Capital de inversión: $6329,98
Tiempo: 24 meses
Tasa de absorción: 11,78%
Pago: ($294,75)
Tabla 12: Tabla de amortización
Periodo Pago
Pago
Interés Capital
Capital
Acumulado
Saldo
Capital
1 294,748895 $ 0,00 $ 294,75 $ 294,75 $ 6.035,23
2 294,748895 $ 59,27 $ 235,47 $ 530,22 $ 5.799,76
3 294,748895 $ 56,99 $ 237,76 $ 767,98 $ 5.562,00
4 294,748895 $ 54,69 $ 240,06 $ 1.008,04 $ 5.321,94
5 294,748895 $ 52,36 $ 242,39 $ 1.250,44 $ 5.079,54
6 294,748895 $ 50,01 $ 244,74 $ 1.495,18 $ 4.834,80
7 294,748895 $ 47,63 $ 247,12 $ 1.742,29 $ 4.587,69
8 294,748895 $ 45,24 $ 249,51 $ 1.991,81 $ 4.338,17
9 294,748895 $ 42,81 $ 251,93 $ 2.243,74 $ 4.086,24
10 294,748895 $ 40,37 $ 254,38 $ 2.498,12 $ 3.831,86
11 294,748895 $ 37,90 $ 256,85 $ 2.754,97 $ 3.575,01
12 294,748895 $ 35,41 $ 259,34 $ 3.014,31 $ 3.315,67
13 294,748895 $ 32,89 $ 261,86 $ 3.276,17 $ 3.053,81
14 294,748895 $ 30,35 $ 264,40 $ 3.540,57 $ 2.789,41
43
15 294,748895 $ 27,78 $ 266,97 $ 3.807,54 $ 2.522,44
16 294,748895 $ 25,19 $ 269,56 $ 4.077,10 $ 2.252,88
17 294,748895 $ 22,57 $ 272,18 $ 4.349,27 $ 1.980,71
18 294,748895 $ 19,93 $ 274,82 $ 4.624,09 $ 1.705,89
19 294,748895 $ 17,26 $ 277,49 $ 4.901,58 $ 1.428,40
20 294,748895 $ 14,56 $ 280,19 $ 5.181,77 $ 1.148,21
21 294,748895 $ 11,84 $ 282,91 $ 5.464,68 $ 865,30
22 294,748895 $ 9,09 $ 285,66 $ 5.750,33 $ 579,65
23 294,748895 $ 6,32 $ 288,43 $ 6.038,77 $ 291,21
24 294,748895 $ 3,51 $ 291,23 $ 6.330,00 ($ 0,02)
El capital se recuperará en 2 años como se puede ver en la tabla 12,
asumiendo una tasa de interés del 11,72% cancelando mensualidades de $
294,75.
22
5. PRUEBAS DEL EQUIPO
44
Para verificar que todo el proceso se encuentre bajo control, eso quiere decir
que la leche este siempre entre 3 y 5oC y que el agitador se encienda cada 5
minutos durante 1 minuto se realizó pruebas durante 3 días que sirve como
una base de datos para verificar el comportamiento del proceso durante todo
este periodo de tiempo.
5.1 DÍA PRIMERO
Para el estudio se recogió 13 datos de temperatura y verificación de tiempo,
los mismo que sirven para monitorear el proceso durante todo el periodo que
la leche se mantiene en refrigeración, por lo general la leche ingresa al
tanque a las 5 de la tarde después del segundo ordeño hasta las 5 de la
mañana ya que a esa hora pasa el recolector por la hacienda.
Tabla 53: Pruebas del equipo primer día
MEDICIONES
(horas)
TEMPERATURA (oC) TIEMPO (minutos)
Intervalo de
activación del
agitador
Agitación
17:00 37 5 1
18:00 3 5 1
19:00 4 5 1
20:00 4.2 5 1
21:00 3.8 5 1
22:00 3.9 5 1
23:00 4.5 5 1
24:00 4.1 5 1
01:00 3.3 5 1
02:00 4.7 5 1
03:00 4.9 5 1
04:00 5 5 1
05:00 3.7 5 1
45
5.2 DÍA SEGUNDO
En el segundo día de pruebas se tomó de igual manera 13 muestras tanto
de temperatura como de monitoreo de tiempo, las mismas que nos ayudan a
verificar que el proceso se encuentre siempre estable para que de esta
forma la leche mantenga sus propiedades y pueda ser distribuida hacia los
centros de acopio.
Tabla 14: Pruebas del equipo segundo día
MEDICIONES
(horas)
TEMPERATURA (oC) TIEMPO (minutos)
Intervalo de
activación del
agitador
Agitación
17:00 37 5 1
18:00 3.5 5 1
19:00 4.2 5 1
20:00 3.2 5 1
21:00 4.8 5 1
22:00 4.9 5 1
23:00 5.0 5 1
24:00 3.2 5 1
01:00 3.7 5 1
02:00 3.1 5 1
03:00 4.1 5 1
04:00 5.5 5 1
05:00 3.9 5 1
5.3 DÍA TERCERO
En el tercer y último día de pruebas se tomó de igual manera 13 muestras
tanto de temperatura como de monitoreo de tiempo, con estos datos se pudo
reforzar que el equipo se encuentra operando correctamente ya que la
46
temperatura de la leche se mantiene siempre entre 3 a 5 oC, el agitador se
enciende por un minuto cada cinco minutos y que el proceso se encuentra
siempre bajo un monitoreo de tensión.
Tabla 15: Pruebas del equipo tercer día
MEDICIONES
(horas)
TEMPERATURA (oC) TIEMPO (minutos)
Intervalo de
activación del
agitador
Agitación
17:00 37 5 1
18:00 4.5 5 1
19:00 3.2 5 1
20:00 3.8 5 1
21:00 3.4 5 1
22:00 3.9 5 1
23:00 5.0 5 1
24:00 3.5 5 1
01:00 4.5 5 1
02:00 4.2 5 1
03:00 4.7 5 1
04:00 4.0 5 1
05:00 3.3 5 1
47
Figura 20: Comportamiento de temperatura vs tiempo (horas)
En la figura 20 podemos identificar el comportamiento de la temperatura de
la leche con relación al tiempo que se mantiene almacenada dentro del
tanque, la leche recién ordeñada ingresa al tanque a una temperatura de 37
oC para comenzar el proceso de almacenamiento y refrigeración para que a
los largo del proceso se mantenga entre 3 a 5 oC que es lo determinado en
la programación del controlador.
0
10
20
30
40
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
TEM
PER
ATU
RA
oC
MEDICIONES
PRUEBAS DEL EQUIPO
DIA PRIMERO
DIA SEGUNDO
DIA TERCERO
51
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDASIONES
48
6.1 CONCLUSIONES
• Con la implementación del tanque de refrigeración de leche se puede
evidenciar que el desperdicio de esta materia prima por
descomposición se ha reducido en un 100% ya que se puede mantener
almacenada y refrigerada por un lapso de 36 horas; antes de
implementar este sistema ocurría que por situaciones adversas la
producción completa de 1200 litros se perdía debido a que el recolector
no podía completar la ruta y no pasaba retirando la materia prima en el
tiempo programado.
• Al implementar normativas ASME para el diseño y construcción del
tanque de leche se obtuvo excelentes resultados, ya que, se seleccionó
correctamente el tipo de material a utilizar (acero inoxidable AISI 304),
la ubicación de la boquilla de desfogue, la colocación te la tapa y el
agitador, entre otros parámetros que cumplen con lo establecido por la
American Society of Mechanical Engineers.
• Se concluyó que para un tanque menor de 1500 litros es suficiente
utilizar una unidad condensadora de refrigeración de 2.5 HP, ya que
este permite que la leche se enfríe en 30 minutos que es lo que se
buscó.
• El controlador de temperatura MT-516CVT es un equipo indispensable
para realizar un control en un proceso ya que nos brinda muchas
prestaciones a un bajo costo y con fiabilidad en sus mediciones.
• Si interpretamos todo lo descrito anteriormente llegamos a la
conclusión que la refrigeración es un proceso indispensable al
momento de trabajar con alimentos, ya que, alarga la vida útil de los
mismos y no permite que esta materia prima se desperdicie.
49
• Como conclusión final podría decirse que rigiéndose en normativas ya
establecidas se puede construir fácilmente un tanque de refrigeración
de leche que ayuda a la conservación de alimentos y a la economía de
los productores de esta materia prima en el Ecuador.
6.2 RECOMENDACIONES
Para una mejor aplicación del tanque se puede añadir sensores de
nivel que nos permitan conocer la cantidad de leche en litros que se
encuentra almacenada.
Se podría implementar una pantalla táctil (KTP 600), la misma que
nos permite visualizar en una forma más gráfica los resultados
obtenidos por el controlador y los sensores como son: cantidad de
leche almacenada, temperatura a la que se encuentra el líquido,
voltaje, tiempo que se mantiene encendido el agitador, entre otros.
Se sugiere limpiar el tanque una vez por semana para evitar la
acumulación de bacterias.
Chequear temporalmente el sistema eléctrico para prevenir posibles
daños en los componentes del tanque.
45
BIBLIOGRAFÍA
50
ICMSF. (2006). Comisión Internacional de Especificaciones
Microbiológicas para los Alimentos. Obtenido de
http://www.icmsf.org/pdf/FSO%20Ojectives/GuiaSimplificadosp.pdf
ESCOFRED. (2008). Obtenido de http://www.salvadorescoda.-
com/tecnico/MF/Uds_Condensadoras_Escofred_v81.pdf
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID. (2009). Obtenido de
http://ocw.upm.es/produccion-animal/ordeno-mecanico/
PLAN DE EFICIENCIA ENERGÉTICA. (2006). Obtenido de
http://www.caib.es/conselleries/industria/dgener/user/portalenergia/pla
_eficiencia_energetica/climatitzacio_2.es.html
UNET. (s.f.). Obtenido de http://www.unet.edu.ve/-
~fenomeno/F_DE_T-152.htm
ATECOS. (s.f.). Obtenido de http://www.miliarium.com/ATECOS/Html-
/Soluciones/Fichas/Refrigeracion_compresion.pdf
Goribar, H. (2005). Fundamentos de aire acondicionado y
refrigeración. Editorial Limusa. 465
Lucas Martínez, A. (2007).Termodinámica básica para ingenieros
químicos: procesos termodinámicos y máquinas. (Ciencia y técnica;
51). Ediciones de la Universidad de Castilla - La Mancha. Cuenca.
419pp
Rufes, P.; Miranda Barreras, A. L. (2003). Ciclos de Refrigeración.
Monografías de climatización y ahorro energético. CEAC técnico
climatización. 240 pp.
Whitman, W.C.; Johnson, W.M. (2000). Tecnología de la refrigeración
y aire acondicionado tomo IV. Aparatos domésticos y sistemas
especiales. International Thomson editores Paraninfo. 272 pp.
ALCIATORE, D.G. (2008). Introducción a la Mecatrónica y los
sistemas de medición (Tercera Ed.). (S. CEDEÑO, Ed) D.F. México:
Mc Graw Hill.
BOLTON, W. (2008). Mecatrónica SISTEMAS DE CONTROL
ELECTRÓNICO EN INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA (Vol II).
D.F. México: Alfaomega.
51
MOTT, R. (2006). DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS (Cuarta
ed.). México, México: Pearso Education.
ELGUIN S.A. (2010). Manual de Instalación y Operación de
Compresores y Unidades Condensadoras (Cuarta Ed.). Sao Paulo –
SP.
SIEMENS. (2012). Lista de precios Ecuador.
52
ANEXOS
52
Anexo 1 Tanque de leche
53
54
55
56
57
Anexo 2: Motores 1800 rpm, 4 polos (marca SIEMENS)
Fuente: Productos Eléctricos Industriales (lista de precios Ecuador)
58
Anexo 3: Reductores helicoidales - ejes coaxiales (marca FLENDER)
Fuente: Productos Eléctricos Industriales (lista de precios Ecuador)
Anexo 4: Agitadores Serie TA velocidad lenta (TIMSA)
VOLUMEN
m3
MODELO Kw Rpm ϴ Hélice mm
≤ 2 TA–02.02 C 00 0.25 100 400
2 – 4 TA–03.02 C 01 0.37 100 500
4 -6 TA–05.02 C 02 0.75 100 600
6 – 10 TA–07.02 C 03 1.5 100 700
10 - 15 TA–08.02 C 04 2.2 100 800
Fuente: Catálogo agitadores TIMSA
59
Anexo 5: Unidad Compresora
Anexo 6: Manual de uso del equipo
Para el correcto funcionamiento del equipo es importante tomar en cuenta
ciertas recomendaciones que ayudarán a que la vida útil del tanque de
refrigeración de leche sea mayor.
Revisar si las protecciones que se van a utilizar para la máquina están
bien dimensionadas.
Colocar la máquina en un cuarto cerrado para evitar el ingreso de
líquidos al sistema eléctrico.
Realizar limpiezas dentro y fuera del tanque cada dos semanas para
evitar la proliferación de bacterias.
Apagar el equipo durante tormentas eléctricas para evitar
contratiempos que se puedan presentar.
60
Descripción del tablero de control
1. Para prender o apagar el equipo.
2. Indicador de marcha.
3. Indicador de para o fallo.
4. Controlador FULL GAUGE.
MANTENIMIENTO PREVENTIVO
El mantenimiento preventivo de un tanque frío se lo debe hacer por lo menos
seis meses basándose principalmente en:
POSIBLES FUGAS DE REFRIGERANTE
Se recomienda que si existe algún indicio de posible fuga de refrigerante,
realizar pequeñas prácticas que ayudan a evidenciarlo; trastornar un líquido
espumoso con ayuda de una brocha a lo largo de la tubería, si en algún
lugar de la tubería se producen burbujas significa que por ese lugar existe
una fuga de refrigerante.
61
Posteriormente se descarga todo el líquido para poder soldar la tubería y
conociendo que tipo de refrigerante es se procede a llenarlo nuevamente, si
no existe ninguna fuga de refrigerante no es necesario cargar o cambiar
dicho elemento.
CHEQUEO DEL SISTEMA ELÉCTRICO
En los tanques de refrigeración de leche básicamente vienen los siguientes
elementos eléctricos, los cuales se tiene que tener un poco de conocimiento
para poder darse cuenta de sus posibles fallas.
Controlador de temperatura: se encarga de controlar la temperatura, on/off y
encendido del motorreductor. Es necesario comprobar si la temperatura del
controlador es igual a la temperatura del elemento dentro del tanque, para
esto es necesario ubicar a la sonda del sistema, sacarle y mediante un
termómetro eléctrico comprobar la temperatura, caso contrario cambiar la
sonda y si es reiterativo el problema cambiar el controlador.
Contactor: se verifica si los terminales no se encuentran con oxido o flojos, si
al encender el sistema se verifica que el contactor genera un arco de luz, es
necesario cambiar dicho contactor.
Solenoide: se encarga de cortar el paso de refrigerante cuando recibe la
señal del controlador subiendo la presión en el sistema y si al momento de
apagar el sistema no deja de funcionar puede ser problema de la sonda.
Comprobar las conexiones eléctricas y si es necesario cambiar el equipo.
Presostato: recibe una señal eléctrica y transforma esta señal a corte de
presión en alta y baja. Cuando recibe una señal eléctrica (de la sonda) de
apagado, la presión del sistema sube y el presostato se encarga de cortar la
tensión eléctrica apagando el sistema, de igual manera cuando recibe una
señal de encendido censa la presión baja y prende el sistema. Es necesario
62
tener cuidado con su regulación ya que las presiones por lo general ya
vienen establecidas de fábrica y no se debería manipular dichos parámetros.
CHEQUEO UNIDAD CONDENSADORA
La unidad condensadora está compuesta por un sistema capilar, se encarga
de sacar el calor del sistema. Para su mantenimiento preventivo, es
necesario lavar con cuidado los conductos externos con un elemento
jabonoso. Luego es necesario secar con cuidado y enderezar las láminas de
enfriamiento si así lo requiere.