20 de julio de 2012 [AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL MECATRÓNICA] Manual para el empaquetado de chicles 1 TEMA: PROCESO DE EMPAQUETADO DE GOMA DE MASCAR TIPO BOLA MARCA AGOGO FILIACIÓN DE LOAS AUTORES: EDWIN CAICEDO ([email protected]) ANDREA CÓRDOVA ([email protected]) PABLO REGALADO ([email protected]) CHRISTIAN SOCASI ([email protected]) RESUMEN Se ha diseñado, analizado y simulado las pruebas necesarias de un equipo automático para el empaquetado de goma de mascar tipo bola. En base a una metodología de diseño se logra elegir la alternativa más viable para el diseño y construcción del equipo automático, considerando para esto los requerimientos tanto tecnológicos, económicos e higiénicos. Otro aspecto a tomar muy en cuenta en el presente trabajo la utilización de software, ya que permite optimizar tiempo, dinero y espacio. El equipo es totalmente desmontable lo que facilita el proceso de mantenimiento y transporte, además en su estructura se ubican los elementos constitutivos de los diferentes sistemas. El suministro del producto consta de una alimentación mediante bandas y un conjunto de mecanismos que permiten el empaquetado de goma de mascar tipo bola en fundas de cinco unidades. El sistema de conformado por medio de alas de moldeo realiza los dobleces en el plástico para la obtención del empaque requerido. El mecanismo del sistema de sellado vertical es accionado por un cilindro neumático el mismo que proporciona una presión establecida la cual permite la termosoldabilidad de las dos caras del plástico. En el sistema de arrastre del plástico, el movimiento de los rodillos es accionado mediante dos motores eléctricos los cuales están acoplados directamente a los rodillos de transmisión. En el sistema de sellado y corte horizontal los elementos móviles se desplazan a través de los ejes guías los cuales son accionados por un cilindro neumático, produciendo de esta manera el sellado y corte deseado. El control automático de cada uno de los procesos antes mencionados se realiza mediante un PLC. Una vez diseñado el sistema se realizo un estudio económico determinando los costos y la tasa de producción del sistema. Palabras Claves: Empaquetado, Goma de Mascar, Sellado Térmico, Mecanismo, Conformado, PLC, Tasa de producción.
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20 de julio de 2012 [AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL MECATRÓNICA]
Manual para el empaquetado de chicles 1
TEMA:
PROCESO DE EMPAQUETADO DE GOMA DE MASCAR TIPO BOLA MARCA AGOGO
Para determinar el aislante térmico es indispensable saber la temperatura termosellable a la que va a
trabajar el equipo automático de sellado térmico de bebidas líquidas.
El aislante térmico seleccionado tiene como función evitar que todo el calor que genera las niquelinas
vertical y horizontal sea transmitido a las paredes de las mordazas ya que este puede calentarse y producir
un sellado térmico de malas condiciones.
En algunos casos se utiliza un sistema de refrigeración para evitar este tipo de calentamiento hacia las
paredes las mordazas. En este caso hemos creído suficiente la selección del aislante térmico para evitar
dicho inconveniente.
Fig. 59 (Disposición de aislamiento técnico)
Fig. 60 (Niquelina para corte y sellado horizontal)
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Niquelina:
Niquelina Potencia (W) Temperatura (°C)
Horizontal 600 120
Tabla 33: Tabla de características térmicas de la niquelina.
Niquelina Voltaje (V) Corriente (A) Potencia (W)
Horizontal 12 50 600
Tabla 34: Tabla de características eléctricas de la niquelina.
Características de los polímeros:
Material Rango de temperatura para corte y sellado (°C)
Polimetalcrilato 100 – 150
Polietileno lineal 120 – 160
Polietileno de alta densidad 80 – 120
Polietileno ramificado 130 – 180
Polivinil 90 – 120
Polipropileno metalizado. 120 – 135
Tabla 35: Tabla de características térmicas de los polímeros.
Formulas:
Niquelina Horizontal:
(54)
(55)
Área de la base de aluminio= 80 * 26= 0.00208 m2
Área de la niquelina= 80 * 4= 0.00032 m2
q= 600 W
ex= 0.0000985=0.098 = 1mm
El espesor de banda de mica aislante tendrá que tomar para conseguir una temperatura prudente en
la lámina de aluminio de 30 °C.
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Niquelina vertical:
Fig. 60 (Niquelina para sellado vertical)
Formulas:
Niquelina Horizontal:
Área de la base de aluminio= 110 * 26= 0.00286 m2
Área de la niquelina= 110 * 4= 0.00044 m2
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q= 600 W
ex= 0.0001594=0.1594 mm = 1mm
El espesor de banda de mica aislante tendrá que tomar para conseguir una temperatura prudente en
la lámina de aluminio de 30 °C.
DETECTORES DE PROXIMIDAD DE LOS CILINDROS:
SME-10M-ZS-24V-E-10-L-OE
Fig. 61 (Detectores de proximidad magnéticos (fines de carrera))
Características Propiedades
Construcción para ranura redonda
Corresponde a la norma EN 60947-5-2
Homologación C-Tick
Marcado CE (ver declaración de conformidad)
Según la normativa UE sobre EMC
Indicación sobre el material Cable sin halógenos Cable resistente al aceite Exento de cobre y PTFE Conforme con RoHS
Magnitud de la medición Posición
Principio de medición magnético Reed
Temperatura ambiente -40 ... 70 °C
Salida bipolar, con contacto
Fu|nción del elemento de conmutación contacto de trabajo
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Precisión de repetición de la salida de conexión en ± mm
0,1 mm
Tiempo de conexión <= 1,2 ms
Tiempo de desconexión <= 1 ms
Frecuencia máxima de conmutación 50 Hz
Corriente máxima de salida 300 mA
Capacidad de conmutación AC máxima 9 VA
Rendimiento DC máximo de conmutación 9 W
Anticortocircuitaje no
Resistencia a sobrecargas no existente
Tensión de servicio calculada CC 24 V
Margen de tensión de funcionamiento AC 5 ... 30 V
Margen de tensión de funcionamiento DC 5 ... 30 V
Polos inconfundibles no
Conexión eléctrica 2 contactos 3 contactos Cable Cable con conector M12 M8x1 Collarín elástico Rosca giratoria Final abierto
Condiciones de control línea Cadena de arrastre: 5 millones de ciclos, radio de curvatura 28 mm Resistencia a la torsión: > 300 000 ciclos, ±270°/0,1 m Resistencia a la flexión alternante según la norma Festo Condiciones de control a pedido
Longitud del cable 0,2 ... 10 m
Característica de la línea Cadena de arrastre+robot
Información sobre el material de la cubierta del cable
TPE-U(PU)
Tipo de fijación Fijado con tornillos Montaje en la ranura por arriba
Par de apriete máximo 0,4 Nm
Posición de montaje indistinto
Información sobre el material del cuerpo refuerzo PA Acero inoxidable de aleación fina
Indicación del estado LED amarillo
Temperatura ambiente con cableado móvil -20 ... 70 °C
Tipo de protección IP65 IP68
Tabla 36: Tabla de características técnicas de detectores de proximidad magnéticos [9]
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Sensor óptico de Barrera fotoeléctrica horquilladla:
Fig. 62 (Esquema eléctrico del detector óptico de horquilla (NPN))
Fig. 63 (Sensor óptico físico)
Características Propiedades
Homologación C-Tick c UL us - Listed (OL)
Marcado CE (ver declaración de conformidad) Según la normativa UE sobre EMC
Indicación sobre el material Conforme con RoHS
Magnitud de la medición Posición
Principio de medición optoelectrónico
Mètodo de medición Barrera fotoeléctrica ahorquillada
Tipo de luz Rojo
Diámetro mínimo de objeto 0,3 mm
Temperatura ambiente -10 ... 60 °C
precisión de repetición 0,03 mm
Salida NPN
Función del elemento de conmutación conmutable
histéresis <= 0,25 mm
Frecuencia máxima de conmutación 2.000 Hz
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Corriente máxima de salida 100 mA
Anticortocircuitaje ciclos
Margen de tensión de funcionamiento DC 10 ... 30 V
Ondulación residual 10 %
Intensidad en reposo 30 mA
Polos inconfundibles Para la conexión de la tensión de funcionamiento
Conexión eléctrica 3 contactos M8x1 Conector
Par de apriege máx. conector tipo clavija 0,3 Nm
Tamaño Horquilla 50x55 mm
Ancho de horquilla 50 mm
Par de apriete máx. 1 Nm con rosca interior 4 Nm con taladro pasante de fijación 3 Nm accesorios
Peso del producto 30 g
Información sobre el material del cuerpo PC
Indicación del estado LED amarillo
Posibilidades de regulación Teach-In
Tipo de protección IP67
Tensión de aislamiento 50 V
Resistencia a la tensión de choque 0,8 kV
Clase de resistencia a la corrosión KBK 0
Grado de ensuciamiento 3
Tabla 37: Tabla de características técnicas de detectores de los detectores ópticos de horquilla [9]
Selección de las bandas de arrastre
El plástico podrá pasar por el formador gracias a la tracción ejercida por el sistema de bandas de arrastre ya
que este sistema impone las mejores propiedades de deslizamiento de la cara interna del material.
Las bandas de arrastre [10] de ninguna manera deben deslizar respecto a sus poleas al momento de la
tracción del material, por lo que se decidió utilizar bandas de sincronización. Además, se requiere un
elevado coeficiente de rozamiento con respecto al material arrastrado, por lo que la banda debe tener un
recubrimiento de algún material abrasivo o tener labrado.
Considerando el diámetro del tubo de alimentación, se decidió utilizar una banda de 15mm de ancho de
paso métrico T5
A partir del paso de la banda, se seleccionó la polea 21-T5-10, donde: 10 es el número de dientes. El
cálculo del diámetro de paso de la polea está determinado por la ecuación.
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Tabla 38 (Selección de la polea para el sistema de arrastre)
Fig. 64 (Selección de la banda para el sistema de arrastre)
Siendo el número de dientes Z = 10.
Como se necesita una relación de transmisión 1:1, la distancia entre centros se determina a partir de la
ecuación: , determinando que la longitud de la banda será de 190 mm.
(56)
Fig. 65 (Detalle de las bandas de arrastre)
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Selección del motor-reductor para el mecanismo de arrastre
Análisis de la cinética del sistema
Con el objetivo de determinar la velocidad angular de las poleas dentadas necesarias para satisfacer los
requerimientos de producción, se desarrolló un análisis cinemático del sistema de arrastre. Por cuestiones
de diseño, se consideró inicialmente que no existe aceleración, es decir que el plástico baja con velocidad
constante. De esta manera:
Donde:
V: Velocidad del plástico [m/s]
L: Distancia a ser arrastrada [m]. (Longitud de la bolsa)
t: Tiempo de arrastre [seg.]
Fig. 66 (Longitud de la bolsa necesaria a ser arrastrada)
Y con los tiempos de arrastre establecidos anteriormente se determina la velocidad:
La velocidad angular con que giran las poleas dentadas está dada por:
(57)
Donde:
ω: Velocidad angular de las poleas dentadas [rad/s.]
V: Velocidad lineal del plástico [m/s]
r: Radio de las poleas dentadas considerando el espesor de la banda [m].
r= 9.75mm + 1mm = 10.75 mm
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Una vez conocidas las revoluciones para abastecer de la envoltura necesaria para el empaquetado se
procede a la selección del motor el cual es un DC ya que la aplicación requiere de una baja potencia.
Fig. 67 (Selección del motor eléctrico DC marca Bosh)
Además se requiere de un reductor con relación de transmisión con la finalidad de obtener las RPM
necesarias, de esta manera se seleccionó basándose en la relación de transmisión.
Fig. 68 (Selección del reductor con relación de transmisión marca REM)
Cálculo de la potencia para jalar el plástico.
A partir de la fuerza necesaria para jalar el plástico, la misma que implica vencer la acción del freno, la
inercia del rollo plástico y el rozamiento. Se determina la potencia.
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Fig. 69 (Fuerzas que actúan en el arrastre del material)
La fuerza de rozamiento entre las bandas y la cara impresa del plástico (Fr1) es la encargada del arrastre del
plástico. Esta fuerza debe ser siempre mayor que la fuerza de rozamiento entre el tubo formador y la cara
interna del plástico (Fr2) para que se produzca deslizamiento del material.
(58)
Donde:
: Coeficiente de rozamiento entre la banda y el plástico u=0.7
: Coeficiente de rozamiento entre el plástico y el tubo formador, u=0.2
N: Fuerza normal generada por la presión que ejercen las bandas de arrastre sobre el plástico y a su vez
sobre el tubo formador.
Fig. 70 (Diagrama de distribución de los cilindros para tensión del plástico)
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Se determina la aceleración angular del motor partiendo de:
(59)
t: Tiempo de aceleración. [seg]; Por cuestiones de diseño se considera t=0.1s
En el análisis cinemático se calculó la aceleración angular de las poleas dentadas, con este valor se
determina la aceleración tangencial del plástico.
(60)
Donde:
at: Aceleración lineal del plástico [m/s2]
rp: Radio de la polea dentada considerando la banda [m]
Suponiendo que esta aceleración permanece constante en todo el trayecto del plástico, se calcula la
aceleración angular del rollo con la ecuación:
Donde es dato entregado por el fabricante [m].
Ancho rollo = 65 mm.
Peso de rollo = 7,25 Kg.
Para determinar la inercia del portabobina incluido el rollo de plástico se utilizó el software de diseño
SolidWorks. A continuación se presentan los resultados obtenidos:
I del rollo de polipropileno (g*mm2) = 148258344.93
I del tubo portabobina (g*mm2) = 21409.46
I del eje portabobina (g*mm2) = 1554433.87
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I total (g*mm2) = 149834188.26
I total (Kg*m2) = 0.149834188
Se remplaza los valores en la siguiente ecuación:
(61)
Fig. 71 (D.C.L. con la fuerza de arrastre)
Fig. 72 (D.C.L. a la entrada del tubo formador)
Finalmente se obtiene la potencia necesaria para el arrastre de la funda.
(62)
Análisis de esfuerzos y fatiga para la flecha del rollo del polipropileno biorientado.
Fig. 73 (Diagrama de cuerpo libre del eje del rollo)
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(AH+)
(63)
Fig. 74 (Diagrama del eje con la carga del rollo)
(64)
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Límite a la fatiga:
Resistencia a la fatiga
(65)
C carga = 1 (Flexión)
C tamaño =
C superficie =
C temp = 1 (trabaja a temperatura de 20 °C)
C confiabilidad = 0.659 (con % de confiabilidad 99.999%)
Se = 1*(0.854)*(0.921)*1*(0.659)*200 Mpa = 103.67
Los cálculos realizados dan como resultado un factor de seguridad elevado lo que indica que el rodillo
seleccionado es más que adecuado y óptimo ya que la aplicación en la que se va a implementar no es muy
exigente. Se podría reducir el factor de seguridad cambiando el tipo del material, sin embargo se mantiene
con el acero inoxidable ya que es el más adecuado para estar en contacto directo con productos
alimenticios.
Alimentación neumática
Además se realizó un estudio para determinar la infraestructura de la alimentación neumática.
El sistema a diseñar consta de una tubería primaria de la cual saldrán cinco ramificaciones para la
alimentación de cinco equipos detallados a continuación con el consumo en lt/min de cada uno y la presión
requerida en bar para su funcionamiento:
No Elementos
Presión requerida [bar] Consumo Cant.
Consumo Final
bar psi lt/min pcm lt/min pcm
1 Piston 6 87 1.97 0.07 5 9.85 0.35
2 Piston 6 87 0.21 0.01 2 0.42 0.02
3 Piston 6 87 15.40 0.54 1 15.40 0.54
4
Actuador de
Giro 6 87 0.03 0.001 1 0.03 0.001
TOTAL 25.69 0.92
Tabla 39: Descripción de equipos a ser alimentados
Como el consumo para este sistema es mínimo se estima un consumo de 1 pcm
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Dimensionamiento de la tubería principal
Para esta instalación neumática se utilizará una lista de las tuberías de acero cédula 40 disponibles. Se
asume un diámetro de 1’ para realizar los cálculos y ver si este dimensionamiento cumple con los
requerimientos de pérdidas de energía menores al 10% de la presión suministrada.
DIMENSIONES DE TUBERÍAS DE ACERO
Cédula 40
Fig. 75 (Dimensiones de tuberías de acero. Cédula 40)
El diámetro interior de la tubería es de y el area es de . A continuación se
plantea la ecuación de Bernoulli entre la salida del compresor hasta la entrada de la máquina para
determinar la caída de presión:
(66)
En el diseño se pretende tener una P1 similar a P2, el cambio en el peso específico del aire es despreciable
por lo que se asume que . Este valor se obtiene de realizando el siguiente cálculo, asumiendo
condiciones de trabajo de 100 psi y 80 F. [4]
Las alturas se cancelan en la ecuación de Bernoulli ya que la variación de altura no produce un cambio
significativo en la presión, y las velocidades se anulan porque el tamaño de la tubería va a ser el mismo,
dando la misma velocidad. La ecuación simplificada se muestra a continuación:
(67)
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Siendo P1 la presión en el compresor. Las pérdidas de energía están representadas por hL, para encontrar
este valor se utiliza la ecuación de Darcy, en la cual se incluyen los efectos de las pérdidas menores:
(68)
Donde es la relación de la longitud de la tubería principal al diámetro de flujo y
es la carga de
velocidad. La longitud de la tubería principal es de L=14 m ó L=551.12 in. Con estos datos se calcula la
longitud equivalente de la tubería utilizando su diámetro:
De igual manera se calcula las longitudes equivalentes de las válvulas y acoples que se encuentran en la
tubería principal, los cuales generan pérdidas menores.
Fig. 76 (Resistencia de válvulas y acoplamientos, expresadas como longitud equivalente en diámetros de
tubería Le/D)
RESISTENCIA DE VÁLVULAS Y ACOPLAMIENTOS COMO LONGITUD
EQUIVALENTE
Tipo Cantidad
Válvula de compuerta abierta completamente 2 8 16
Codo estándar a 90 6 30 180
Te estándar con flujo a través de un tramo 1 20 20
Te estándar con flujo en el ramal 1 60 60
Total 276
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La velocidad del flujo v se calcula con la ecuación de la continuidad. Para esto se debe calcular el flujo
volumétrico utilizando el valor de consumo de aire total calculado. El cálculo de las demás componentes de
la ecuación de Darcy se muestra detalladamente a continuación:
(69)
Donde:
Qa = Flujo volumétrico en condiciones reales
Qs = Flujo volumétrico en condiciones estándar
Patm-s = Presión atmosférica absoluta estándar
Patm = Presión atmosférica absoluta real
Pa = Presión real manométrica
Ta = Temperatura absoluta real
Ts = Temperatura absoluta estándar = 520 R ó 288 K
Donde
V = velocidad de flujo
A = Area de la tubería
Carga de velocidad
Factor de fricción
Densidad del aire
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Cabe recalcar que la viscosidad dinámica de un gas no cambia mucho con los cambios de presión, por ello
se manejan los datos de la tabla mostrada a continuación, en la cual se muestran diferentes valores de la
viscosidad dinámica del aire a presión atmosférica a diferentes temperaturas. Esto no puede ser asumido de
igual manera con la viscosidad cinemática.
Fig. 77 (Propiedades del aire vs temperatura en unidades del sistema ingles a presión atmosférica)
Número de Reynolds
Rugosidad Relativa
En el diagrama de Moody podemos ingresar los valores de la rugosidad relativa y el número de Reynolds
para obtener el factor f y si este coincide con el factor de fricción para la tubería en sí, la relación L/D para
la tubería se agrega al total Le/D para las válvulas y acoplamientos:
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Fig. 78 (Factor de fricción en zona de turbulencia completa para conductos de acero comercial nuevo y
limpio)
Como los valores obtenidos del diagrama de Moody coinciden con los del ft de la tabla anterior se calcula
una longitud equivalente total:
Una vez obtenido estos valores se halla el valor de las pérdidas de energía con la ecuación de Darcy
(70)
Caída de presión en la tubería:
Presión en el compresor
Como el cambio de presión es menor que el 10% es correcto asumir que el peso específico del aire es
constante. Si ocurriera una caída de presión mayor, habría que volver a diseñar el sistema con el uso de una
tubería más grande, o ajustar el peso específico al promedio de aquellos, al principio y al final del sistema.
Este diseño de sistema parece satisfactorio respecto a la caída de presión.
CÁLCULO DEL COMPRESOR [11]
La principal consideración en la selección de un compresor es la producción de un suministro adecuado de
aire comprimido al mínimo coste, asegurando un servicio permanente. La instalación de un sistema de
generación de aire comprimido precisa una inversión de capital con consiguientes costes de funcionamiento
y mantenimiento. La información en la que se basa la selección debe ser lo más exacta posible.
La mayoría de equipos de aire trabajan a una presión de 80 a 100 psig por lo que es muy común
suministrar una presión principal de 100 psig para poder absorber las pérdidas de carga.
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Factor de Uso
Para el trabajo continuo de una herramienta neumática se necesita un compresor que por lo menos de tanto
aire como consume la o las herramientas. En el presente proyecto se utilizará un factor de uso =1 ya que los
equipos estarán funcionando constantemente.
Factor de simultaneidad
Este factor depende del número de máquinas o herramientas iguales en funcionamiento. Si suponemos que
todas están funcionando simultáneamente, el consumo es tan grande como la suma de cantidades de aire
que ellas consumen. Es fácil comprender que tal simultaneidad solamente ocurre en muy pocas ocasiones y
nunca durante largos periodos de tiempo. Al contrario, hay un desfase entre los periodos en que cada una
esta en funcionamiento.
La capacidad de cada herramienta para iniciar su operación de trabajo después de la otra, aumenta con el
número de herramientas iguales, en vez de acumularse la cantidad de aire en todas ellas.
Fig. 79 (Factor de Simultaneidad)
Elementos Cant. Caudal
[pcm]
Factor Uso Factor simult. caudal total
[pcm]
Cilindro banda 1 5 0.07 1 0.8 0.28
Cilindro banda 2 2 0.01 1 0.9 0.018
Actuador de giro 1 0.001 1 0.95 0.00095
Cilindro sellador 1 0.54 1 0.95 0.513
Total pcm 0.81195
Tabla 41: Descripción de los elementos a utilizar
Un compresor que suministre aproximadamente 1 pcm puede considerarse suficiente para esta instalación.
Sin embargo, es necesario hacer prever un aumento para dar cabida a una ampliación de la producción en el
futuro con el consiguiente aumento de herramientas neumáticas y un caudal perdido por fugas de aire. Este
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aumento no debe ser inferior al 50% para hacer posible la adquisición sucesiva de herramientas
complementarias que siempre está relacionada con una nueva planta.
La presión del compresor es aproximadaente 90 psi la cual se la puede aproximar a 100 psi. Esta presión es
mayor a la presión de trabajo de los equipos.
Con los datos obtenidos podemos ir hacia la siguiente tabla para escoger el compresor que cubra nuestras
necesidades. Caudal=1.2m3*h, presión=6.89 bar
Fig. 80 (Selección de Compresores) [7]
Según los requerimientos del sistema el compresor recíproco de una etapa es el adecuado para esta
aplicación, mas estos compresores resultan un poco costosos con referencia al compresor centrífugo de una
etapa, por lo que se seleccionará este, ya que el punto de operación de nuestro sistema tambien se encuentra
dentro del rango de trabajo de este.
MODELO 3D
Una vez realizados todos los cálculos se realiza el modelo 3D con los valores de las tuberías y dimensiones
del pulmón de aire del sistema. Este diseño se lo realiza con la ayuda de programas de dibujo asistido por
computador, en este caso AutoCad.
Además se realizaron estudios de ciertas piezas para analizar el comportamiento de los mismos durante el
funcionamiento de la máquina, para lo cual se utilizó como herramienta el Solidworks los cuales se
encuentran en los Anexos.
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ANÁLISIS DE COSTOS
Costos de Producción del Equipo
Es importante realizar un análisis económico para poder determinar el valor de la inversión en el diseño y
construcción del equipo.
Costos directos
Al realizar un estudio de costos directos debe considerarse los siguientes aspectos: Materiales, equipos,
herramientas, mano de obra, transporte, varios.
Tabla 41. (Costo de Metales por Kilogramo)
Con el costo por kilogramo de los materiales que se van a utilizar podemos calcular de manera precisa el
valor total de la materia prima de las diferentes piezas diseñadas.
COSTO DE MATERIAL POR KG
MATERIAL COSTO POR KG [$]
ACERO A-36 2.7
ACERO A-304 9.5
ACERO AISI 1035 4.5
ACERO 7210 4.5
ALUMINIO A-1060 22
GRILON PA TIPO 6 32
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