PROYECTO PARA LA ACTUALIZACIÓN DE UNA EXTRUSORA …

CDMX, SEPTIEMBRE, 2018

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIRÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS” ZACATENCO

PROYECTO PARA LA ACTUALIZACIÓN DE UNA EXTRUSORA PARA EL RECICLAJE DE POLIESTIRENO DE ALTO IMPACTO

TESIS

PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

DIRIGIDA POR:

ING. IGNACIO MARTÍNEZ SÁNCHEZ

M. EN C. ALFREDO CONTRERAS MONDRAGÓN

PRESENTAN:

MISAEL SALVADOR ARREDONDO PÉREZ

ERICK ALEXIS DEL RÍO SUÁREZ

OCTAVIO MARCHENA AVILA

Índice General Planteamiento del Problema ............................................................................................... i

Justificación ....................................................................................................................... iii

Objetivos ............................................................................................................................ v

General .......................................................................................................................... v

Particulares .................................................................................................................... v

Alcance .............................................................................................................................. v

Resumen ........................................................................................................................... 1

Capítulo 1: Marco Teórico .................................................................................................. 3

1.1 Estado del arte ............................................................................................................. 5

1.2 El plástico .................................................................................................................... 6

1.3 Evolución del plástico .................................................................................................. 8

1.4 El apogeo del plástico .................................................................................................. 8

1.5 Poliestireno .................................................................................................................. 9

1.5.1 Grados de Poliestireno ........................................................................................ 10

1.5.2 Industria de resinas sintéticas en México ............................................................ 11

1.6 Poliestireno de alto impacto (HIPS)............................................................................ 11

1.6.1 Proceso industrial del HIPS ................................................................................. 12

1.6.2 Propiedades generales del Poliestireno de alto impacto (HIPS) .......................... 13

1.6.3 Propiedades mecánicas del HIPS ....................................................................... 14

1.7 Reconocimiento e identificación de plásticos ............................................................. 15

1.8 Gestión de los plásticos ............................................................................................. 17

1.9 Impacto del plástico en el mundo ............................................................................... 17

1.10 Reciclado de plástico en el mundo ........................................................................... 19

1.11 Composición de la basura en México ....................................................................... 19

1.11.1 Alternativas para el manejo de plástico ............................................................. 21

1.11.1.1 Problemática de las incineradoras .............................................................. 22

1.12 Reciclaje de plásticos en la Ciudad de México ......................................................... 23

1.12.1 Reciclaje del PS y HIPS .................................................................................... 24

1.12.2 Proceso de reciclaje del HIPS ........................................................................... 25

1.13 Historia de la extrusión ............................................................................................. 26

1.14 Extrusión .................................................................................................................. 28

1.14.1 Proceso de extrusión ......................................................................................... 30

1.14.2 Componentes de la extrusora ............................................................................ 33

1.14.2.1 Tornillo de extrusión .................................................................................... 33

1.14.2.2 Cilindro ...................................................................................................... 35

1.14.2.3 Garganta de alimentación ........................................................................... 35

1.14.2.4 Tolva ........................................................................................................... 36

1.14.2.5 Filtros .......................................................................................................... 36

1.14.2.6 Cabezal y boquilla ....................................................................................... 37

1.15 Tipos de extrusoras ................................................................................................. 38

1.15.1 Extrusoras de pistón ...................................................................................... 38

1.15.2 Bombas de extrusión ..................................................................................... 39

1.15.3 Extrusoras de tambor rotatorio ....................................................................... 40

1.15.4 Extrusoras de rodillos..................................................................................... 40

1.15.5 Extrusora de tornillo ....................................................................................... 41

1.16 Acciones básicas de control ..................................................................................... 42

1.17 Reglas de sintonización para controladores PID ...................................................... 44

Capítulo 2 Diagnóstico Actual .......................................................................................... 49

2.1 Análisis FODA ........................................................................................................... 51

2.2 Diagrama de Ishikawa ............................................................................................... 52

2.3 Condiciones actuales de la extrusora......................................................................... 53

2.3.1 Plano de Distribución ........................................................................................... 53

2.3.2 Diagrama de flujo del proceso ............................................................................. 55

2.3.3 Diagnostico del Proceso ...................................................................................... 56

2.4 Producción actual de la extrusora .............................................................................. 67

2.5 Consumo energético de la extrusora.......................................................................... 67

2.6 Argumentos relevantes para el desarrollo del anteproyecto ....................................... 70

2.6.1 Descripción de argumentos ................................................................................. 70

2.7 Sustentabilidad .......................................................................................................... 72

2.7.1 Sustentabilidad social .......................................................................................... 73

2.7.2 Sustentabilidad económica .................................................................................. 73

2.7.3 Sustentabilidad ambiental.................................................................................... 74

Capítulo 3: Análisis y Formulación de Propuestas ........................................................... 75

3.1 Análisis de Componentes .......................................................................................... 77

3.1.1 Sistema eléctrico actual para arranque del motor ................................................ 77

3.1.1.1 Conductores del circuito eléctrico.................................................................. 78

3.1.1.2 Fusibles y portafusibles ................................................................................. 78

3.1.2 Motor ................................................................................................................... 79

3.1.3 Motorreductor ...................................................................................................... 81

3.1.4 Potencia necesaria para el husillo de la extrusora ............................................... 83

3.1.5 Sistema térmico del cañón .................................................................................. 84

3.1.5.1 Resistencias eléctricas .................................................................................. 85

3.1.5.2 Temperatura en zonas de extrusión .............................................................. 85

3.1.6 Pirómetros ........................................................................................................... 86

3.1.7 Cambia mallas ..................................................................................................... 86

3.2 Propuestas................................................................................................................. 87

3.2.1 Propuesta para la seguridad de los operadores .................................................. 87

3.2.1.1 Guardas en sistemas de transmisión de energía .......................................... 88

3.2.2 Consideraciones de seguridad según NOM-004-STPS-1999 .............................. 88

3.2.2.1 Obligaciones de los trabajadores .................................................................. 88

3.2.2.2 Propuesta Tarjetas de aviso.......................................................................... 89

3.2.2.3 Programa específico de seguridad para la operación y mantenimiento de la

maquinaria y equipo ................................................................................................. 89

3.2.3 Tipos de control de la velocidad de un motor ...................................................... 90

3.2.4 Propuesta para utilización de un variador de frecuencia ...................................... 91

3.2.5 Propuesta de control de temperatura .................................................................. 94

3.2.5.1 Identificación de función de transferencia para el sistema térmico de la

extrusora................................................................................................................... 95

3.2.5.2 Diagrama unifilar propuesto para sistema térmico del cañón ...................... 114

3.2.6 Propuesta de cambia mallas ............................................................................. 115

3.3 Selección de equipo ................................................................................................. 115

3.3.1 Selección de conductores ................................................................................. 115

3.3.2 Selección de variador de frecuencia .................................................................. 117

3.3.3 Selección de controlador de temperatura .......................................................... 118

3.3.4 Selección de Cambia mallas ............................................................................. 120

3.4 Implementación ....................................................................................................... 121

Capítulo 4: Análisis de Costos ....................................................................................... 123

4.1 Factibilidad del proyecto .......................................................................................... 125

4.2 Costos de material ................................................................................................... 126

4.3 Costo directo de mano de obra ................................................................................ 127

4.3.1 Costo de Hora- Hombre (H-H) ........................................................................... 128

4.3.2 Factor por indirectos .......................................................................................... 128

4.4 Costo total del proyecto ........................................................................................... 129

4.5 Ingreso con implementación de equipo .................................................................... 129

4.5.1 Producción ........................................................................................................ 129

4.5.2 Consumo de energía ......................................................................................... 131

4.6 Recuperación de inversión ....................................................................................... 132

Conclusiones ................................................................................................................. 133

Recomendaciones ......................................................................................................... 135

Referencias ................................................................................................................... 137

Anexos .......................................................................................................................... 139

Anexo 1 ......................................................................................................................... 139

Anexo 2 ......................................................................................................................... 140

Anexo 3 ......................................................................................................................... 141

Anexo 4 ......................................................................................................................... 144

Anexo 5 ......................................................................................................................... 146

Anexo 6 ......................................................................................................................... 148

Anexo 7 ......................................................................................................................... 150

Anexo 8 ......................................................................................................................... 152

Índice de Figuras

Figura 1 “Principales usos del Poliestireno en México” .................................................... 10

Figura 2 “Diagrama de flujo para el proceso de obtención del HIPS en masa”................. 12

Figura 3 “Códigos para reciclaje” ..................................................................................... 16

Figura 4 “Porcentajes de residuos generados en la CDMX”............................................. 20

Figura 5 “Mercado de plásticos en México 2010” ............................................................. 24

Figura 6 “Proceso de reciclaje de HIPS” .......................................................................... 26

Figura 7 “Proceso básico de extrusión” ............................................................................ 28

Figura 8 “Representación esquemática de una extrusora de husillo simple.” ................... 31

Figura 9 “Zonas de una extrusora” ................................................................................... 32

Figura 10 “Posibles combinaciones de los husillos de extrusoras” ................................... 33

Figura 11 “Tornillo de una extrusora de husillo simple” .................................................... 34

Figura 12 “Distintas combinaciones de tornillos para extrusora.” ..................................... 34

Figura 13 “Cilindro de extrusora” ..................................................................................... 35

Figura 14 “Esquema general de la garganta de alimentación de una extrusora.” ............. 36

Figura 15 “Tipos de tolvas de extrusoras” ........................................................................ 36

Figura 16 “Plato rompedor” .............................................................................................. 37

Figura 17 “Boquilla anular y cabezal” ............................................................................... 38

Figura 18 “Extrusora de pistón.” ....................................................................................... 39

Figura 19 “Bomba de extrusión Extrex GPD de Maag.” ................................................... 39

Figura 20 “Extrusora de tambor rotatorio marca MRS” ..................................................... 40

Figura 21 “Extrusora de rodillos.” ..................................................................................... 41

Figura 22 “Extrusora de tornillo marca Bregar.” ............................................................... 41

Figura 23 ”Determinación de la última ganancia” ............................................................. 45

Figura 24 “Razón de amortiguamiento” ............................................................................ 46

Figura 25 ”Curva de Reacción del Proceso usando el método de los dos Puntos” .......... 47

Figura 26 “Plano de distribución del lugar” ....................................................................... 53

Figura 27 “Diagrama de flujo del proceso de extrusión de HIPS” ..................................... 55

Figura 28 “Paca de Poliestireno” ...................................................................................... 56

Figura 29 “Pieza de Poliestireno” ..................................................................................... 56

Figura 30 “Instalación eléctrica actual para la alimentación de la maquinaria” ................. 57

Figura 31 “Instalación eléctrica actual” ............................................................................. 57

Figura 32 “Placa de datos motor” ..................................................................................... 58

Figura 33 “Motorreductor” ................................................................................................ 59

Figura 34 “Mecanismo Interno del Motorreductor” ........................................................... 59

Figura 35 “Molino para obtener escamas del HIPS” ......................................................... 60

Figura 36 “Tolva” ............................................................................................................. 60

Figura 37 “Tablero de conexiones” .................................................................................. 61

Figura 38 “Pirómetro indicadores de temperatura” ........................................................... 61

Figura 39 “Preparación de malla limpia”........................................................................... 62

Figura 40 “Herramienta a utilizar para cambio de malla” .................................................. 62

Figura 41 “Desenergizar Motor” ....................................................................................... 63

Figura 42 “Aflojado de tornillos” ....................................................................................... 63

Figura 43 “Giro del Plato” ................................................................................................. 64

Figura 44 “Retirado de malla sucia” ................................................................................. 64

Figura 45 ”Limpieza de la malla sucia” ............................................................................. 65

Figura 46 “Regresar plato a la posición original” .............................................................. 65

Figura 47 “Encender el Motor” ......................................................................................... 66

Figura 48 “Comparación entre malla limpia (a) y malla utilizada (b)” ................................ 66

Figura 49 “Mediciones de consumo, FLUKE 41B” ........................................................... 68

Figura 50 “Fotografía panorámica del espacio de producción” ......................................... 71

Figura 51 “Diagrama de conexión actual al motor de la extrusora” .................................. 77

Figura 52 “Diagrama de conexión de motores, art. 430” .................................................. 80

Figura 53 “Sistema de alimentación a extrusor” ............................................................... 82

Figura 54 “Sistema térmico del cañón” ............................................................................ 84

Figura 55 “Tablero de control del sistema térmico” .......................................................... 85

Figura 56 “Pirómetros” ..................................................................................................... 86

Figura 57 “Sistema de trasmisión de energía sin guarda” ................................................ 88

Figura 58 “Diagrama para arranque de motor en extrusora” ............................................ 92

Figura 59 “Diagrama para arranque de motor con VFD” .................................................. 92

Figura 60 “Lazos de control abierto de las seis zonas de calentamiento”....................... 103

Figura 61 “Lazos de control abierto de las seis zonas de calentamiento”....................... 105

Figura 62 “Lazos de control con control P para las seis zonas de calentamiento” .......... 107

Figura 63 “Diagrama de bloques con sensor en retroalimentación” ............................... 111

Figura 64 “Diagrama de conexión del VDF Marca Delta” ............................................... 118

Figura 65 “Control Multibucle Omega CN1507” ............................................................. 119

Figura 66 “Guardas en molido para la generación de escama de HIPS” ........................ 121

Índice de Tablas

Tabla 1 “Comparación de características entre termoplásticos y termoestables.” .............. 7

Tabla 2 “Comparación entre distintos tipos de plásticos.” .................................................. 7

Tabla 3 “Mercado de resinas sintéticas en México” ......................................................... 11

Tabla 4 “Propiedades del Poliestireno de Alto Impacto” ................................................... 14

Tabla 5 “Propiedades mecánicas del HIPS” ..................................................................... 15

Tabla 6 “Residuos Reciclados en CDMX” ........................................................................ 21

Tabla 7 “Constitución de refrigeradores, acero con respecto al plástico.” ........................ 24

Tabla 8 “Ecuaciones para Ajustes de Controladores” ...................................................... 45

Tabla 9 “Parámetros de sintonización por el Método de Ziegler-Nichols a Lazo Abierto” . 48

Tabla 10 “Producción semanal de material pelletizado” ................................................... 67

Tabla 11 “Producción semanal, mensual y anual de material pelletizado” ....................... 67

Tabla 12 “Tabla de consumo eléctrico” ............................................................................ 68

Tabla 13 “Costo del consumo eléctrico” ........................................................................... 69

Tabla 14 “Consumo de un día a diferentes horarios” ....................................................... 70

Tabla 15 “Corriente a plena carga de motores trifásicos de C.A.” .................................... 78

Tabla 16 “Fusibles para alimentación” ............................................................................. 79

Tabla 17 “Resistencias en el cañón de extrusora” ........................................................... 85

Tabla 18 “Tiempo perdido al cambiar la malla” ................................................................ 86

Tabla 19 “Características de las tarjetas de aviso” ........................................................... 89

Tabla 20 “Comparación entre distintos sistemas de arranque” ........................................ 93

Tabla 21 “Tiempo en alcanzar la temperatura establecida zona 1” .................................. 96






Tabla 27 “Ganancias del control P para las seis zonas” ................................................. 106

Tabla 28 “Ganancias del control PI para las seis zonas” ................................................ 108

Tabla 29 “Ganancias del control PID para las seis zonas” ............................................. 109

Tabla 30 “Capacidad de corriente de los conductores” .................................................. 116

Tabla 31 “Selección de conductores eléctricos” ............................................................. 116

Tabla 32 “Comparación de Variadores de Frecuencia Propuestos” ............................... 117

Tabla 33 “Comparación de cambia malla” ...................................................................... 120

Tabla 34 “Catalogo de Conceptos” ................................................................................ 126

Tabla 35 “Salario Ingeniero en Control y Automatización” ............................................. 128

Tabla 36 ”Costo de la Hora-Hombre” ............................................................................. 129

Tabla 37 “Comparación de tiempos para realizar el cambio de mallas” ......................... 130

Tabla 38 “Producción solo de los 2 costales más que se estiman producir.” .................. 131

Tabla 39 “Costo de kWh con variador Delta” ................................................................. 132

Índice de Graficas

Gráfica 1 “Producción mundial de plásticos de 1950 a 2013” ........................................... 18

Gráfica 2 “Comportamiento del Poliestireno en México, durante 2012” ............................ 25

Gráfica 3 “Respuesta de temperatura en Zona 1” ............................................................ 98




Gráfica 7 “Respuesta de temperatura en Zona 5” .......................................................... 100

Gráfica 8 “Respuesta de temperatura en Zona 6” .......................................................... 100

Gráfica 9 “Respuesta de las seis zonas de calentamiento a lazo abierto” ...................... 104

Gráfica 10 “Respuesta de las seis zonas de calentamiento a lazo cerrado” ................... 105

Gráfica 11 “Respuestas de las zonas térmicas con control P” ....................................... 107

Gráfica 12 “Respuestas de las zonas térmicas con control PI” ...................................... 108

Gráfica 13 “Respuestas de las zonas térmicas con control PID” .................................... 109

Gráfica 14 “Respuestas de las zonas térmicas con sensor en retroalimentación y control

P” ................................................................................................................................... 112


PI” .................................................................................................................................. 112


PID” ............................................................................................................................... 113

Página i

Planteamiento del Problema

La máquina de la marca Sterling, se encuentra en una pequeña empresa, la cual

fue adquirida después de haber permanecido por un lapso impreciso de tiempo

totalmente detenida. Debido a la antigüedad de esta, no se cuenta con

documentación, ni fue posible conseguir información acerca del equipo.

Dado a las circunstancias de la empresa y el auge en México que representa la

recuperación de materiales reciclables, la oportunidad de adquirir el equipo,

permitió a la empresa comenzar a operar a través del reciclaje de material que

resulta como sobrante en la manufactura de equipo farmacéutico.

Dado a las circunstancias en las que el equipo fue recuperado se presentan

diversas deficiencias en el mismo. La puesta en marcha no fue realizada de

manera adecuada, dado a que la empresa no podía costear la realización de

ingeniería adecuada que cumpliera con los requerimientos necesarios para el

correcto funcionamiento, así que la puesta en marcha que se llevó a cabo basado

en conocimientos empíricos y con el único objetivo de arrancar el equipo.

La forma más común para el reciclaje de plásticos, se realiza a través de un

extrusor, los hay para distintas capacidades y en distintos tipos para diferentes

aplicaciones. La mayoría de la empresas que fabrican y diseña estos equipos,

tiene como cede países Asiáticos o Europeos, en México hay distintas empresas

encargadas de la fabricación o exportación de extrusoras, dado a lo caro de estos

equipos, no es posible para la empresa adquirir una extrusora nueva o reciente,

por lo que resulta conveniente adaptar el equipo actual.

El principal problema en el equipo está relacionado con el arranque del motor

encargado de trasmitir energía al husillo, ya que se arranca de forma directa,

traduciéndose en elevados consumos de energía eléctrica y generando altas

tarifas de cobro en el servicio. En cuanto al sistema eléctrico y de control del

sistema térmico en el cañón no hay estandarización por lo que no es posible

garantizar un óptimo funcionamiento y podría influir en el proceso de extrusión del

poliestireno de alto impacto. Además de contemplarse medidas adecuadas para

proveer seguridad en el proceso para los operarios de la máquina.

Página iii

Justificación

Actualmente la utilización de plásticos en la vida diaria del hombre se traduce en la

presencia creciente de desperdicios. Lo que desde el punto de vista de expertos,

es condenar la existencia del hombre en el planeta, el plástico no es

biodegradable y tarda bastante tiempo en desaparecer por erosión, de esta forma

y como única alternativa, el reciclaje de estos materiales da pauta a poder fabricar

nuevos y darle un segundo uso a lo que diariamente se genera como basura.

El material con el que se trabaja es el rezago de la producción en la industria

farmacéutica, en su mayoría. Por lo que es material de procedencia virgen, es

decir el “desperdicio” de los procesos de producción, son remanente nunca antes

utilizado y que por lo tanto no se encuentra contaminado.

Actualmente el equipo se encuentra en una pequeña empresa, por lo cual la no

sería posible costear una maquina nueva, debido a esto la puesta en marcha de la

misma se llevó a cabo con el único objetivo de poder comenzar a producir pellets,

lo que de manera involuntaria presento diversas deficiencia en la extrusora.

La adquisición y puesta en marcha del equipo se realizó sin documentación o

desarrollo previo, lo que se traduce en una gran derrama económica en cuanto a

costos de consumo energético, además de ofrecer nula seguridad a los

operadores de la máquina.

En promedio se obtienen 40 kg de pellets de plástico en 30 minutos, por lo que se

busca mayor eficiencia en la máquina, aumentando la producción, minimizando de

la mayor manera posible el consumo de energía eléctrica.

Debido a las circunstancias en la que se encuentra el equipo, la mejor alternativa

para el negocio, es desarrollar una propuesta en los ámbitos en los que se

presenta un déficit, buscando de cierta forma acercarse a los modelos de

extrusoras más recientes, para cubrir las demandas del mercado.

Página v

Objetivos

General

Optimizar el funcionamiento de una extrusora marca “Sterling” corrigiendo sus

deficiencias para aumentar su producción, reduciendo costos en consumo de

energía eléctrica y ofreciendo seguridad al operador.

Particulares

• Controlar la temperatura en el cañón

• Cambiar el método de arranque del motor

• Verificar el cumplimiento de permisivos

Alcance

Debido a las condiciones del equipo, se planteara un sistema que permita mejorar

la seguridad hacia el operador, facilitando el acceso al manejo del equipo.

Reduciendo los tiempos innecesarios para el arranque y durante el proceso de

extrusión, de acuerdo a las características de los equipos con los que cuenta la

extrusora, implementar la ingeniería necesaria para reducir costos innecesarios en

el proceso.

Se plantea bosquejar una serie de mejoras en el equipo que permitan disminuir los

costos de operación, mejorando las utilidades de la empresa. De acuerdo a las

peticiones del dueño, la propuesta, disminuirá los costos en el proceso de

extrusión, logrando un producto más rentable, de acuerdo a las necesidades de la

empresa.

Página 1

Resumen

El presente trabajo comienza abordando los conceptos básicos del plástico, así

como su aparición y apogeo en el mercado. De igual manera el incremento de la

utilización de materiales plásticos, equiparándose con la producción mundial del

metal. Al igual que los conceptos que definen a los estirénicos, sus aplicaciones y

en específico el poliestireno de alto impacto; proceso para la obtención,

aplicaciones, propiedades y método de reciclaje. La situación del reciclaje en

México a partir del año 2000 y como ha incrementado el manejo responsable de

los desechos generados en el país.

En el segundo capítulo se describe el estado actual de la extrusora planteando las

deficiencias, así como los fundamentos para la realización de las propuestas,

como los son, los aspectos económicos en los que se puede mejorar y benefician

directamente a la empresa. Otro aspecto importante es la sustentabilidad de tener

un proceso más eficiente, utilizando la menor cantidad de recursos posibles,

según el INEGI, en México solamente se reutiliza el 11 por ciento de las 86 mil

toneladas de basura que se generan al día en el país. Dado que en la empresa,

tiene una producción semanal de 7,200 kilogramos, con el diseño adecuado, se

busca reducir los costos de producción, consiguiendo un precio más competitivo

en el mercado.

Las áreas de oportunidad de mejora en la extrusora, se tratan en el tercer capítulo.

Al investigar la situación de estos equipos en el país, nos dimos cuenta de que

muchas de las empresas más importantes dentro de este sector, tienen como

sede países europeos o asiáticos; en México existen empresas que diseñan y

construyen o importan extrusoras. Investigando acerca de estos equipos, el precio

de una extrusora más reciente con poco uso o nueva, resulta muy elevado, por lo

tanto para la empresa no es costeable poder adquirir una extrusora más reciente.

Se pretende proponer una serie de mejoras en el equipo abordando la selección

de equipo y dispositivos adecuados, la empresa decidirá el tiempo en cual

comenzara el proceso de implementación, para la mejora de la extrusora. Dado a

las limitantes que se tienen en el sector de las Pymes, los cambios serán llevados

a cabo cuando resulte conveniente para la empresa, quedando como antecedente

el desarrollo adecuado de las mejoras

En el cuarto capítulo, se aborda el análisis económico que generaría para la

empresa, la implementación de la ingeniería desarrollada.

Capítulo 1:

Marco

Teórico

Página 5

1.1 Estado del arte

El término polímero, es mucho más amplio y útil que el de plásticos, se sabe que

fue utilizado por el químico sueco Jöns Jacob Berzelius desde 1883.

Etimológicamente la palabra polímero proviene de las raíces griegas: poli

(muchos) y meros (partes), es decir se trata de una substancia conformada por la

repetición de la misma unidad química.

Al igual que en otros procesos productivos, los plásticos reconocen dos momentos

diferenciados: la elaboración de productos plásticos a partir de fibras existentes en

la naturaleza y la elaboración de productos sintéticos propiamente dichos, es decir

no existentes en la naturaleza.

En 1000 a. C., los olmecas encontraron diferentes aplicaciones del hule, que se

extraía de árboles, se utilizaba para impermeabilizar telas y canoas; también se

empleaba como adhesivo, para preservar objetos, en emplastos para curaciones,

como combustible para antorchas, y en la elaboración de pelotas. Los aztecas lo

conocían como ulli, que significa movimiento. Los conquistadores de este pueblo,

los españoles, lo llevaron a Europa, en donde no pasó de ser visto como mera

curiosidad; y no fue sino hasta que llega a los ingleses cuando se le dio un uso

práctico.

Polímeros como el originado por la modificación de la celulosa con nitratos llegó a

conocerse durante el siglo XIX como “celuloide” y fueron muchos los beneficios

que brindó y brinda a la sociedad. Poliestireno y el poli (etilénglicol) datan del

mismo siglo.

En 1839, Charles Goodyear, de Estados Unidos, Macintosh y Hancock, de

Inglaterra, obtuvieron la vulcanización de hule.

El 1860, Wesley Hyatt desarrolló un método de procesamiento a presión de la

piroxilina, un nitrato de celulosa de baja nitración tratado previamente con alcanfor

y una cantidad mínima de disolvente de alcohol. Con él se empezaron a fabricar

distintos objetos como mangos de cuchillo, armazones de lentes y película

cinematográfica.

En 1909 el químico norteamericano de origen belga Leo Hendrik Baekeland

sintetizó un polímero de interés comercial, a partir de moléculas de fenol y

formaldehído. Este producto podía moldearse a medida que se formaba y

resultaba duro al solidificar.

Página 6

En 1914, se intensificó el uso del celuloide y sus derivados, como el acetato de

celulosa, que permitió aplicaciones a los vehículos aéreos militares del momento

(dirigibles y la incipiente aviación).

1.2 El plástico

Los plásticos son sustancias orgánicas de alto peso molecular que se sintetizan

generalmente a partir de compuestos de bajo peso molecular. También pueden

obtenerse por modificación química de materiales naturales de alto peso molecular

(en especial la celulosa). La mayoría de los compuestos denominados “plásticos”

son polímeros sintetizados a partir de compuestos orgánicos.

Los plásticos se caracterizan por una alta relación resistencia/densidad, que son

propiedades excelentes para el aislamiento térmico, eléctrico y de buena

resistencia a los ácidos, álcalis y solventes. Las enormes moléculas de las que

están integradas pueden ser lineales, ramificadas o entrecruzadas, dependiendo

del tipo de plástico. Se pueden dividir en dos grandes grupos en función de su

comportamiento ante el calor: los que son termoplásticos y los plásticos

termoestables. Los primeros se caracterizan por estar compuestos de moléculas

lineales con pocos o ningún enlace cruzado, que se reblandecen al calentarse y

empiezan a fluir; al enfriarse se vuelven sólidos nuevamente. Este proceso se

puede repetir numerosas veces. Ocurre lo contrario con los productos

termoestables, los cuales consisten inicialmente de moléculas lineales que por

calentamiento forman irreversiblemente una red de enlaces cruzados, dando un

producto final generalmente más duro, fuerte y resistente al calor que un

termoplástico.

Adicionalmente, existe un tercer grupo de plásticos llamados elastómeros, que son

materiales elásticos tipo caucho, formados generalmente por macromoléculas

débilmente entrecruzadas. En el tabla 2 se resumen las características más

importantes de estos tres grupos de polímeros. Por el proceso de polimerización,

los plásticos se pueden clasificar en polímeros de condensación y polímeros de

adición. Entre los polímeros de adición se encuentran el polietileno, el

polipropileno, el policloruro de vinilo y el poliestireno.

Página 7

Tabla 1 “Comparación de características entre termoplásticos y termoestables.”

Fuente: Gaceta ecológica, 2003 (Cristán Frías, Ize, & Gavilán , 2003)

Tabla 2 “Comparación entre distintos tipos de plásticos.”

Fuente: Braun, 1990

Página 8

1.3 Evolución del plástico

Los resultados alcanzados por los primeros plásticos incentivaron a los químicos y

a la industria a buscar otras moléculas sencillas que pudieran enlazarse para crear

polímeros. En la década del 30, químicos ingleses descubrieron que el gas etileno

polimerizaba bajo la acción del calor y la presión, formando un termoplástico al

que llamaron polietileno (PE). Hacia los años 50 aparece el polipropileno (PP). Al

reemplazar en el etileno un átomo de hidrógeno por uno de cloruro se produjo el

cloruro de polivinilo (PVC), un plástico duro y resistente al fuego, especialmente

adecuado para cañerías de todo tipo. Al agregarles diversos aditivos se logra un

material más blando, sustitutivo del caucho, comúnmente usado para ropa

impermeable, manteles, cortinas y juguetes. Un plástico parecido al PVC es el

politetrafluoretileno (PTFE), conocido popularmente como teflón y usado para

rodillos y sartenes antiadherentes.

Otro de los plásticos desarrollados en los años 30 en Alemania fue el poliestireno

(PS), un material muy transparente.

También durante los años 30 se crea la primera fibra artificial, el nylon. Su

descubridor fue el químico Wallace Carothers, que trabajaba para la empresa

Dupont. Su primer uso fue la fabricación de paracaídas para las fuerzas armadas

estadounidenses durante la Segunda Guerra Mundial.

A partir de 2010, principalmente en lo que tiene que ver con el envasado en

botellas y frascos, se ha desarrollado vertiginosamente el uso del tereftalato de

polietileno (PET), material que viene desplazando al vidrio y al PVC en el mercado

de envases.

1.4 El apogeo del plástico

Durante la segunda guerra mundial la dificultad en el frente de los “aliados” para

obtener materia prima para la fabricación de “cauchos” o llantas, fue extrema,

tanto que tuvieron que desarrollar nuevos productos y lograron la “goma sintética”;

El brillante descubrimiento del alemán Karl Ziegler en la posguerra posesionó a los

científicos de un catalizador capaz de producir polímeros altamente específicos en

estructura, hecho demostrado por el italiano Giulio Natta. Ambos recibieron un

Nobel en 1963 por su contribución a la Ciencia.

La entrada de Japón en el conflicto mundial cortó los suministros de caucho

natural, seda y muchos metales asiáticos a Estados Unidos. La respuesta

estadounidense fue la intensificación del desarrollo y la producción de plásticos. El

Página 9

nylon se convirtió en una de las fuentes principales de fibras textiles, los

poliésteres se utilizaron en la fabricación de blindajes y otros materiales bélicos, y

se produjeron en grandes cantidades varios tipos de caucho sintético.

En los ochenta se dieron los polímeros biodegradables a partir de vegetales y

frutos; en la Universidad de Michigan se desarrolló el poli hidroxibutirato (PHB).

El volumen de la producción mundial anual de plásticos en los 90 se equiparo al

de la producción mundial total de metales. (Lugo De Lille)

1.5 Poliestireno

El poliestireno (PS) es un polímero termoplástico que se obtiene de la

polimerización del estireno. Existen cuatro tipos principales:

Poliestireno Cristal: el producto de la polimerización del estireno puro se

denomina poliestireno cristal o poliestireno de uso general (GPPS General

Purpose Polystyrene, siglas en inglés). Es un sólido transparente, duro y frágil. Es

vítreo por debajo de 100 ºC. Por encima de esta temperatura es fácilmente

procesable y puede dársele múltiples formas ya que es transparente, rígido y

quebradizo.

Poliestireno de Alto impacto: para mejorar la resistencia mecánica del material,

se puede añadir en la polimerización hasta un 14% de caucho (casi siempre

polibutadieno). El producto resultante se llama poliestireno de alto impacto (HIPS,

High Impact Polystyrene, siglas en inglés). Es más fuerte, no quebradizo y capaz

de soportar impactos sin romperse. Su inconveniente principal es su opacidad, si

bien algunos fabricantes venden grados especiales de poliestireno impacto

translúcido.

Poliestireno Expandido: otro miembro de esta familia es el poliestireno

expandido (EPS, siglas en inglés). Consiste en 95% de poliestireno y 5% de un

gas, generalmente pentano que forma burbujas que reducen la densidad del

material. Su aplicación principal es como aislante en construcción y para el

embalaje de productos frágiles, muy ligero.

Poliestireno Espumado mediante extrusión: a partir de poliestireno cristal

fundido se puede obtener, mediante inyección de gas, una espuma rígida

denominada poliestireno extrudado (XPS). Sus propiedades son similares a las del

EPS, con el cual compite en las aplicaciones de aislamiento, pero a diferencia del

EPS, el poliestireno extrudado presenta burbujas cerradas, por lo que puede

mojarse sin perder sus propiedades aislantes.

Página 10

Las aplicaciones principales del PS cristal son la fabricación de envases mediante

extrusión-termoformado. El poliestireno cristal se utiliza también en moldeo por

inyección allí donde la transparencia y el bajo costo son importantes. Ejemplos de

aplicaciones en poliestireno cristal son vasos inyectados, estuches de CD,

artículos de librería (reglas, escuadras, bandejas) entre otros. (EcoPlas, 2011)

Figura 1 “Principales usos del Poliestireno en México” (Ciencia de los materiales, 2012)

1.5.1 Grados de Poliestireno

- Poliestirenos de Uso General

Los poliestirenos de uso general poseen una excelente transparencia, una

buena resistencia al agua y una alta resistencia dieléctrica. Son altamente

utilizados para circuitos eléctricos laminados, hojas de alta frecuencia aislante,

aislantes y otras aplicaciones eléctricas.

- Poliestirenos de Alto Impacto

Los poliestirenos de alto impacto poseen buena resistencia dimensional,

propiedades balanceadas de fuerza y resistencia al calor, son fáciles de

maquinar y son relativamente de bajo costo. Debido a su resistencia al impacto

a bajas temperaturas, son típicamente utilizados para carcasas para

electrodomésticos, juguetes, componentes eléctricos, teléfonos, teclados y

periféricos para la computadora, componentes automotrices, artículos para el

hogar y envases quirúrgicos. (EQUIPOL)

Página 11

1.5.2 Industria de resinas sintéticas en México

La industria de resinas sintéticas alcanzó aproximadamente 2.5 millones de

toneladas a partir de los años 2000, de las cuales el 77% corresponde a resinas

termoplásticas y el 23% a resinas termoestables.

Tabla 3 “Mercado de resinas sintéticas en México”

Fuente: ANIQ, 2001

1.6 Poliestireno de alto impacto (HIPS)

Es un termoplástico amorfo de la familia de los estirénicos. Apareció en el

mercado en la década de los cincuenta como un intento de mejorar las

propiedades del poliestireno (PS), el cual resultaba excesivamente frágil para

determinadas aplicaciones.

Página 12

El HIPS se caracteriza por la presencia de partículas elastoméricas en inversión

de fase que proporcionan una alta resistencia al impacto, que puede llegar a ser

hasta 10 veces superior a la del Poliestireno (PS).

En los últimos años el desarrollo a nivel industrial de materiales estirénicos

reforzados con elastómeros tales como el HIPS ha demandado por un lado,

materiales con propiedades mecánicas superiores a los ya existentes en el

mercado y por otro, la optimización de los procesos y de las materias primas.

1.6.1 Proceso industrial del HIPS

La producción comercial de PSs comenzó en la década de los ’30. Inicialmente se

realizó en modo batch, pero en la década de los ’50 ocurrió una transición gradual

hacia la polimerización continua en masa y en masa/suspensión.

La producción de HIPS por el proceso en masa adquirió mayor desarrollo con el

empleo de reactores en serie que incrementaron la velocidad de producción y

eliminaron la necesidad de la separación y del secado. Al sistema en masa, se le

agregó un pequeño porcentaje de solvente (5-10%), para controlar los “runaway”

térmicos de la reacción. Para tales efectos, se utiliza etilbenceno o tolueno por su

relativa baja toxicidad, alta solubilidad del polímero, y una moderada volatilidad.

Actualmente, el HIPS se produce fundamentalmente por el proceso en masa

continuo.

Industrialmente, la producción continua del HIPS involucra las siguientes etapas:

disolución, prepolimerización, polimerización principal o finalización, volatilización

o separación y “pelletizado”. (bibliotecavirtual.unl.edu.ar)

Figura 2 “Diagrama de flujo para el proceso de obtención del HIPS en masa”

(Síntesis, caracterización y estructura-propiedades en el HIPS, 2014)

Página 13

Disolución: en esta etapa se carga el monómero (St), la goma (PB o algún

copolímero del Bd) y el solvente en un tanque agitado (disolvedor). La goma se

disuelve en la mezcla St-solvente. Otros reactivos y aditivos (como aceite,

antioxidantes, agentes de transferencia, etc.) pueden agregarse a la solución.

Luego, la carga del disolvedor batch se transfiere al tanque de alimentación

agitado, el cual alimenta al reactor de prepolimerización.

Prepolimerización: la mezcla es polimerizada hasta conversiones de

aproximadamente 20-30%, bajo agitación, en presencia de iniciador químico, y a

temperaturas entre 90 y 120 ºC. En la industria, esta etapa se lleva a cabo en

reactores de tanque agitado.

Finalización: esta etapa ocurre en ausencia de agitación y se alcanzan

conversiones de aproximadamente 75-85%, a temperaturas comprendidas entre

135 y 160 ºC. Los reactores para esta etapa presentan diseños muy variados.

Volatilización: se separa el monómero residual y el solvente mediante un proceso

de volatilización, que consiste en calentar la mezcla hasta aproximadamente 225°

C en un intercambiador de tubo y carcaza o precalentador, que se mantiene bajo

vacío.

Pelletizado: el polímero fundido se extrude en forma de filamentos uniformes,

lisos y elásticos. Dichos filamentos se enfrían mediante un baño de agua, se

secan, se pelletizan, y luego son clasificados según su tamaño, y envasados para

su despacho. (bibliotecavirtual.unl.edu.ar)

1.6.2 Propiedades generales del Poliestireno de alto impacto (HIPS)

La familia de polímeros derivados del estireno comprende de poliestireno y las

mezclas y copolímeros de éste con elastómeros. La producción total de estos

polímeros supera los 2 millones de Tn.

Página 14

Tabla 4 “Propiedades del Poliestireno de Alto Impacto”

Fuente: Resirene (Resirene)

Nota: Los valores típicos representan promedios de los resultados medidos en el

laboratorio y se muestran solo como guía, no como, limitantes de especificaciones.

Las propiedades de esta tabla se determinaron de acuerdo con los métodos

estándar ASTM

Mediante la tabla 4 se obtienen las propiedades térmicas del HIPS, en la cual

tomaremos como referencias la temperatura Vicat1, la cual es medida con una

punta Vicat2

1.6.3 Propiedades mecánicas del HIPS

Desde el punto de vista de las propiedades mecánicas, el comportamiento de

esfuerzo-estiramiento en el HIPS depende de la temperatura y de la velocidad de

deformación. Así, la resistencia a la tracción aumenta al disminuir la temperatura y

al aumentar la velocidad del estiramiento.

1 Es la temperatura a la cual una aguja de punta plana con una sección de 1 mm penetra 1 mm en

una muestra de ensayo bajo la acción de una carga determinada, que es de 1kg habitualmente. 2 La punta de Vicat (denominado dureza Vicat) en metrología es un aparato de medida de

la dureza denominado en honor al ingeniero francés Louis Joseph Vicat. Se emplea en aquellos

materiales que no poseen un punto de fusión definido, tal y como algunos plásticos.

https://es.wikipedia.org/wiki/Metrolog%C3%ADa

https://es.wikipedia.org/wiki/Dur%C3%B3metro

https://es.wikipedia.org/wiki/Dureza

https://es.wikipedia.org/wiki/Louis_Joseph_Vicat

https://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_fusi%C3%B3n

https://es.wikipedia.org/wiki/Pl%C3%A1stico

Página 15

El HIPS se comporta como un sólido viscoelástico que tiende a deformarse

cuando se lo expone a un esfuerzo constante. Es un polímero no polar, por lo que

se trata de un excelente aislante eléctrico. Es resistente al agua, a los álcalis y a

los ácidos minerales diluidos. Se hincha con determinados solventes orgánicos y

se disuelve con otros en una relación regida por la diferencia entre los parámetros

de solubilidad (polímero-solvente). El grado de hinchamiento que expresa la

relación volumétrica de gel hinchado respecto a su estado normal en ausencia de

solvente, es un índice de la cantidad de dominios entrecruzados que presenta el

material. (bibliotecavirtual.unl.edu.ar)

Tabla 5 “Propiedades mecánicas del HIPS”

Fuente: Martin M. F. “Modern Styrenic Polymers and Styrenic Copolymers”

1.7 Reconocimiento e identificación de plásticos

Dentro de un proceso de reciclaje, resulta crucial la selección previa del material

que va a ser procesado. Una adecuada separación preliminar determinará que los

productos obtenidos sean de buena calidad y disminuirá las dificultades de su

procesamiento, por lo que un aspecto fundamental es la experiencia que han

desarrollado las personas encargadas de la separación de los plásticos.

La Sociedad de Industrias del Plástico (SPI) ha desarrollado voluntariamente unos

códigos para identificar a los plásticos que se utilizan como recipientes y

Página 16

contenedores, los cuales generalmente están localizados en la base de los

recipientes. (Cadena & Quiroz, 2000)

Figura 3 “Códigos para reciclaje” (https://www.google.com.mx/search?q=codigos+para+reciclajes&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ve

d=0ahUKEwittIu7h8LXAhUniVQKHT93CMUQ_AUICygC&biw=681&bih=642#imgrc=kSw2vGE78U

Q27M)

Esta es una buena indicación que permite fácilmente discriminar un plástico de

otro. Sin embargo presenta algunas dificultades, como por ejemplo, no contempla

otro tipo de especificaciones sobre el procesamiento del plástico o los aditivos

utilizados.

Todos los envases dejan una huella en el medio ambiente independientemente del

material con que esté fabricado. Todos los materiales toman energía y materias

primas para producirlos, transportarlos y recuperarlos o disponerlos. Por eso, es

importante medir todos estos impactos en el medio ambiente a lo largo de todo el

Ciclo de Vida del producto. Los artículos de Poliestireno usados en los servicios de

comida (bandejas, cubiertos, platos, etc.).

https://www.google.com.mx/search?q=codigos+para+reciclajes&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwittIu7h8LXAhUniVQKHT93CMUQ_AUICygC&biw=681&bih=642#imgrc=kSw2vGE78UQ27M



Página 17

1.8 Gestión de los plásticos

Reducción de plásticos

La reducción en origen es el primer paso hacia una gestión sostenible de los

residuos y ello supone la disminución de la cantidad de plásticos que utilizamos,

así como diseñar productos que reduzcan la utilización de estos materiales y se

simplifique el número de distintos plásticos utilizados. En los últimos años se ha

reducido el peso de algunos envases, pero es necesario tomar más medidas como

la estandarización de envases y la simplificación de los polímeros que los

componen.

Reutilización de plásticos

Los plásticos son materiales idóneos para ser reutilizados porque son duraderos,

resistentes, lavables etc. La reutilización se utiliza más en los envases industriales

y comerciales que en los domésticos. Así en el sector de la distribución la

reutilización de los envases de plásticos como cajas, palés. También en los

productos del hogar como envases de productos de limpieza (suavizantes,

detergentes...), bolsas de plástico que podemos reutilizar.

Reciclaje de los plásticos

El primer paso para el reciclado es hacer la recogida selectiva de los plásticos, en

origen por todos los consumidores, para ello debemos separar los residuos

plásticos del resto de la basura y depositarlos en el contenedor de envases.

Posteriormente se clasifican según los colores y se procede a su lavado y

compactado. Una vez recogido y almacenado el plástico se procede a clasificarlo

según su composición, este proceso se lleva a cabo en la ‘planta de reciclaje

según las diferentes características físicas de los plásticos. El mejor sistema para

la recogida de plásticos y posterior reciclado se basa en recoger aquellos que

sean fáciles de identificar y estén en estado puro.

1.9 Impacto del plástico en el mundo

En 1950 se produjeron dos toneladas de plástico en el mundo y en 2015, 448

millones de toneladas. Cada ciudadano usa en promedio cerca de 60 kilos de

plástico al año.

Página 18

Según un estudio global sobre plástico publicado por la revista Science Advances,

se produjeron 8.300 millones de plástico nuevo hasta ahora en el mundo obtenido

del petróleo. Alrededor del 30% se sigue usando en hogares, autos y fábricas.

“Nos estamos dirigiendo hacia un planeta de plástico", advierte el coordinador del

estudio Roland Geyer de la Universidad de California. El crecimiento de la

producción de plástico mundial es "increíble y no parece que vaya a reducirse”,

añade.

Los investigadores creen que si se sigue produciendo plástico al ritmo actual,

alrededor de 12.000 millones de toneladas de basura de plástico acabarán en los

vertederos y en nuestro entorno en 2050.

La basura plástica se convierte con el tiempo en pequeñas partículas. Si no se

cambia el rumbo de cómo usamos el plástico, en algunas décadas habrá más

partículas de plástico en el mar que peces. En algunos animales ya se pueden

comprobar los efectos del plástico en su cuerpo: baja reproducción, dificultad en el

crecimiento y el movimiento, inflamaciones y alta mortalidad.

¿Hasta qué punto afecta el plástico al medio ambiente o al tejido humano? No se

ha podido aclarar. La investigación sobre microplástico es todavía una ciencia en

pañales.

En la actualidad es inevitable consumir partículas de plástico cuando comemos

pescado, crustáceos o mariscos. El Programa de Medio Ambiente de las Naciones

Unidas (UNEP) concluye que el microplástico no representa en la actualidad un

riesgo para la salud humana, pero también aclara que no hay datos suficientes

sobre el tema. (Sostentabilidad, 2017)

Gráfica 1 “Producción mundial de plásticos de 1950 a 2013” (2011, Perspectiva de la industria del plástico en México).

En la gráfica 1 se muestra la evolución en la producción mundial de materiales

plásticos, y es comparada con la producción en Europa, observando que a nivel

mundial se ha tenido un crecimiento continuo desde 1950 hasta el año 2013.

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1.10 Reciclado de plástico en el mundo

Mundialmente se generan alrededor de 280 millones de toneladas de basura de

plástico al año, con un porcentaje de reciclaje que varía apenas de entre el 10 y el

15 por ciento.

Por su parte, en México se registra una producción de 40 millones de toneladas de

residuos sólidos de basura, con un promedio de reciclaje por debajo de la media

del planeta, entre el 5 y el 8 por ciento, en contraste de países como Alemania,

donde el porcentaje de reciclado de basura asciende hasta un 16 por ciento, lo

que denota una mayor conciencia ecológica.

De acuerdo con su composición química, el poliestireno y plástico tardan 500 años

en desintegrarse, por no ser materiales biodegradables que ni la tierra o el mar

pueden digerir. (Sánchez, 2016)

1.11 Composición de la basura en México

En la actualidad, en todo el mundo, incluyendo México, existe una problemática

importante por la contaminación del agua, aire y suelo, ocasionada en gran

medida, por los grandes volúmenes de residuos que se generan diariamente y que

recibe escaso o nulo tratamiento adecuado. Esta situación se agrava porque la

basura, que está conformada por residuos de composición muy variada,

generalmente se junta y mezcla durante las labores de recolección lo que dificulta

su manejo final. Si bien por sus características de peligrosidad la mayoría de los

plásticos sintéticos no representan un riesgo para el ambiente, sí son un problema

mayor porque no pueden ser degradados por el entorno. Se han desarrollado

algunos plásticos biodegradables, pero ninguno ha demostrado ser válido para las

condiciones requeridas en la mayoría de los vertederos de basura.

Dado el desarrollo económico e industrial, en nuestro país se produce maquinaria,

bienes de inversión y de consumo y, como consecuencia de estos procesos, se

generan residuos y desechos que en conjunto producen contaminación ambiental.

La basura está compuesta por varios materiales susceptibles de recuperación

para ingresar nuevamente a una cadena productiva, de tal forma que no

representen un problema ni un riesgo a la población y al ambiente.

Uno de los mayores problemas a los que se enfrenta el país en materia ambiental

es el consumo del plástico; de acuerdo con el Instituto Nacional de Recicladores.

(Cristán Frías, Ize, & Gavilán , 2003)

Página 20

En México se recolectan diariamente 86 mil 343 toneladas de basura, de los

cuales 17,043 toneladas son de la Ciudad de México, la generación diaria de

residuos por habitante en la ciudad oscila entre 0.85 y 2.42 kilogramos por día.

De las 17,043 toneladas diarias de residuos sólidos que se generan en la ciudad,

el 47.7% son de origen domiciliario, 15.4% proviene de comercios y 13.6% del

sector de servicios.

Figura 4 “Porcentajes de residuos generados en la CDMX”

• Residuos industriales: son los que se originan tras la utilización de embalajes de

EPS de transporte de componentes de diversos productos que pasan a

convertirse en residuo.

• Residuos del comercio y distribución: se incluyen aquí las cajas de pescado y

otros envases de alimentación (cárnicos, frutas y hortalizas) así como embalajes y

bandejas agrupadoras de unidades de venta. Estos residuos se originan en los

mercados centrales, en mercados y supermercados, grandes superficies

comerciales y pequeños comercios.

• Residuos domésticos: son los que se generan en los domicilios particulares

provenientes de envases y embalajes de artículos muy diversos (gran y pequeño

electrodoméstico, electrónica de consumo, juguetes, embalajes diversos…).

Se acopio un total de 297.04 toneladas diarias en la CDMX de residuos de manejo

especial (por volumen); el plástico y el cartón se reportan en mayor cantidad con

un 53% y en menor cantidad la lata con 0.001%.

Se envió a reciclaje un total de 230.428 toneladas al día de este tipo de residuos

(Tabla 6), lo que equivale al 77.5% del total reportado. El 16.9% restante

corresponde a los residuos de manejo especial, tales como: residuos tecnológicos

provenientes de las industrias de informática, neumáticos usados, entre

otros.(http://www.sedema.cdmx.gob.mx, 2015)

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Tabla 6 “Residuos Reciclados en CDMX”

Tipo de residuos inorgánicos Toneladas/Día

Plástico 67.22

Cartón 64.26

Papel 44.70

Metal ferroso 28.01

Metal no ferroso 9.63

Madera 1.37

Vidrio 0.89

Lata 0.001

Otros 14.36

El plástico corresponde al 29.17% de residuos enviados a reciclaje y están

básicamente formados por:

- Polietileno de baja densidad (PEBD)

- Polietileno de alta densidad (PEAD)

- Policloruro de vinilo (PVC)

- Polipropileno (PP)

- Poliestireno (PS)

- Polietilentereftalato (PET)

1.11.1 Alternativas para el manejo de plástico

Para resolver el problema de los residuos existen diferentes alternativas, entre

otras:

Relleno sanitario: es un lugar legalmente utilizado donde se depositan las basuras

municipales después de la clasificación o selección. Se clasifican en mecánicos y

rústicos: en ambas variantes los residuos se distribuyen en 20 a 30 cm de espesor

y se compactan formando una celda que deberá recubrirse con una capa de tierra

entre 15 y 20 cm, esparcida y compactada igual que los residuos.

Pepena: es un sistema de clasificación mecánica y/o manual de la basura en sus

diferentes componentes, tales como vidrio, metales, plásticos y otros, realizada en

los llamados tiraderos a cielo abierto. Esta técnica no es muy eficiente debido a

que alrededor del 30% de la basura producida se queda en barrancas, ríos y

calles; mientras que del 70% que llega a los tiraderos, sólo 40% se aprovecha,

Página 22

debido a que el otro 30% no puede separarse por consistir en materiales

destruidos y en vías de putrefacción.

Compactación: este método reduce el volumen que ocupan los residuos, con la

aplicación de altas presiones ejercidas sobre ellos. Este sistema no ha dado

resultado porque se ha observado que estructuralmente falla la compresión y que

con el tiempo la degradación de los materiales rompe el mismo tabique.

Incineración: esta técnica consiste en eliminar la mayor parte del volumen de los

residuos mediante su combustión, a través de la cual se transforman los desechos

en gases, cenizas y escoria, con el fin de reducir el volumen y aprovechar la

energía producida en ésta.

Reciclado: reciclar significa que todos los desechos y desperdicios que generamos

en nuestras vidas se vuelven a integrar a un ciclo natural, industrial o comercial

mediante un proceso cuidadoso que permita llevarlo a cabo de manera adecuada

y limpia.

1.11.1.1 Problemática de las incineradoras

Las incineradoras no eliminan la necesidad de rellenos sanitarios (vertederos). No

nos deshacemos de la basura ni quemándola. Según el libro la Historia de las

Cosas por cada 3 toneladas de desechos que se introducen en una incineradora

se obtiene 1 tonelada de escorias y cenizas que hay que tratar. El 10% de estas

cenizas se quedan volando en el aire y son muy tóxicas y difíciles de gestionar.

Todas las cenizas son tratadas como residuos peligrosos.

Las incineradoras contaminan y con el proceso de combustión produce

contaminantes artificiales muy tóxicos. El fuego no es purificador. La gran cantidad

de sustancias químicas que tienen muchos plásticos, al quemarlas se transforman

en sustancias todavía mucho más tóxicas. Por ejemplo, al quemar productos que

contienen cloro, como el PVC, se liberan las terribles dioxinas. Aunque fuera cierto

que los gases salientes están exentos de contaminantes, las cenizas y escorias

son altamente tóxicas y, aunque se traten como residuos peligrosos, siempre se

corre el riesgo de que éstos no sean tratados correctamente o que por accidentes

acaben contaminando el agua y el suelo.

No todas las incineradoras son igual de seguras y eficientes. Además, cuando se

quema materiales inflamables como plásticos, papeles, telas o restos de madera

no hay problema porque tienen un gran poder de combustión pero para otros tipos

de residuos menos inflamables hay que usar combustible para quemarlos.

La incineración de residuos en cementeras supone también un gran peligro. Son

empresas creadas con otros fines que utilizan residuos para ahorrar combustible y

para llevarse subvenciones por gestionar estos residuos. Las instalaciones que

Página 23

tienen no deben de ser seguras y tampoco debe de ser fácil de controlar las

emisiones que producen.

Aunque fueran seguras nunca serían sensatas. Esto es lo que afirma el

Doctor Paul Connet que desde 1985 ha estudiado los peligros de la incineración.

Es inconcebible invertir cientos de millones de euros en el desarrollo de máquinas

concebidas para destruir recursos. (Vivir sin Plastico, 2017)

1.12 Reciclaje de plásticos en la Ciudad de México

Desde la década de los 70, el consumo de plásticos ha crecido de una forma

espectacular y, por consiguiente, también lo ha hecho la generación de residuos.

Debido a que la producción masiva de materiales plásticos conduce a una extensa

generación de residuos, su disposición (impulsada por las influencias comerciales,

ambientales y reglamentos) se ha convertido cada vez más en un tema de elevada

relevancia para la industria de transformación del plástico. En la actualidad existen

varios métodos para el reciclaje de los residuos plásticos, dentro de los cuales es

posible destacar el método del reciclado mecánico, el método de reciclaje químico

y el método de recuperación energética.

• Reciclado mecánico: consiste en la clasificación, trituración y limpieza. En

algunos casos, como por ejemplo el Tereftalato de polietileno (PET), se

venden las escamas del material recuperado. Sin embargo, en la mayoría

de los termoplásticos se finaliza el reciclado mecánico mediante un

granceado (peletizado) y venta de los pellets obtenidos.

• Reciclado químico: las macromoléculas presentes en los residuos plásticos

se reducen mediante diferentes procesos (pirolisis, glicólisis, hidrólisis o

alcohólisis) hasta obtener los monómeros iniciales o moléculas de bajo

peso molecular que pueden servir de materia prima para la polimerización.

Para José del Cueto, expresidente de Anipac, los plásticos reciclados son una

gran opción si se busca el ahorro de costos, debido a que el proceso de reciclaje

sólo utiliza 20% de la energía que se utiliza para materia prima virgen.

“El objetivo es que en el largo plazo se recicle el mayor porcentaje de residuos plásticos, con apoyo de los tres órdenes de gobierno, industria y ciudadanía para que México se coloque como uno de los países pioneros en el reciclaje”, indicó Del Cueto.

“En nuestro país de 37.5 millones de toneladas de basura que se generan al año, 60% llega a rellenos sanitarios, mientras el resto se va a tiraderos a cielo abierto y existen 7.5 millones de toneladas de desechos cuyo destino se desconoce.

Página 24

Figura 5 “Mercado de plásticos en México 2010” (Futuro de la industria de plástico en México, 2012)

1.12.1 Reciclaje del PS y HIPS

Los plásticos están pasando a ser cada vez más el material de elección para los

diseñadores de productos. Puede observarse un indicador de esta tendencia en el

aumento de la utilización de los plásticos en productos tales como los coches y los

frigoríficos a lo largo de los últimos 20 años. Por ejemplo, la construcción de

refrigeradores, ha desplazado el metal con plásticos durante los últimos 40 años.

Tabla 7 “Constitución de refrigeradores, acero con respecto al plástico.”

Fuente: Consejo americano de los plásticos, 2007

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Gráfica 2 “Comportamiento del Poliestireno en México, durante 2012” (2011, Perspectiva de la industria del plástico en México).

El aprovechamiento de residuos de HIPS procedentes del sector de la electrónica

de consumo ha sido objeto de diversos estudios. En todos los casos el material

muestra una gran estabilidad a ser reprocesado (hasta 8 veces a 220ºC) sin una

variación importante de sus propiedades, sólo se detecta una disminución de la

deformación a rotura.

Con respecto al poliestireno de alto impacto (HIPS) y como uno de los mercados

más demandantes de este material lo es la industria informática que ha visto como

la vida útil de los componentes eléctricos y electrónicos se ha reducido de forma

notable, debido al rápido desarrollo de las nuevas tecnologías. En la gestión de

estos residuos se toman en consideración cuestiones muy amplias que van desde

el diseño y fabricación de productos informáticos hasta la recogida y reciclado de

los residuos después de su utilización.

1.12.2 Proceso de reciclaje del HIPS

El reciclado de plásticos se encuentra aún en su primera etapa en países como

México y América Latina. Afortunadamente, se ha desarrollado en países como

Alemania, Japón y Estados Unidos de América, quienes han desarrollado

programas de recolección de residuos, teniendo éxito después de varios años.

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Estos programas se fundamentan en un cambio de cultura, en la que los

pobladores conocen y reconocen la diferencia entre las distintas especies de

materiales y los separan al final de su vida útil.

Figura 6 “Proceso de reciclaje de HIPS” (1997, Hernández y González)

1.13 Historia de la extrusión

El proceso más importante y de gran variedad utilizado en la actualidad es por

supuesto, el que se realiza al forzar una mezcla plástica a través de un dado y el

significado de esto es un tornillo extrusor. Algunas veces llamado tornillo, gusano

o husillo y se remonta hasta el griego matemático Arquímedes quien vivió en los

años 287-212 AC.

El tornillo de Arquímedes tiene la fama de tener 3 modelos:

1. Un cilindro lleno de agua en el cual encierra una hélice

2. Una barra o tubo formado helicoidalmente alrededor de su eje

3. Una hélice girando libremente dentro de un cilindro fijo

Arquímedes de acuerdo a la historia ideo este tornillo para remover o bombear

agua contenida en un bote (barco). Este diseño se aplica en la actualidad en

varias industrias y es realmente idéntico. Hoy en día en principio bombea una

mezcla plástica a través de un dado.

El extrusor actual consiste esencialmente de un cilindro horizontal en el cual está

girando un tornillo de Arquímedes modificado. Esto significa que está provisto de

un orificio al fondo del cilindro para permitir la alimentación de un compuesto

dentro de él, al extremo opuesto se encuentra el cabezal y el dado. Por un periodo

largo no hubo cambios drásticos hasta que a finales del siglo 19 fue adoptado y

necesariamente adaptado para la extrusión de plásticos.

Página 27

En aquella época el cilindro estaba cubierto con una chaqueta para permitir la

circulación y transferencia de calor mediante aceite o vapor (para extrusores de

caucho). En unos pocos diseños tuvieron algún tipo de adaptaciones para obtener

y/o controlar temperaturas uniformes e independientes a las del cabezal y el dado.

Paralelamente al desarrollo de la extrusora se dio el desarrollo de los plásticos

cuando se descubrió que las resinas naturales podían emplearse para elaborar

objetos de uso práctico. Estas resinas como el betún, la gutapercha, la goma laca

y el ámbar, fueron extraídas de árboles, y se tienen referencias de que se

utilizaban en Egipto, Babilonia, la India, Grecia y China. En América se conocía

otro material que era utilizado por sus habitantes antes de la llegada de Colón,

conocido como hule o caucho.

El hule y otras resinas presentaban algunos inconvenientes y, por lo tanto, su

aplicación resultaba limitada.

En 1926, la expansión de materiales poliméricos y las experiencias en el diseño de

máquinas para procesarlos, estimulan la creación de máquinas con aplicación

industrial, en la construcción y fabricación en serie de inyectores de émbolo

impulsada por la Síntesis del Poliestireno (PS por sus siglas en ingles Polystyrene)

y Acrílico (PMMA por sus siglas en inglés Polymethyl methacrylate).

En 1935 Paul Toroester, en Alemania, construye una máquina extrusora de

termoplásticos, basada en diseños anteriores para el procesamiento de hules. A

Partir de estas fechas inicia el uso de electricidad para el calentamiento, que

sustituye al vapor. En Italia se genera el concepto del uso de husillos gemelos. En

1938, se concibe la idea industrial de termo formado, y en 1940 el moldeo por

soplado. A la fecha, se cuenta con la existencia de cientos de polímeros

patentados; de ellos aproximadamente 30 son imprescindibles. Los productos

manufacturados con plásticos, son obtenidos por más de 20 procesos de moldeo

distintos aproximadamente 10 gobiernan la mayor parte del volumen de plásticos

transformados.

LISTA DE DESARROLLOS DESDE 1930 HASTA 1994

1930 Corporación Femplas soplo acetato de celulosa con una máquina.

1935 Ferngren patento para extruir un tubo de mezcla plástica dentro de un molde

cerrado e inyecto aire. 1935 Primera máquina de inyección importada dentro de

USA.

1937 Ferngren y Kopitke fabricaron y desarrollaron la primera máquina para

moldeo por soplado y utilizaron la inyección por pistón.

1938 BASF fabrico máquinas de extrusión soplo en Europa.

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1939 PLAX opera máquinas moldeadoras por soplado para fabricar 25,000 piezas

sopladas por día. 1942 OWENS –Illinois patenta un proceso de inyección soplo

con expulsores automáticos dentro de la pieza.

Otros desarrollos importantes para el Moldeo por Soplado

La extrusión establecía, extruir un parison, el desarrollo de un molde bipartido, la

boquilla para soplar, el corte de la manga (tubo), la transferencia del tubo de

parison al molde, así como otras operaciones básicas fueron resueltas.

Disponibilidad de material plástico, acetato de celulosa (1927), PVC (1927), Nylon

(1935), acrílicos (1936), etil celulosa (1936), acetato de celulosa Butyrate (1938),

Polyvinylidene Chloride (1939), PS /1938), experimental LDPE (1942), Polyester

(1942), Celulosa Propionate (1945).

1.14 Extrusión

La extrusión es el proceso continuo mediante el cual se plastifica, transporta y

dosifica la masa de polímero fundido a través de una boquilla o molde, donde

toma la forma del producto final. En la extrusión, el plástico recibe una nueva

forma, después de haber sido fundido completamente.

Figura 7 “Proceso básico de extrusión” (CENSA )

El proceso de extrusión se puede hacer a partir de:

• Un polímero

• Una aleación de polímeros

• Compuestos poliméricos (compuesto elaborado a partir de un polímero)

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La extrusora es la parte común a todas las instalaciones de extrusión y a los

procesos que se fundamentan en ella. Tiene como misión hacer del plástico, que

se le introduce en forma de gránulos o polvo, una masa fundida homogénea que

es obligada a pasar por un molde. Las partes principales de la extrusora son:

• Tolva: Se encarga de alimentar a la extrusora con el material que se ha de

transformar

• Tornillo(s): El(los) tornillo(s) desempeña(n) las funciones de cargar,

transportar, fundir y homogenizarel plástico y, por ello, es considerado

como la pieza clave de la extrusora

• Dado

Zona de alimentación: La función de ésta zona es la de recibir, transportar,

comprimir y precalentar el material a extruír, para ser entregado de forma uniforme

y constante a la siguiente zona. El aspecto ambiental significativo de esta zona

está relacionado con los residuos de las materias primas.

Zona de transición: Esta zona se conoce como de transición o plastificación

propiamente dicha. En ella se encuentra el material en estado sólido y en varios

estados intermedios hasta la formación de una masa fundida, homogénea que

debe ser entregada en forma constante y uniforme a la siguiente zona. Los

aspectos ambientales de la zona de transición tienen que ver principalmente con

el consumo de energía asociado al procesamiento y con emisiones de gases

producidas por posible degradación del material en condiciones anormales de

proceso. Además, durante el arranque, paradas y cambios de referencia de

productos, se presentan emisiones de gases y desperdicio de materias primas.

Zona de homogenización y dosificación: En esta zona se debe homogenizar

tanto física como térmicamente la masa fundida y extruír el material en forma

constante y uniforme con la presión necesaria y suficiente, a través del cabezal de

extrusión.

En algunas extrusoras se tiene una zona de venteo donde se evacuan gases y

vapor de agua generados durante el proceso de fusión del plástico. Dichos gases

pueden tener mayor o menor impacto ambiental dependiendo del polímero

utilizado.

Cambia filtro o portamallas: Es la unidad donde se filtra el polímero fundido para

remover posibles partículas contaminantes (arena, piedras, metales u otros

elementos extraños).

En esta etapa se generan residuos sólidos del polímero y de ciertos

contaminantes incorporados en el material recuperado y de las mallas en sí, las

cuales deben ser cambiadas de manera continua.

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Cabezal: De la geometría y diseño del cabezal depende básicamente el producto

obtenido ya que define la forma, las dimensiones, el tipo de extrusión y muchas de

las características del producto.

Por ser el cabezal un sistema abierto, en esta zona se generan emisiones de

vapores y gases e igualmente residuos sólidos (tortas) en caso de arranques o

ajustes de línea.

Los gases dependen del tipo y calidad del polímero utilizado. La cantidad de

residuos sólidos es una función de las buenas prácticas de manufactura, grado de

contaminación del material y número de cambios de formas que se generen en el

proceso de extrusión.

Enfriamiento: Para fijar la forma del polímero termoplástico extruido se utilizan

diferentes mecanismos de enfriamiento. El proceso de enfriamiento del producto

extruido se debería realizar mediante circuitos cerrados que empleen agua como

medio refrigerante, para evitar vertimientos o efluentes contaminantes y su alto

consumo.

Unidad de potencia: Los motores forman parte de las unidades de extrusión. En

ocasiones estos motores son hidráulicos, por lo que debe tenerse cuidado con las

fugas de aceite normalmente presentes en estos sistemas. La potencia específica

requerida neta varía según el tipo de polímero, el perfil de temperatura y el flujo

másico deseado. (Direccion de Desarrolo Social Sostentable, 2004)

1.14.1 Proceso de extrusión

La tecnología de la transformación o procesado de polímeros tiene como finalidad

obtener objetos y piezas de formas predeterminadas y estables, cuyo

comportamiento sea adecuado a las aplicaciones a las que están destinados.

Desde el punto de vista de los plásticos, la extrusión es claramente uno de los

procesos más importantes de transformación y reciclado. El proceso de

extrusión de plásticos se lleva a cabo en máquinas denominadas extrusoras o

extrusores. Aunque existen extrusoras de diversos tipos, las más utilizadas

son las de tornillo o de husillo simple, por lo que haremos referencia a ellas.

En el proceso de extrusión, por lo general, el polímero se alimenta en forma sólida

y sale de la extrusora en estado fundido. En algunas ocasiones el polímero se

puede alimentar fundido, procedente de un reactor. En este caso la extrusora

actúa como una bomba, proporcionando la presión necesaria para hacer pasar al

polímero a través de la boquilla. En otras ocasiones se extruyen los materiales

sólidos, como es el caso del procesado de fibras en el que se requieren elevadas

orientaciones en el material.

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Para el caso más corriente de la extrusión de un polímero inicialmente sólido que

funde en el proceso, la extrusora, y en concreto una de husillo único, puede

realizar seis funciones principales:

- Transporte del material sólido hacia la zona de fusión

- Fusión o plastificación del material

- Transporte o bombeo y presurización del fundido

- Mezclado

- Desgasificado

- Conformado

Debe tenerse en cuenta que no todas las funciones anteriores tienen lugar

necesariamente durante la operación de todas y cada una de las extrusoras. Por

ejemplo, el desgasificado o venteo únicamente se produce en las máquinas

preparadas para ello. Por otra parte, el conformado no tiene por qué ser definitivo;

en muchas ocasiones el producto obtenido adquiere su forma final en un proceso

secundario puesto que las extrusoras se emplean con frecuencia para mezclar los

componentes de formulaciones que se procesarán posteriormente mediante otras

técnicas o bien para obtener preformas que serán procesadas mediante soplado o

termoconformado.

De acuerdo con las misiones que debe cumplir, una extrusora debe disponer de

un sistema de alimentación del material, un sistema de fusión- plastificación del

mismo, el sistema de bombeo y presurización, que habitualmente generará

también un efecto de mezclado y finalmente, el dispositivo para dar lugar al

conformado del material fundido.

Figura 8 “Representación esquemática de una extrusora de husillo simple.” (Understanding extrusion, 1998)

El sistema de alimentación más habitual es una tolva, en la que el material a

procesar se alimenta en forma de polvo o granza. El dispositivo de fusión-

plastificación, bombeo y mezclado está constituido por un tornillo de Arquímedes

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que gira en el interior de un cilindro calentado, generalmente mediante

resistencias eléctricas. En la parte del cilindro más alejada de la tolva de

alimentación se acopla un cabezal cuya boquilla de salida tiene el diseño

adecuado para que tenga lugar el conformado del producto. La parte esencial de

la máquina es el sistema cilindro-tornillo que, como consecuencia del giro,

compacta el alimento sólido, da lugar a la fusión del material y lo transporta hacia

la boquilla de conformado, produciendo al mismo tiempo la presurización y el

mezclado del material.

Todas las extrusoras se consideran divididas en tres zonas, junto con la evolución

de la presión a lo largo de la extrusora. La zona de alimentación es la más cercana

a la tolva, en la cual la profundidad del canal del tornillo es máxima. Tiene como

objetivo principal compactar el alimento en una forma sólida densa y transportarlo

hacia la siguiente zona a una velocidad adecuada. La zona de transición o

compresión es la zona intermedia en la cual la profundidad del canal disminuye de

modo más o menos gradual. Conforme el material sólido va compactándose en

esta zona el aire que pudiera quedar atrapado escapa del material vía la tolva de

alimentación. En la zona de transición, además, tiene lugar la fusión del material.

La zona de dosificado se sitúa al final, en la parte más cercana a la boquilla y tiene

una profundidad de canal muy pequeña y constante. En esta zona el material

fundido es homogeneizado y presurizado para forzarlo a atravesar a presión la

boquilla de conformado.

Figura 9 “Zonas de una extrusora” (Understanding extrusion, 1998)

Hay que tener presente que esta asignación de funciones a cada una de las zonas

de la extrusora no es estricta; por ejemplo, el transporte, presurización y

homogeneización se producen a lo largo de todo la extrusora.

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Existen otros tipos de extrusoras como son las extrusoras multitornillo que, como

su nombre indica, poseen más de un tornillo. Entre éstas las más importantes son

las de dos tornillos, dentro de las cuales existe gran variedad dependiendo de si

los tornillos tienen giro contrario (lo más corriente ya que generan mayor fuerza de

cizalla) o paralelo, y del grado de interpenetración entre los mismos. Las

extrusoras de dos tornillos presentan posibilidades que a menudo superan en gran

medida a las de un solo tornillo. Entre las ventajas que presentan se incluye una

buena capacidad de mezclado y desgasificación, y un buen control del tiempo de

residencia y de su distribución.

Figura 10 “Posibles combinaciones de los husillos de extrusoras”

(Understanding extrusion, 1998)

1.14.2 Componentes de la extrusora

1.14.2.1 Tornillo de extrusión

El tornillo o husillo consiste en un cilindro largo rodeado por un filete helicoidal. El

tornillo es una de las partes más importantes ya que contribuye a realizar las

funciones de transportar, calentar, fundir y mezclar el material. La estabilidad del

proceso y la calidad del producto que se obtiene dependen en gran medida del

diseño del tornillo. Los parámetros más importantes en el diseño del tornillo son su

longitud (L), diámetro (D), el ángulo del filete (Ө) y el paso de rosca (w).

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Figura 11 “Tornillo de una extrusora de husillo simple”

(Understanding extrusion, 1998)

Normalmente el tornillo no viene acompañado de ningún sistema de calentamiento

o enfriamiento, aunque en algunos casos se emplean tornillos huecos por los que

se hace circular un fluido refrigerante o calefactor.

En la práctica es muy raro que un tornillo determinado sea adecuado para trabajar

con materiales muy diversos; de hecho, cada tornillo se diseña o elige para

trabajar con una determinada combinación boquilla/material.

La elección definitiva del número y del diseño geométrico de las zonas del tornillo

es un proceso complejo. Esta decisión depende no solo del diseño de la boquilla y

de las velocidades de flujo esperadas, sino también de las características de

fusión del polímero, de su comportamiento reológico y de la velocidad del tornillo.

Figura 12 “Distintas combinaciones de tornillos para extrusora.” (Understanding extrusion, 1998)

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1.14.2.2 Cilindro

El cilindro de calefacción alberga en su interior al tornillo. La superficie del cilindro

debe ser muy rugosa para aumentar las fuerzas de cizalla que soportará el

material y permitir así que éste fluya a lo largo de la extrusora. Para evitar la

corrosión y el desgaste mecánico, el cilindro suele construirse de aceros muy

resistentes y en algunos casos viene equipado con un revestimiento bimetálico

que le confiere una elevada resistencia, en la mayoría de los casos superior a la

del tornillo, ya que éste es mucho más fácil de reemplazar.

Figura 13 “Cilindro de extrusora” (Extrusión de plásticos, 1977)

El cilindro por lo general posee sistemas de transferencia de calor. El

calentamiento se puede realizar mediante resistencias eléctricas circulares

localizadas en toda su longitud y también, aunque es menos usual, mediante

radiación o encamisado con fluidos refrigerantes o calefactores. El cilindro suele

dividirse en varias zonas de calefacción, al menos tres, con control independiente

en cada una de ellas, lo que permite conseguir un gradiente de temperatura

razonable desde la tolva hasta la boquilla.

El enfriamiento en la menor parte de las ocasiones se hace con líquidos, ya que

aunque tengan una mayor capacidad para eliminar calor que el aire, la

temperatura es más difícil de controlar. Hay que tener en cuenta que los sensores

de control de temperatura quedan situados en el cilindro, por lo que la temperatura

del material será siempre superior a la que indican los controles.

1.14.2.3 Garganta de alimentación

La garganta de alimentación está conectada con la tolva a través de la boquilla de

entrada o de alimentación. Esta boquilla suele tener una longitud de 1.5 veces el

diámetro del cilindro y una anchura de 0.7 veces el mismo suele estar desplazada

del eje del tornillo para facilitar la caída del material a la máquina.

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Figura 14 “Esquema general de la garganta de alimentación de una extrusora.” (Extrusión de plásticos, 1977)

1.14.2.4 Tolva

La tolva es el contenedor que se utiliza para introducir el material en la máquina.

Tolva, garganta de alimentación y boquilla de entrada deben estar ensambladas

perfectamente y diseñadas de manera que proporcionen un flujo constante de

material. Esto se consigue más fácilmente con tolvas de sección circular, aunque

son más caras y difíciles de construir que las de sección rectangular. Se diseñan

con un volumen que permita albergar material para 2 horas de trabajo.

Figura 15 “Tipos de tolvas de extrusoras” (Extrusión de plásticos, 1977)

1.14.2.5 Filtros

El plato rompedor se encuentra al final del cilindro. Se trata de un disco delgado

de metal con agujeros, como se muestra en la Figura 16. El propósito del plato es

servir de soporte a un paquete de filtros cuyo fin principal es atrapar los

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contaminantes para que no salgan con el producto extruído. Los filtros además

mejoran el mezclado y homogenizan el fundido. Los filtros van apilados delante del

plato rompedor, primero se sitúan los de malla más ancha, reduciéndose el

tamaño de malla progresivamente. Detrás se sitúa un último filtro también de malla

ancha y finalmente el plato rompedor que soporta los filtros.

Conforme se ensucian las mallas es necesario sustituirlas para evitar una caída de

presión excesiva y que disminuya la producción. Por ello, el diseño del plato debe

ser tal que pueda ser reemplazado con facilidad.

Figura 16 “Plato rompedor”

(Extrusión de plásticos, 1977)

1.14.2.6 Cabezal y boquilla

El cabezal es la pieza situada al final del cilindro, que se encuentra sujetando la

boquilla y por lo general manteniendo el plato rompedor. Generalmente va

atornillado al cilindro. El perfil interno del cabezal debe facilitar lo más posible el

flujo del material hacia la boquilla. El material fluye del cilindro a la boquilla a

través del torpedo, situado en el cabezal. La sección transversal de los soportes

del torpedo se diseña para proporcionar el flujo de material a velocidad constante.

La función de la boquilla es la de moldear el plástico. Las boquillas se pueden

clasificar por la forma del producto, teniendo así boquillas anulares (por ejemplo,

para la fabricación de tuberías o recubrimientos de materiales cilíndricos),

boquillas planas (con las que se obtienen planchas y láminas), boquillas circulares

(con las que se obtienen fibras y productos de forma cilíndrica), etc.

Se puede distinguir tres partes diferenciadas en todas las boquillas (corte de

boquilla plana): la primera parte es el canal de entrada, luego el distribuidor y a

continuación la zona de salida.

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Figura 17 “Boquilla anular y cabezal”

(Extrusión de plásticos, 1977)

Las dimensiones de la boquilla no son exactamente las mismas que las del

producto extruído. Hay varias razones para ello: la recogida del material, el

enfriamiento y el fenómeno de relajación contribuyen a que el material cambie de

tamaño e incluso de forma; todas ellas serán discutidas posteriormente.

1.15 Tipos de extrusoras

1.15.1 Extrusoras de pistón

Estas máquinas constan de un cilindro que posee elementos de calefacción, la

materia prima desciende desde una tolva al interior del cilindro donde el material

es plastificado. Éste es obligado a pasar a través de una boquilla, empujándolo

con un pistón el cual es accionado por presión hidráulica o mecánica.

Las máquinas de un pistón producen piezas de longitud limitada, debido a la

discontinuidad del proceso. Para fabricar perfiles continuos se utilizan las

extrusoras de varios pistones

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Figura 18 “Extrusora de pistón.”

(2010, Emaze)

1.15.2 Bombas de extrusión

Son bombas con algunos pares de engranajes que están acoplados y alojados en

una carcasa; cuando se impulsa un engrane éste mueve el correlativo. El

transporte del plástico se debe solo al empuje de los dientes sobre el material por

el lado de la carcasa. El acoplamiento entre dientes aísla el lado de descarga a

presión, del lado de succión. El flujo de material es proporcional a la frecuencia de

rotación de los discos dentados obteniéndose así un flujo de material

esencialmente constante.

Figura 19 “Bomba de extrusión Extrex GPD de Maag.”

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1.15.3 Extrusoras de tambor rotatorio

En esta máquina el material desciende por gravedad e ingresa por el émbolo

hasta la cámara, la cual está formada por el tambor rotatorio y por el bastidor fijo o

cuerpo estático.

El bastidor puede calentarse o enfriarse para controlar la temperatura. En la

cámara el polímero es arrastrado por el cilindro rotor que lo pone en contacto con

las paredes calientes del bastidor y con el material previamente fundido, con lo

que se efectúa la plastificación.

La homogenización tiene lugar en la pequeña holgura radial entre el marco fijo y el

cilindro que gira.

Figura 20 “Extrusora de tambor rotatorio marca MRS”

1.15.4 Extrusoras de rodillos

Consiste en dos rodillos horizontales cuyos ejes son paralelos entre sí, dichos

cilindros son calentados por fuente externa y giran en sentido opuesto.

El polímero se alimenta por la parte superior de los rodillos, y al atravesar la

holgura que existe entre estos es sometido a intensos esfuerzos de cizalla, a la

vez se calienta y pasa fundido a la cámara inferior venciendo la presión creada en

ésta y saliendo finalmente extruído por la boquilla. La cámara inferior consiste en

unas placas laterales, apretadas firmemente a la superficie inferior de los rodillos,

con lo cual se confina el polímero fundido, y éste no puede salir si no es a través

de la boquilla.

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Figura 21 “Extrusora de rodillos.”

1.15.5 Extrusora de tornillo

Estas máquinas constan de un motor y un variador de velocidad para adecuar el

giro del expulsor. El expulsor comprende un tornillo que rota dentro de una camisa

calentada exteriormente.

El plástico en forma de gránulos, polvo o tiras, es alimentado constantemente

desde una tolva situada sobre el cuerpo, el material pasa por un embudo al

cilindro y a medida que avanza es calentado, mezclado y comprimido; y, cuando

ha conseguido una consistencia moldeable, pasa a través de las boquillas u

orificio formador.

La posición del cilindro y del tornillo es independiente en el proceso de extrusión.

Por ello se utilizan las extrusoras verticales cuando se tienen espacios reducidos o

cuando se requieren acoplar varias máquinas para elaborar productos constituidos

por varios componentes.

Figura 22 “Extrusora de tornillo marca Bregar.”

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1.16 Acciones básicas de control

Los controladores industriales se clasifican, de acuerdo con sus acciones de

control, como:

a) De dos posiciones o de encendido y apagado (On/Off)

b) Proporcional (P)

c) Proporcional-integral (PI)

d) Proporcional-integral-derivativo (PID)

El tipo de controlador que se use debe decidirse con base en la naturaleza de la

planta y las condiciones operacionales, incluyendo consideraciones tales como

seguridad, costo, disponibilidad, confiabilidad, precisión, peso y tamaño.

Acción de control de dos posiciones o de encendido y apagado (On/Off).

La salida del dispositivo está encendida o apagada, sin estado intermedio. Un

controlador de encendido y apagado conmutará la salida sólo cuando la variable a

controlar cruce el punto de ajuste (setpoint). Para la regulación la salida está

encendida cuando la temperatura está por debajo del punto de ajuste, y apagada

por encima del punto de ajuste. En casos en los que este ciclado ocurra

rápidamente, y para evitar daños a contactores y válvulas, se agrega a la

operaciones del controlador un diferencial de encendido-apagado, o "histéresis".

Este controlador usa un relé con enclavamiento, que se debe restablecer

manualmente, y se usa para apagar un proceso cuando se alcanza cierta

temperatura.

El control es relativamente simple y barato, razón por la cual su uso es extendido

en sistemas de control tanto industriales como domésticos.

Proporcional

Da una salida del controlador que es proporcional al error, es decir:

u(t) =KP.e(t),que descripta desde su función transferencia queda:

𝐶𝑝(𝑠) = 𝑘𝑝

Donde Kp es una ganancia proporcional ajustable.

Un controlador proporcional puede controlar cualquier planta estable, pero posee

desempeño limitado y error en régimen permanente (off-set).

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Proporcional-Integral

Con un control proporcional, es necesario que exista error para tener una acción

de control distinta de cero. Con acción integral, un error pequeño positivo siempre

nos dará una acción de control creciente, y si fuera negativa la señal de control

será decreciente.

Se define mediante

𝑢(𝑡) = 𝑘𝑝𝑒(𝑡) +𝑘𝑝

𝑇𝑖∫ 𝑒(𝜏)𝑑𝜏

𝑡

0

Donde Ti se denomina tiempo integral y es quien ajusta la acción integral. La

función de transferencia resulta:

𝐶𝑃𝐼(𝑠) = 𝑘𝑝 (1 +1

𝑇𝑖𝑠)

Con un control proporcional, es necesario que exista error para tener una acción

de control distinta de cero. Con acción integral, un error pequeño positivo siempre

nos dará una acción de control creciente, y si fuera negativo la señal de control

será decreciente. Este razonamiento sencillo nos muestra que el error en régimen

permanente será siempre cero.

Muchos controladores industriales tienen solo acción PI. Se puede demostrar que

un control PI es adecuado para todos los procesos donde la dinámica es

esencialmente de primer orden. Lo que puede demostrarse en forma sencilla, por

ejemplo, mediante un ensayo al escalón.

PID

Este controlador combina el control proporcional con dos ajustes adicionales, lo

que ayuda a que la unidad compense automáticamente los cambios en el sistema.

Estos justes, integral y derivada, se expresan en unidades de base de tiempo. Los

términos proporcional, integral y derivativo se deben ajustar o "afinar"

individualmente a un sistema en particular usando prueba y error. Proporciona el

control más preciso y estable de los tres tipos de controlador, y se usa mejor en

sistemas que tienen una masa relativamente pequeña, los que reaccionan

rápidamente a los cambios en la energía agregada al proceso. Se recomienda en

sistemas en los que la carga cambia con frecuencia y se espera que el controlador

compense automáticamente debido a los cambios frecuentes en punto de ajuste,

la cantidad de energía disponible, o la masa a controlar.

La ecuación de un controlador con esta acción combinada se obtiene mediante:

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𝑢(𝑡) = 𝑘𝑝𝑒(𝑡) +𝑘𝑝

𝑇𝑖∫ 𝑒(𝜏)𝑑𝜏

𝑡

0

+ 𝑘𝑝𝑇𝑑

𝑑𝑒(𝑡)

𝑑𝑡

Y su función de trasferencia resulta

𝐶𝑃𝐼𝐷(𝑠) = 𝑘𝑝 (1 +1

𝑇𝑖𝑠+ 𝑇𝑑𝑠)

Donde Td es una constante de tiempo derivativo.

1.17 Reglas de sintonización para controladores PID Método de lazo cerrado o última ganancia (método de ZIEGLER-NICHOLS)

Este método es el pionero en la sintonización de controladores, es conocido por

método de lazo cerrado o sintonización en línea, fue propuesto por Ziegler y

Nichols en 1942 y se sigue usando hoy en día.

Este método tiene como objetivo ajustar el controlador para una curva de

respuesta con una razón de amortiguamiento igual a ¼, tal como se muestra en la

figura 24.

Este método se basa en encontrar la ganancia de un controlador de tipo

proporcional con la finalidad de que el lazo oscile indefinidamente a una amplitud

constante. Esta es la máxima ganancia para la cual el lazo es estable; por eso se

le denomina ganancia última. El método se aplica de la forma siguiente:

1. Coloque el controlador en acción proporcional, eliminando la acción integral y la

derivativa (Ti = ∞; Td = 0).

2. Aplique una perturbación en el lazo (generalmente un cambio escalón en el

valor deseado de aproximadamente 20%) y ajuste la ganancia kc, hasta que la

respuesta oscile continuamente a una amplitud constante.

3. Registre este valor de kc como la ganancia última kcu, y registre el período de

la curva de respuesta como el período último (Pu).

4. Determine los ajustes a partir de las ecuaciones dadas en la tabla 8.

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Tabla 8 “Ecuaciones para Ajustes de Controladores”

La dificultad de este método radica en la aplicación de la prueba, ya que en muy

pocos procesos en producción es factible ponerlos a oscilar de la manera que se

muestra en la figura 23.

Figura 23 ”Determinación de la última ganancia”

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Figura 24 “Razón de amortiguamiento”

Método a lazo abierto o curva de reacción

Como su nombre lo indica, estos métodos se utilizan en lazo abierto, colocando el

controlador en manual. Los datos requeridos para el ajuste se obtienen mediante

la prueba de escalón que proporciona una curva de reacción como respuesta.

Estos datos son los parámetros de K, τ, to, obtenidos bien sea de un sistema de

primer orden más tiempo muerto, o de un Sistema de Segundo Orden más Tiempo

Muerto.

Este método se aplica de la siguiente manera:

1. Colocar el controlador en manual, y esperar que el proceso se estabilice.

2. Realizar un cambio escalón en la señal de salida del controlador (posición de la

válvula).

3. Registrar la curva de respuesta del proceso.

Como ya se ha visto, un proceso se puede expresar con una ecuación de

transferencia de la forma:

O de un orden mayor, con una ecuación de transferencia general de la forma:

Página 47

Sin embargo, como ya se ha mencionado antes, los procesos de orden mayor

(mayor de segundo orden) son inicialmente aproximados a procesos de primer

orden más tiempo muerto o procesos de segundo orden más tiempo muerto, como

se ilustra en las ecuaciones anteriores. En la práctica, no obstante, no hay un

método fácil, confiable y consistente para aproximar un proceso de cualquier

orden superior a un proceso de primer orden. El método presentado acá es el que

da la mejor aproximación, y el más fácil de usar. En la figura 25 se muestra la

manera de obtener los dos puntos.

Figura 25 ”Curva de Reacción del Proceso usando el método de los dos Puntos”

Página 48

Teniendo estos dos puntos como datos, la constante de tiempo (τ) y el tiempo

muerto (to) son determinados por las siguientes ecuaciones:

El parámetro K (ganancia del proceso) debe estar en %/%,𝜏 (constante de tiempo)

y t0 (tiempo muerto) deben estar en minutos.

Además de las fórmulas de sintonización en lazo cerrado, Ziegler y Nichols en

1942 proponen un conjunto de ecuaciones basadas en los parámetros de un

modelo de Primer Orden más Tiempo Muerto encontrados a partir de la curva de

reacción.

Al igual que en el método de lazo cerrado, con los ajustes encontrados al aplicar

este método, se intenta obtener una curva de respuesta de lazo cerrado que tenga

una razón de amortiguamiento igual a ¼. A partir de la tabla 9, se pueden

determinan los coeficientes de ajuste a partir de los valores de K, t0 y 𝜏.

Tabla 9 “Parámetros de sintonización por el Método de Ziegler-Nichols a Lazo Abierto”

Capítulo 2

Diagnóstico

Actual

Página 51

2.1 Análisis FODA

FORTALEZAS OPORTUNIDADES

• El mercado de extrusión de

plásticos está en crecimiento y

la variedad de materiales para

reciclar, permite un mayor

impacto en el mercado.

• Reducción de costos en los

gastos de operación.

• Menor consumo en energía

eléctrica.

• Aumento en la vida útil de los

equipos.

• Un ambiente seguro de trabajo.

• Posibilidad de procesamiento de

distintos materiales, además del

HIPS.

• Mejorar la producción.

• Ofrecer un producto más

rentable y competente en el

mercado.

• Interés de más empresas, por

adquirir pellet de plástico

reciclado.

• Minimizar los costos

posteriores por mantenimiento.

RESTRICCIONES DEBILIDADES

• La alimentación eléctrica que se

tiene en la empresa.

• Presupuesto limitado,

específicamente designado a

ciertas correcciones.

• Espacio limitado en el área de

trabajo.

• Horarios de trabajo limitado y

poco flexible.

• Cambios constantes en los

procesos anteriores a la

extrusión.

• Variaciones constantes de

energía

• Espacio de trabajo compartido

con actividades ajenas a

proceso.

• Mantenimiento continúo.

• Poco conocimiento del personal,

acerca del proceso.

• Existen campos en el proceso

en los que podría existir una

mejora mayor, pero existen

limitantes dadas por la empresa.

Pág

ina

52

2.2

Dia

gra

ma

de I

shik

aw

a

Página 52

Página 53

2.3 Condiciones actuales de la extrusora

2.3.1 Plano de Distribución

Figura 26 “Plano de distribución del lugar”

Página 54

1.- Extrusora

2.- Tina para enfriamiento

3.- Rodillos

4.- Cortadora

5.- Revolvedora

6.- HIPS molido (materia prima que se alimenta a la tolva)

7.- Molino

8.- Almacenaje de Poliestireno pelletizado

9.- Báscula para Poliestireno pelletizado

10.- “Pacas” de HIPS, antes de procesar en molino

11.- Almacenaje de material externo a la organización para reciclaje

12.- Almacenaje de material externo a la organización para reciclaje

13.- Báscula

14.- Comedor

15.- Baños

16.- Baños

17.- Oficinas

18.- Entrada

Página 55

2.3.2 Diagrama de flujo del proceso

Figura 27 “Diagrama de flujo del proceso de extrusión de HIPS”

El plástico molido se

introduce en la tolva

Mediante un tornillo sin fin, el plástico

es transportado a lo largo del cañón

que está rodeado de resistencias

eléctricas.

El plástico sale a altas temperaturas

través del cabezal.

Pasa por una tina de metal llena

con agua para que se solidifique.

Se utilizan “cepillos y trapos”, para absorber

los residuos de agua en el material.

El plástico pasa por unos rodillos

que facilitan el transporte hacia el

cortador.

Se corta en forma de pellets.

Almacenaje

Empaque del material de manera que

el costal pese 40 kg en peso neto.

Página 56

2.3.3 Diagnostico del Proceso

El poliestireno llega por lotes en forma de paca (figura 28) la cual es almacenada

en un pequeño espacio antes de comenzar el proceso de reciclado.

La paca está conformada por poliestireno de aproximadamente 25 cm. de longitud

(Figura 28)

Figura 28 “Paca de Poliestireno”

Figura 29 “Pieza de Poliestireno”

Página 57

La instalación eléctrica no está adecuada, por lo que solo consta de una

instalación trifásica la cual a través de interruptores por sobre carga, alimenta

directamente a la maquinaria (extrusora y molino).

Figura 30 “Instalación eléctrica actual para la alimentación de la maquinaria”

Figura 31 “Instalación eléctrica actual”

Página 58

Como podemos observar en la figura 31, el primer interruptor por sobrecarga es

destinado a la alimentación del molino, el segundo es destinado a la alimentación

de la extrusora. A pesar de que ambos interruptores, están alimentados de igual

manera, la capacidad para la sobrecarga es distinta y no se cuenta con protección

por temperaturas elevadas o en caso de corto circuito.

Actualmente en la máquina se utiliza un motor de 30 hp, el cual reemplazo a un

motor de 50 hp. Al no tener inconveniente con el motor actual, es el que utiliza la

extrusora. Además de que el motor se arranca a tensión plena, el artículo 430 de

la NOM 001-SEDE-2012, Instalaciones Eléctricas, especifica que la potencia

mayor permitida para el arranque a tensión plena es de 10 hp, superando por

bastante el límite permitido, disminuyendo el factor de potencia y generando

costos más elevados en el consumo de energía eléctrica.

Figura 32 “Placa de datos motor”

La reducción de la velocidad se realiza mediante un motorreductor (figura 33) el

cual esta acoplado directamente al motor, mediante una banda transmite el torque

necesario al tornillo de la extrusora.

Página 59

Figura 33 “Motorreductor”

Figura 34 “Mecanismo Interno del Motorreductor”

Previo a comenzar el proceso de extrusión, el material es introducido al molino

triturador de plástico para reducir el tamaño y producir escamas (figura 35), que

serán alimentadas a la tolva, es importante recordar que es material ligero, por lo

que es necesario garantizar la alimentación en la tolva para evitar desabasto en la

misma.

Página 60

Figura 35 “Molino para obtener escamas del HIPS”

Para ingresar el plástico molido al extrusor, se hace a través de una tolva (figura

36) debido a lo ligero de la materia prima no cae con facilidad al extrusor, para

iniciar el proceso de fundición de plástico.

Figura 36 “Tolva”

Página 61

El tablero de conexiones de los componentes del cañón en la extrusora (figura 37),

presenta un severo déficit en cuanto a desarrollo o cumplimiento de normativas,

que en realidad es resultado de poca organización de la implementación de

ingeniería, provocando pérdidas energéticas, lo cual dificulta cualquier operación

de mantenimiento preventivo o correctivo.

Figura 37 “Tablero de conexiones”

La extrusora cuenta con pirómetros indicadores de temperatura (figura 38), ya que

la temperatura durante el proceso de fundición se divide en distintos zonas, de

menor a mayor, por comentarios de los operadores, sabemos que en ocasiones

varían los valores indicados en estos, por lo que no saben si el material se

procesara de manera correcta.

Figura 38 “Pirómetro indicadores de temperatura”

Página 62

El cambio de malla es vital para mantener la calidad, eliminar impurezas y

contaminación en el material, como principal desventaja, tenemos el tiempo que

conlleva dicho cambio, además que el material que se encontraba en la extrusora,

deberá volverse a procesar. El proceso para cambiar la malla (filtro) en la

extrusora que sirve para retener las impurezas (vidrio) que pudiera tener el

material, es el siguiente:

1. Preparar una malla limpia (figura 39) y dos llaves españolas de 11

2 pulgadas

(figura 40), colocar la malla en el espacio disponible.

Figura 39 “Preparación de malla limpia”

Figura 40 “Herramienta a utilizar para cambio de malla”

Página 63

2. Desenergizar el motor de la extrusora.

Figura 41 “Desenergizar Motor”

3. Aflojar los tornillos del plato.

Figura 42 “Aflojado de tornillos”

Página 64

4. Girar el plato en sentido contrario del que se encuentra actualmente.

Figura 43 “Giro del Plato”

5. Retirar la malla sucia y limpiarla.

Figura 44 “Retirado de malla sucia”

Página 65

Figura 45 ”Limpieza de la malla sucia”

6. Regresar al plato a su posición original y apretar los tornillos.

Figura 46 “Regresar plato a la posición original”

Página 66

7. Encender el motor de la extrusora.

Figura 47 “Encender el Motor”

A continuación se muestra una malla limpia (sin impurezas o vidrio) y una malla

sucia (con impurezas y vidrio).

(a) (b)

Figura 48 “Comparación entre malla limpia (a) y malla utilizada (b)”

Página 67

2.4 Producción actual de la extrusora

1 costal se llena en 37 minutos, esto equivale a 40 kg.

El turno laboral es de 12 horas, pero se descuenta 1 hora por cambio de mallas en

el transcurso del turno.

El tiempo efectivo de trabajo de la maquina extrusora es de 11 horas= 660

minutos/turno.

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 =𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑢𝑠𝑜𝑟𝑎 (min )

𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑙𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑢𝑛 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑎 (𝑚𝑖𝑛)

𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 =660𝑚𝑖𝑛

37𝑚𝑖𝑛= 17.83 ≈ 18

Jornada Laboral de la empresa: 24 horas al día, 5 días a la semana, 4 semanas al

mes y 12 meses al año.

Tabla 10 “Producción semanal de material pelletizado”

Primer turno Segundo turno Días laborados Total semanal

Numero de

costales 18 18 5 180 costales

Producción kg. 720 720 5 7,200 kg

Tabla 11 “Producción semanal, mensual y anual de material pelletizado”

Total Semanal Total Mensual Total Anual

No. de Costales 180 720 8,640

Producción en Kg. 7200 28,800 345,600

2.5 Consumo energético de la extrusora

Sabemos que un equipo como la extrusora, tiene una alta demanda de corriente,

sumado a esto, no se cuentan con las adecuaciones necesarias, ni con el

mantenimiento preventivo, para evitar elevados consumos de energía eléctrica,

durante las pruebas realizadas al arranque del motor, observamos que alcanzaba

una corriente de hasta 100 amperes, la potencia nominal de este es de 74

amperes, además de generar pérdidas para la empresa, el motor sufre un severo

desgaste al arrancar.

Página 68

Las distintas zonas del cañón varían la temperatura para lograr la fusión del

material, por lo que la instalación eléctrica, resiente constantes cambios en la

misma.

Con ayuda un Fluke 41B se tomaron las siguientes mediciones en la alimentación

eléctrica de la máquina extrusora durante una semana, en tres horarios diferentes.

Con la finalidad de saber el consumo total eléctrico de la máquina.

Figura 49 “Mediciones de consumo, FLUKE 41B”

Tabla 12 “Tabla de consumo eléctrico”

Día Horario Amperes Volts Kilowatts

Lunes

6:00 50 220 5.9

14:00 34.1 220 7.8

22:00 74.5 217 16.2

Martes

6:00 58 220 12.5

14:00 58.7 219 7.3

22:00 42.9 218 9.6

Miércoles 6:00 75 220 10.4

14:00 60 218 14.6

Página 69

22:00 41 219 6.4

Jueves

6:00 57.2 219 10.7

14:00 59.3 222 5.4

22:00 67.5 221 8.3

Viernes

6:00 45.3 220 10.8

14:00 37.9 217 11.3

22:00 58.1 218 6.1

Total

819.5 3288 143.3

Promedio

54.633

219.2

9.553

Como resultado de las mediciones, se obtuvo que en promedio la máquina

extrusora consume 9.553 kWh, por lo tanto se realizan los siguientes cálculos:

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑘𝑊ℎ 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑑𝑖𝑎 = 22 ℎ𝑟𝑠 × 9.553 𝑘𝑤 = 210.16 𝑘𝑊ℎ

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑘𝑊ℎ 𝑒𝑛 𝑢𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎 = 5 𝑑𝑖𝑎𝑠 × 210.16 𝑘𝑤 = 1,050.83 𝑘𝑊ℎ

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑘𝑊ℎ 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑚𝑒𝑠 = 4 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠 × 1,050.83 𝑘𝑤 = 4,203.32 𝑘𝑊ℎ

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑘𝑊ℎ 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑎ñ𝑜 = 12 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠 × 4,203.32 𝑘𝑤 = 50,439.84 𝑘𝑊ℎ

Costo de los 𝑘𝑊ℎ consumidos. La tarifa de CFE para esta empresa es de 3.36 pesos por

kWh.

Tabla 13 “Costo del consumo eléctrico”

kWh Pesos

Día $706.13

Semana $3,530.78

Mes $14,123.15

Año $169,477.86

Analizando la tabla 12 se observa que algunas mediciones no tienen coherencia,

por ejemplo el día lunes:

Página 70

Tabla 14 “Consumo de un día a diferentes horarios”

Día Horario Amperes Volts Kilowatts

6:00 50 220 4.9

Lunes 14:00 34.1 220 7.8

22:00 74.5 217 16.2

A las 6:00 am se toma una medición de 50A, 220V y 4.9Kw, a las 14:00 pm se

toma la medición de 34.1A, 220V y 7.8Kw, de inmediato se observa que hay una

incoherencia en los valores. Debido que a mayor corriente mayor potencia de

acuerdo con la ley de Ohm, por lo tanto estas mediciones demuestran lo contrario.

Esto sucede porque los relevadores prenden y apagan las resistencias eléctricas

de acuerdo a la temperatura que se desea llegar en el cañón de la extrusora. Así

que, mientras se tomaba nota de las lecturas y se cambiaba de parámetro en el

Fluke 41B transcurría un pequeño tiempo, suficiente para que algunos relevadores

se activaran o desactivaran, alterando así la medición.

2.6 Argumentos relevantes para el desarrollo del

anteproyecto

1. Espacio en el área de producción.

2. Selección adecuada de los equipos y material necesario para instalación

eléctrica.

3. Reducción en los tiempos de producción.

4. Calidad en el material final.

5. Seguridad en la operación.

6. Facilidad en el mantenimiento/limpieza.

2.6.1 Descripción de argumentos

1.- Espacio en el área de producción.

En la empresa no se cuenta con gran espacio para la producción y si a esto

sumamos el hecho de que se almacena el material en el limitado espacio,

corroboramos la necesidad de implementar sistemas eficientes sin ocupar espacio

de forma innecesaria, como en el caso de los tableros o sistemas de alimentación

de energía eléctrica.

Página 71

Figura 50 “Fotografía panorámica del espacio de producción”

2.- Selección adecuada de los equipos y material necesario para instalación

eléctrica.

Como parte fundamental de la propuesta de actualización, se debe garantizar la

operación en condiciones óptimas, al igual que el suministro de energía eléctrica,

evitando el deterioro forzado de los equipos. Dado que el proceso de

trasformación se da a partir de la generación de calor, la temperatura en los

conductores es un factor importante, el cual debemos tener en cuenta.

3.- Reducción en los tiempos de producción.

Debido a la procedencia y forma en la que llega el producto a la empresa, solo se

quitan residuos de otros materiales que son vistos al momento colocarlos en el

molino triturador.

El cambio de mallas absorbe una cantidad de tiempo considerable y se traduce en

pérdidas, las cuales impiden tener un precio más competitivo para el mercado.

4.-Calidad en el material final.

De igual manera, y de forma paralela al tercer argumento, la malla del plato

rompedor, no solamente contribuye a generar una presión uniforme dentro del

barril, sino que elimina impurezas del material, que de no ser así, el material final

entregado al cliente, seria inservible y perjudicial para la reputación de la empresa

como proveedor.

5.-Seguridad en la operación.

Como parte central de la propuesta y un aspecto fundamental en cualquier

proceso, se debe garantizar la seguridad de los operadores. Principalmente en

aspectos que son riesgo inminente, de igual forma evitar accidentes con

Página 72

instalaciones eléctricas inadecuadas, permitiendo realizar un mantenimiento al

equipo.

6.-Facilidad en el mantenimiento/limpieza.

Al estandarizar los aspectos principales del equipo, se da pauta a la realización

organizada del mantenimiento, para así poder programar mantenimientos

preventivos en distintas zonas del proceso. En cuanto a las partes en las que se

pueda tener residuos de materia prima, se debe facilitar la limpieza de la misma

(plástico fundido).

2.7 Sustentabilidad

El desarrollo sustentable es un proceso integral que exige a los distintos actores

de la sociedad compromisos y responsabilidades en la aplicación del modelo

económico, ambiental y social, así como los patrones de consumo que determinan

la calidad de vida.

La Comisión Mundial para el Medio Ambiente y el Desarrollo, establecida por la

ONU en 1983, definieron al desarrollo sustentable como “el desarrollo que

satisface las necesidades del presente sin comprometer las capacidades que

tienen las futuras generaciones para satisfacer sus propias necesidades”.

La principal característica del desarrollo sustentable es que implica pasar de un

desarrollo pensado en términos cuantitativos (con referencia al crecimiento

económico) a uno de tipo cualitativo, donde se establecen estrechos vínculos

entre aspectos económicos, sociales y ambientales.

Actualmente y dado a las condiciones de crecimiento en la población, se tiene un

aumento en el consumo de distintos productos, lo que nos hace satisfacer las

necesidades diarias y que podría traer consigo un impacto negativo en el medio

ambiente. La industria del plástico, está totalmente inmersa en esta situación y

debe procurarse un consumo responsable y un futuro sustentable.

Desde el punto de vista de este proyecto, debe trabajarse en conjunto con;

productores de materia prima, transformadores, diseñadores, recicladores,

autoridades y usuarios finales, para que los productos sean utilizados de manera

responsable y poder reducir la cantidad de desperdicios generados.

La mayoría de los residuos terminan en basureros, no solamente materiales

reciclables como el metal, plástico o cartón, sino desechos biodegradables, que

ninguno recibe el manejo.

Página 73

A pesar de los beneficios del reciclaje de residuos, en México se desaprovecha, ya

que según datos del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (Inegi) apenas

se reutilizan el 11 por ciento de las 86 mil toneladas de basura que se generan al

día en el país. El mercado del reciclaje en México tiene un valor potencial de 3 mil

millones de dólares, con un crecimiento anual del 10 por ciento, de acuerdo con

estimaciones de la Asociación Nacional de Industrias del Plástico (ANIPAC).

2.7.1 Sustentabilidad social

En el proceso de reciclaje de poliestireno de alto impacto, le da empleo a 6

personas, de las cuales y debido a los requerimientos del proceso, les es posible

tomar turnos extras u horas extras, los cuales son remunerados como tal.

El material adquirido para el reciclaje depende de una empresa dedicada a la

recolección de este (COPAFI), que además del HIPS, recolecta otros materiales

reciclables, por lo que de forma indirecta, se mantienen y generan empleos,

siendo proveedora a distintas empresas.

El reciclaje de plásticos, permite mejorar el manejo de desperdicios de las

ciudades, evitando la utilización de material virgen para el desarrollo de envases o

productos cotidianos. Aumentando la vida útil de los materiales y dependiendo de

la utilización se pudieran aplicar distintas etapas de reciclado al material.

2.7.2 Sustentabilidad económica

El reciclaje por extrusión del poliestireno de alto impacto, no solo representa

ganancias para la empresa, sino que es parte de una cadena comprendida desde

los productores hasta los consumidores, en la que de manera directa e indirecta

se generan empleos y activa la economía de este sector.

Como materia prima para la extrusión, el material se adquiere a particulares

encargados de su recolección en empresas que lo utilizan por primera o segunda

vez en sus etapas de vida útil, el material que ingresa ya ha sido clasificado y con

la menor cantidad de contaminantes en la manera que sea posible.

Semanalmente se adquieren en promedio 7200 kilogramos de material que resulta

como merma en la producción de material farmacéutico, por las exigencias de la

misma industria, el material utilizado en el proceso es virgen, es decir, al ser

reciclado se lleva a cabo el primer proceso del mismo, por lo que se garantiza

calidad en los pellets de HIPS.

Página 74

2.7.3 Sustentabilidad ambiental

En general, el proceso de reciclaje del plástico tiene distintos estándares de

selección y calidad, dependiendo la utilización y los clientes a los que se entrega

el material reciclado. El HIPS reciclado, está en su primera etapa, también

pudiendo reciclarse de 4 a 5 veces, dependiendo la aplicación del material

reciclado es posible someterlo en varias ocasiones a este, pero cuando ya ha sido

sometido en repetidas ocasiones a la extrusión, es necesario mezclarlo con

materia virgen para mantener las propiedades de este.

El manejo de este material por medio de la empresa, permite reducir la cantidad

de desperdicios que terminan en los basureros de la ciudad, alargando la vida útil

del HIPS. La cuestión más importante para la industria, es contar con clientes y

proveedores del poliestireno de alto impacto, ya que por la naturaleza del material

no puede obtenerse directamente de los botaderos. El adecuado manejo de

residuos como el HIPS, impide que estos terminen siendo un contaminante en el

ambiente y pueda alargarse la vida útil del mismo.

Página 75

Capítulo 3:

Análisis y Formulación

de

Propuestas

Página 77

3.1 Análisis de Componentes

3.1.1 Sistema eléctrico actual para arranque del motor

Figura 51 “Diagrama de conexión actual al motor de la extrusora” (Diseño Propio)

Una de las principales problemáticas en la instalación es la falta de protecciones y

el calibre inadecuado de los cables, lo que genera efectos dañinos y

funcionamiento irregular en los equipos eléctricos, genera pérdida de energía en el

conductor y disminuye su vida esperada. Solamente se cuenta con un interruptor

por corto circuito para las tres fases que alimentan el motor, lo cual se traduce en

costos para la empresa, además de disminuir su eficiencia.

B. Conductores para circuitos de motores

430-21. Generalidades. En la Parte B se especifica la ampacidad de los

conductores capaces de conducir la corriente del motor sin sobrecalentarse en las

condiciones especificadas. Las disposiciones de la Parte B no se deben aplicar a

circuitos de motores de más de 600 volts nominales. Las disposiciones de los

Artículos 250, 300 y 310 no se deben aplicar a los conductores que formen parte

integral de equipos, tales como motores, controladores de motores, centros de

control de motores u otros equipos de control ensamblados en fábrica. 3

3 NOM-001-SEDE-2012, INSTALACIONES ELECTRICAS (UTILIZACION)

Página 78

430-22. Un solo motor. Los conductores que alimenten un solo motor usado en

una aplicación de servicio continuo, deben tener ampacidad no menor al 125 por

ciento del valor nominal de corriente de plena carga del motor. 4

Tabla 15 “Corriente a plena carga de motores trifásicos de C.A.”

3.1.1.1 Conductores del circuito eléctrico

Los conductores eléctricos, son distintos materiales en forma de hilo sólido o cable

a través de los cuales se desplaza con facilidad la corriente eléctrica por tener un

coeficiente de resistividad muy pequeño. Los conductores empleados

normalmente son de cobre.

Tipos de aislamiento

T: Aislamiento plástico (termoplástico).

TW: Aislamiento resistente a la humedad.

TH: Aislamiento resistente al calor.

THW: Aislamiento resistente al calor y la humedad.

3.1.1.2 Fusibles y portafusibles

Fusibles tipo cartucho y portafusibles

430-36. Fusibles. Cuando se empleen fusibles para proteger a los motores contra

sobrecargas, se debe insertar un fusible en cada conductor de fase y además en


Página 79

el conductor puesto a tierra, si el sistema de alimentación es de corriente alterna,

trifásico y 3 hilos, con un conductor puesto a tierra.5

240-60. Generalidades.

a) Tensión máxima - Tipo 300 volts. Se permitirá la utilización de los fusibles tipo

cartucho y portafusibles de 300 volts en los siguientes circuitos:

Circuitos que no superen los 300 volts entre conductores.

Circuitos monofásicos de línea a neutro, alimentados por una fuente de 3 fases, 4

hilos con el neutro sólidamente puesto a tierra, en donde la tensión de línea a

neutro no sea mayor a 300 volts. 6

Tabla 16 “Fusibles para alimentación”

Aplicación del fusible Capacidad

Alimentación del motor 3x100 A

Resistencias eléctricas 2x20 A

Fuente: NOM-001-SEDE 2012

3.1.2 Motor

La máquina cuenta con un motor de rotor devanado de corriente alterna, tipo jaula

de ardilla, de 30 HP.

El motor está gobernado por un motorreductor, el cual disminuye la velocidad del

suministro a este.

La principal problemática que presenta es el arranque, se tiene a tensión plena, lo

cual genera elevados consumos y afecta la red de energía eléctrica. Además de

que carece de un sistema de protección.

El arranque de un motor trifásico de manera directa, el estator se acopla de forma

directa a la red. El motor se basa en sus características naturales. En el momento

de la puesta bajo tensión, el motor actúa como un transformador cuyo secundario,

formado por la jaula muy poco resistente del rotor, están en cortocircuito. La



Página 80

corriente inducida en el rotor es importante. La corriente primaria y secundaria son

prácticamente proporcionales.

I arranque= De 5 a 8 veces la corriente nominal.

Τ arranque= 0.5 a 1.5 seg. para de arranque nominal.

A pesar de las ventajas que conlleva el arranque directo de motores (sencillez,

elevado par de arranque, rapidez, bajo costo), sólo es posible utilizar el arranque

directo en los siguientes casos:

- La potencia del motor es débil con respecto a la red, para limitar las

perturbaciones que provoca la corriente.

- Se cuenta con un dispositivo que impida el arranque brusco.

- El par de arranque debe ser elevado.

ARTICULO 430

MOTORES, CIRCUITOS DE MOTORES Y CONTROLADORES

Figura 52 “Diagrama de conexión de motores, art. 430” (NOM-001-SEDE-2012, Instalaciones Eléctricas)

La Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2012, Instalaciones Eléctricas fue

elaborada por el Comité Consultivo Nacional de Normalización de Instalaciones

Eléctricas y por la Dirección General de Distribución y Abastecimiento de Energía

Eléctrica, y Recursos Nucleares de la Secretaría de Energía con el apoyo de las

siguientes instituciones:

Página 81

• Asociación Mexicana de Directores Responsables de Obra y

Corresponsables, AMDROC

• Asociación Mexicana de Empresas del Ramo de Instalaciones para la

Construcción, AMERIC

• Asociación de Normalización y Certificación, A.C., ANCE

• Cámara Nacional de la Industria de Desarrollo y Promoción de Vivienda,

CANADEVI

• Cámara Nacional de la Industria de la Transformación, CANACINTRA

• Cámara Nacional de Manufacturas Eléctricas, CANAME

(NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-001-SEDE-2012, INSTALACIONES

ELECTRICAS)

Como alternativa a esta problemática debido a que contamos con un motor de 30

H.P. con una corriente nominal de 74 amperes, por lo que seleccionando el

dispositivo adecuado podemos reducir los costos en cuanto consumo energético.

3.1.3 Motorreductor

La velocidad angular nominal del motor principal es mayor que la velocidad

angular a la que opera el husillo de la extrusora, por lo que es necesaria la

implementación de un motorreductor.

Los radios de reducción más comunes se comprenden entre 15:1 o 20:1. La

relación de reducción, hace referencia a los diámetros del mecanismo, por

ejemplo, la relación 15:1, es la relación interna del mecanismo del motorreductor,

para reducir la velocidad, es decir que, por cada 15 revoluciones a la entrada del

mecanismo, tendremos una a la salida. Esta relación nos sirve para mantener la

potencia con una velocidad menor y de ser necesario podrían aplicarse relaciones

más grandes, en donde para obtener una revolución, fuera necesario tener cien a

la entrada.

El motorreductor que ocupa la extrusora es de la marca “VARJUS”

En cuanto al sistema de reducción de velocidad, tenemos una polea, mediante

una banda se acopla al motor, dependiente del motor de 30 hp. Las poleas

utilizadas para transmisión de energía, son poleas de correa o banda, se utilizan

para transmitir movimiento giratorio entre 2 ejes distantes.

- Trabajan siempre como poleas fijas y van unidas por bandas.

- Las bandas pueden ser de dos tipos: planas y trapezoidales.

Pueden ser:

- Reductores: reducen la velocidad.

Página 82

- Multiplicadores: aumentan la velocidad.

- Transmisores: transmiten el movimiento sin variar la velocidad.

En la figura 50 muestra el diseño de las poleas con las que cuenta el

motorreductor, el diámetro está especificado en cm.

Figura 53 “Sistema de alimentación a extrusor”

(𝑛1)(𝑑1) = (𝑛2)(𝑑2)

Donde:

n1 = Velocidad de la polea entrada n2 = Velocidad de la polea salida es una de las incógnitas d1 = Diámetro de la polea entrada d2 = Diámetro de la polea salida

Los valores con los que se cuenta son:

n1 = 1750 rpm d1 = 17.78 cm d2 = 28.25 cm Para obtener la velocidad de salida se despeja n2 de la ecuación anterior.

n2 = n1d

d2

Con la ecuación anterior se sustituyen los valores para obtener el resultado n2

n2 =(1750)(17.78)

28.25= 1101.41 RPM

En la polea de salida del motorreductor, tenemos una velocidad de 1101.41 RPM,

la polea de entrada presenta una velocidad de 40 RPM, debido a que la polea de

Página 83

salida del motorreductor y la polea del tornillo sin fin tiene el mismo diámetro, la

velocidad en ambas es de 40 RPM.

3.1.4 Potencia necesaria para el husillo de la extrusora

La potencia es la rapidez con que se efectúa un trabajo, es decir, el trabajo por

unidad de tiempo (Potencia= Trabajo/Tiempo).

Partiendo de los datos con los que contamos en la máquina, como el diámetro del

husillo, el número de revoluciones y el factor de proporcionalidad, dado por

Savgorodny.

Con la siguiente ecuación obtenemos la potencia requerida en el husillo.

𝑛 = 𝐾2 𝑁

𝜋 𝐷3

Donde

𝑛 = 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠

𝐾 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙𝑖𝑎𝑑 7

𝐷 = 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 ℎ𝑢𝑠𝑖𝑙𝑙𝑜

𝑁 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎

Se desarrolla la operación para la velocidad a la que trabaja el husillo, que es de

40 RPM, además de las velocidades cercanas a esta, así como la máxima

permitida por la extrusora.

40 RPM. Velocidad a la que opera la extrusora

Partiendo de la ecuación anterior se busca la potencia por lo cual se despeja N y

obtenemos la siguiente ecuación.

𝑁 = 𝑛 𝜋 𝐷3

𝐾2 𝑁

Sustituyendo valores se obtiene

𝑁1 = (40)(3.1416)(90)3

66.72 = 20.591𝐾𝑤

𝑁1 = 20.591 𝐾𝑤 /(0.74569) = 27.60 𝐻𝑃

7 Relación constante entre el diámetro del husillo y la velocidad de operación. (V.K. Savgorondny, Transformación de Plásticos. 2 ed. Barcelona)

Página 84

60 RPM. Velocidad máxima permitida por el husillo

Tomando como referencia la segunda ecuación y cambiando el valor de n se

obtiene la siguiente ecuación

𝑁1 = (60)(3.1416)(90)3

66.72 = 30.887 𝐾𝑤

𝑁1 = 30.887 𝐾𝑤 /(0.74569) = 41.45𝐻𝑃

La velocidad con la que trabaja el husillo con el motor de 30 Hp funciona de forma

adecuada pero si se desea trabajar con la máxima velocidad que soporta el husillo

es necesario cambiar el motor por uno de 45 Hp.

3.1.5 Sistema térmico del cañón

El sistema presenta deficiencias, en cuanto a la temperatura generada en el

cañón, el principal inconveniente, se presenta en el control y el sistema eléctrico,

encargado de la alimentación de las resistencias.

El cañón cuenta con 15 resistencias eléctricas, con 5 pirómetros en el tablero

principal y 2 resistencias en la salida (dosificación), controlado por un pirómetro en

el tablero secundario

Figura 54 “Sistema térmico del cañón”

Como problemática principal, no existe estandarización de las conexiones,

además de encontrarse en malas condiciones.

Página 85

Las resistencias calefactoras están encargadas de modificar la temperatura. Estas

resistencias tienen una potencia de 1200 Watts permitiendo un rápido cambio en

la temperatura deseada.

Figura 55 “Tablero de control del sistema térmico”

3.1.5.1 Resistencias eléctricas

El cilindro por lo general posee sistemas de transferencia de calor. El

calentamiento se puede realizar mediante resistencias eléctricas circulares

localizadas en toda su longitud. El circuito comúnmente se divide en 5 zonas de

calefacción, con control independiente en cada una de ellas, que permite

conseguir un gradiente de temperatura, desde la tolva, hasta la boquilla.

Cada zona se gradúa a la temperatura recomendada para el proceso, la

resistencia calienta la camisa hasta la temperatura deseada.

3.1.5.2 Temperatura en zonas de extrusión

Tabla 17 “Resistencias en el cañón de extrusora”

Zona Resistencias

Eléctricas Temperatura oC

Primera Zona 3 70

Segunda Zona 3 110

Tercera Zona 3 150

Cuarta Zona 3 190

Quinta Zona 3 230

Sexta Zona 2 270

Página 86

3.1.6 Pirómetros

Dispositivos capaces de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de

estar en contacto con ella. Son aparatos de estado sólido, insensibles a las

vibraciones y choques, que pueden funcionar en cualquier posición.

La principal función del indicador es demostrar el desvío de la temperatura

ajustada en relación con la temperatura medida por el sensor. El sensor es un

termopar que se selecciona de acuerdo a la temperatura de trabajo, existiendo un

sensor para cada rango. La resistencia de los conductores no es tan crítica en el

caso de los termopares.

Figura 56 “Pirómetros”

3.1.7 Cambia mallas

El procedimiento para cambio de malla lo realizan los operarios de la maquina

extrusora en promedio 10 veces por turno. En la siguiente tabla se muestra cuanto

tiempo se tarda cada operario en cambiar la malla.

Tabla 18 “Tiempo perdido al cambiar la malla”

Malla

1

Malla

2

Malla

3

Malla

4

Malla

5

Malla

6

Malla

7

Malla

8

Malla

9

Malla

10 Total

Operador

1

4.55

min

4.50

min

4.45

min

4.45

min

4.58

min

4.54

min

4.48

min

4.55

min

4.44

min

4.57

min

48.31

min

Operador

2

4.56

min

4.48

min

4.54

min

4.49

min

4.53

min

4.55

min

4.54

min

4.52

min

4.51

min

4.52

min

48.44

min

Página 87

Analizando la tabla anterior, cada operador invierte un promedio de 48.37 minutos

en su turno para realizar 10 cambios de malla, considerando que el material no

esté muy sucio. Si se presenta lo contrario, cada operario puede llegar a cambiar

hasta 12 veces la malla por lo cual 48.37 minutos los vamos a redondear a 60

minutos, en dado caso que se tarde más tiempo el operador en realizar el cambio

de malla.

3.2 Propuestas

3.2.1 Propuesta para la seguridad de los operadores

El análisis de la seguridad de procesos incrementa los niveles de seguridad de su

instalación, reduciendo el riesgo de accidente, mejorando la operatividad y

facilitando la gestión del riesgo. La seguridad industrial es un elemento complejo,

que abarca desde problemática estrictamente técnica hasta diversos tipos

humanos y sociales. Que debe entenderse como una disciplina de estudio en la

que se han de formar los especialistas apropiados.

La seguridad industrial no debe considerarse como un conjunto de preceptos

totalmente consolidados, porque estos han de evolucionar tal como lo hacen. En

los equipos instalados, dentro de la empresa, se presentan equipos, que no

ofrecen la seguridad necesaria a los operadores, por una mala planeación y falta

de conocimientos en el ramo, comenzando principalmente porque las zonas de

trabajo no están delimitadas, las instalaciones eléctricas no cuentan con la

protección necesaria, ni la instalación adecuada.

Desde nuestro punto de vista, una de las situaciones críticas y que requerían

solucionarse de inmediato, radicaba en las poleas expuestas de la extrusora.

Protección en la maquinaria, podría considerarse de manera indirecta un sinónimo

de seguridad industrial, y es un tema de prioridad para el encargado de seguridad

e higiene. Debido a que aspectos de esta índole no se consideran, deben ser

tratados.

Una de las partes más peligrosa de una maquina es donde están las bandas,

poleas y otros sistemas de transmisión de energía. Por lo que deben recibir

atención constante en la planta. Las guardas se fabrican en planta, bajo la

supervisión del encargado de la seguridad. Generalmente una altura menor de los

metros desde el piso o plataforma de trabajo se considera una zona en la que el

personal necesita protección de las bandas o poleas.

Página 88

3.2.1.1 Guardas en sistemas de transmisión de energía

Los operadores constantemente se encuentran maniobrando o monitoreando el

proceso, desde el hecho de cargar las “escamas” de poliestireno de alto impacto a

la tolva o el arranque de la extrusora. Debido a la velocidad que se tiene en las

poleas (superior a las 1000 RPM), se presentaba un constante riesgo para los

operadores. Y una solución económica, generaría menores costos en caso de

presentarse un imprevisto.

Figura 57 “Sistema de trasmisión de energía sin guarda”

3.2.2 Consideraciones de seguridad según NOM-004-STPS-1999

3.2.2.1 Obligaciones de los trabajadores

- Participar en la capacitación que proporcione el patrón.

- Cumplir con las medidas que señale el Programa Específico de Seguridad e

Higiene para la Operación y Mantenimiento de la Maquinaria y Equipo.

- Reportar al patrón cuando los sistemas de protección y dispositivos de

seguridad de la maquinaria y equipo se encuentren deteriorados, fuera de

funcionamiento o bloqueados.

- Utilizar el equipo de protección personal de acuerdo a las instrucciones de

uso y mantenimiento proporcionadas por el patrón.

- Usar el cabello corto o recogido, no portar cadenas, anillos, pulseras,

mangas sueltas u otros objetos que pudieran ser factor de riesgo durante la

operación.

- Reportar al patrón cualquier anomalía de la maquinaria y equipo que pueda

implicar riesgo.

Página 89

3.2.2.2 Propuesta Tarjetas de aviso

• Las tarjetas de aviso son señales de forma geométrica rectangular, que se

utilizan para advertir que la maquinaria y equipo se encuentran

desactivados, prohíben la activación y el retiro de las tarjetas a los

trabajadores ajenos al mantenimiento. Las tarjetas deben colocarse en

donde se activa la maquinaria y equipo en forma segura para evitar que

sean retiradas con facilidad.

• Las tarjetas de aviso deben ser visibles, cuando menos a un metro de

distancia. En la tabla A1 se establecen las características con las que

deben cumplir las tarjetas de aviso.

Tabla 19 “Características de las tarjetas de aviso”

Fuente: NOM-004-STPS-1999

3.2.2.3 Programa específico de seguridad para la operación y mantenimiento de la

maquinaria y equipo

Operación de la maquinaria y equipo.

El programa debe contener procedimientos para que:

a) Los protectores y dispositivos de seguridad se instalen en el lugar requerido

y se utilicen durante la operación;

b) Se mantenga limpia y ordenada el área de trabajo;

c) La maquinaria y equipo estén ajustados para prevenir un riesgo;

d) Las conexiones de la maquinaria y equipo y sus contactos eléctricos estén

protegidos y no sean un factor de riesgo;

e) El cambio y uso de la herramienta y el herramental se realice en forma

segura;

f) El desarrollo de las actividades de operación se efectúe en forma segura;

Página 90

g) El sistema de alimentación y retiro de la materia prima, subproducto y

producto terminado no sean un factor de riesgo.

La capacitación que se debe otorgar a los trabajadores que realicen las

actividades de mantenimiento.

La periodicidad y el procedimiento para realizar el mantenimiento preventivo y, en

su caso, el correctivo, a fin de garantizar que todos los componentes de la

maquinaria y equipo estén en condiciones seguras de operación, y se debe

cumplir, al menos, con las siguientes condiciones:

a) Al concluir el mantenimiento, los protectores y dispositivos deben estar en

su lugar y en condiciones de funcionamiento;

b) Cuando se modifique o reconstruya una maquinaria o equipo, se deben

preservar las condiciones de seguridad;

c) El bloqueo de energía se realizará antes y durante el mantenimiento de la

maquinaria y equipo, cumpliendo además con lo siguiente:

- Deberá realizarse por el encargado del mantenimiento;

- Deberá avisarse previamente a los trabajadores involucrados, cuando se

realice el bloqueo de energía;

- Identificar los interruptores, válvulas y puntos que requieran inmovilización;

- Bloquear la energía en tableros, controles o equipos, a fin de

desenergizar,desactivar o impedir la operación de la maquinaria y equipo;

- Colocar tarjetas de aviso, cumpliendo con lo establecido en el apéndice A;

- Asegurarse que se realizó el bloqueo;

- Avisar a los trabajadores involucrados cuando haya sido retirado el

bloqueo. El trabajador que colocó las tarjetas de aviso, debe ser el que las

retire.

3.2.3 Tipos de control de la velocidad de un motor

El método más eficaz, con gran diferencia, para el control de la velocidad de un

motor es empleando variadores de frecuencia.

Sin embargo, menos del 10% de los motores de todo el mundo están equipados

con variadores de frecuencia y la mayor parte del control continúa efectuándose

mediante válvulas de regulación en sistemas de bombas o deflectores en

ventiladores, mientras que las demandas de la maquinaria giratoria se resuelven

con engranajes o accionamientos con correas. La regulación de velocidad por

medio de accionamiento con correas, cajas de engranaje y acoplamientos

hidráulicos aumentan la ineficacia del sistema en diversos grados y requiere que el

motor funcione a su máxima velocidad constantemente. Además, los

Página 91

accionamientos mecánicos pueden ser ruidosos y difíciles de mantener, ya que se

encuentran situados entre el motor y la maquinaria accionada.

Estos sistemas pueden parecer rentables a primera vista, pero en realidad

derrochan energía. Hacer funcionar un motor a máxima velocidad al tiempo que se

limita la potencia generada tiene el mismo efecto: parte de ella se pierde

inmediatamente. Del 65% de energía que se estima consumen los motores

eléctricos, un 20% se desperdicia debido a estos mecanismos de regulación.

Existen diversos sistemas para la regulación de velocidad en motores eléctricos,

en el caso de este proyecto y debido a situaciones propias de la empresa, se

decidió conservar el motorreductor, mediante el cual se controlan las revoluciones

en el husillo de la extrusora, bosquejando la implementación de un control más

estricto en está esta del proceso y solucionando las principales deficiencias en el

arranque de la máquina.

3.2.4 Propuesta para utilización de un variador de frecuencia

Uno de los métodos más eficaces para la el control en el arranque de un motor de

corriente alterna, es a través de un variador de frecuencia, que permite la

utilización de diversas herramientas, para llevar a cabo el arranque y paro de un

motor.

Sin embargo, existen diversos métodos para regular la velocidad en motores

eléctricos. En el caso de la extrusora, recurrimos a la utilización de un variador de

frecuencia, dado que el arranque se realiza de forma directa, de esta manera

reducimos el consumo energético y dado al acuerdo con el dueño de la empresa,

decidimos la implementación de este dispositivo, aunque representa un costo

mayor, otorga diversos beneficios y da la oportunidad de la utilización de un lazo

de control en caso de cambiar el reductor con el que se cuenta actualmente.

Este tipo de arranque con un variador, representa un sistema efectivo para

utilizarlo siempre que se requiera controlar y ajustar la velocidad.

Se utiliza con el objetivo de:

- Arrancar con cargas de gran inercia

- Arrancar con grandes cargas en redes de baja capacidad de cortocircuito.

- Optimizar el consumo eléctrico adaptado para la velocidad.

Este sistema de arranque se puede usar en todos los tipos de máquinas,

principalmente este tipo de arranque está pensado para ajustar la velocidad del

motor, por lo que el arranque es una aplicación secundaria.

Página 92

Figura 58 “Diagrama para arranque de motor en extrusora” (Diseño Propio)

Figura 59 “Diagrama para arranque de motor con VFD”

Página 93

Tabla 20 “Comparación entre distintos sistemas de arranque”

Fuente: Schneider Electric, sistemas de arranque de motores CA (Schneider

Electric)

De acuerdo a la comparativa presentada, podemos apreciar las ventajas de un

arranque a través de un VFD, las cuales superan al arrancador suave o a sistemas

de arranque convencionales, otorgando un par mayor al arranque, menor caída de

tensión, menor temperatura en el motor, además de ofrecer alternativas de

arranque variadas, así como métodos de frenado distintos.

Página 94

La utilización de un control PID en los variadores de frecuencia (VFD) lograr una

buena sintonización o parametrización de las acciones de control, para que la

variable deseada, sea estable y se eviten fallos que puedan repercutir en el

funcionamiento del motor.

El control PID, consta de 3 acciones de control, que son:

• La acción de control Proporcional calcula el error existente en porcentaje

entre la variable real y la variable de referencia y ejecuta una corrección

proporcional a la del error.

• La acción de control Integral establece la velocidad con la que se ejecuta

continuamente la acción proporcional. Elimina la compensación, pero puede

provocar lentitud y oscilaciones en la respuesta.

• La acción de control Derivativa da estabilidad al sistema, reduce los picos

de las oscilaciones y proporciona una respuesta más rápida.

El “Set-point” es establecido directamente en el variador de frecuencia y este a su

vez es comparado con la señal de retroalimentación proporcionada por un

transmisor o sensor y después enviada al controlador PID. Para procesar las

señales se requiere establecer los valores máximos y mínimos (escala) que utiliza

el transmisor y los valores máximos y mínimos de referencia que utilizará el PID

para que quede escalado al rango del transmisor. Por ejemplo, existen

transmisores que otorgan señales analógicas de 4ma a 20 mA.

Los principales beneficios de utilizar, un variador de frecuencia, son:

• Ahorro de energía

• Eficacia en la operación

• Disminución de costos

• Reducción de mantenimiento

3.2.5 Propuesta de control de temperatura

Una de las variables más importantes del proceso es la temperatura.

La máquina extrusora cuenta con 6 zonas diferentes de temperatura, las cuales

deberán poder ser controladas de manera independiente para brindarle flexibilidad

al proceso y garantizar que el material a extruir tenga las características

adecuadas. A su vez, las zonas de calentamiento deberán garantizar que la

temperatura configurada se mantenga constante si mayores perturbaciones.

La materia prima debe ser transportada y molida mediante el movimiento

constante de un tornillo helicoidal, esta etapa es acompañada por el calentamiento

de la camisa o el cilindro. El material es forzado a pasar por el dado o cabezal

Página 95

para así adquirir una forma específica, la cual para este caso, será de cordones o

hilos continuos.

La estrategia de control implementada para este diseño tiene como objetivo

cumplir con los requerimientos de control de temperatura teniendo en cuenta

aspectos como resolución, exactitud y precisión.

Control de temperatura

Un controlador de temperatura es un dispositivo usado para regular la temperatura

en un cierto proceso. El controlador toma como entrada un sensor o transmisor

que determina la temperatura donde se desea controlar y a la salida un actuador

para variar dicha temperatura.

El control de la temperatura en la zona 6 es crítico para garantizar la calidad del

producto. De igual manera, la óptima operación del proceso dependerá de la

confiablidad del control de la temperatura, adaptable a pequeñas perturbaciones.

3.2.5.1 Identificación de función de transferencia para el sistema térmico de la

extrusora.

Lo que se pretende es identificar el comportamiento de la temperatura de las

resistencias en función del tiempo.

Existen dos métodos básicos de identificación: identificación analítica (modelado)

e identificación experimental (identificación clásica). Para el modelado se requiere

un conocimiento muy especializado sobre la tecnología del proceso, mientras que

para la identificación clásica (que es el método más directo) se requiere aplicar al

proceso señales especiales como escalones, rampas, impulsos, sinusoides o

señales pseudoaleatorias. Para el tipo de planta que se ha de controlar es

suficiente una identificación clásica, utilizando el escalón como señal de prueba.

La función escalón es la señal que más se ha aplicado en la práctica convencional

del control automático, obteniéndose con ella modelos sencillos suficientemente

exactos. La respuesta de un proceso tecnológico a la señal escalón puede

aproximarse mediante: un modelo de primer orden con o sin retardo, un modelo de

segundo orden aperiódico con o sin retardo, un modelo de segundo orden

subamortiguado con o sin retardo. La elección de uno de los modelos anteriores

depende de la forma de la respuesta transitoria y del grado de precisión que se

desee en el ajuste. El modelo de primer orden se puede utilizar en procesos

simples o en otros más complejos si no se requiere mucha exactitud. Para sistema

térmico propuesto éste será el modelo elegido, puesto que como se sabe los

sistemas térmicos tienden a ofrecer una respuesta monótona creciente sin

oscilaciones.

Página 96

Para esta extrusora se obtendrán 6 funciones de transferencia una para cada

zona, para el modelado se realiza a partir de los siguientes datos:

• Tiempo que tarda en salir el Poliestireno de Alto Impacto (HIPS) 120 seg.

• Temperatura requerida para fundir el HIPS 270 oC

• Temperatura en cada una de las zonas de calentamiento de la extrusora

Zona 1 (20-70 oC), Zona 2 (70-110 oC), Zona 3 (110-150 oC), Zona 4 (150-

190 oC), Zona 5 (190-230oC), Zona 6 (230-270oC)

Tabla 21 “Tiempo en alcanzar la temperatura establecida zona 1”

Tiempo (s) Temperatura (oC)

0 20

4 29

8 40

12 51

16 60

20 70



20 70

24 79

28 87

32 95

36 103

40 110



40 110

44 117

48 125

52 134

Página 97

56 141

60 150



60 150

64 158

68 165

72 174

76 182

80 190



80 190

84 199

88 207

92 215

96 224

100 230



100 230

104 239

108 246

112 254

116 263

120 270

Página 98

Con los valores obtenidos de las tablas 21, 22, 23, 24, 25 y 26 se grafican los

valores obteniendo la ecuación de la recta pendiente de la forma y=mx+b. y la

linealizacion por medio de Matlab

Gráfica 3 “Respuesta de temperatura en Zona 1”


Página 99



Página 100



Página 101

Una vez que se tiene la ecuación de cada zona, se calculan los tiempos (t1 y t2) de

acuerdo al metodo de Ziegler-Nichols a lazo abierto.

𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏

𝑡1 =(𝑇𝑓−𝑇𝑖)∗0.283

𝑚 y 𝑡2 =

(𝑇𝑓−𝑇𝑖)∗0.632

𝑚

Dónde:

t1 y t2 indican el tiempo que obtendrán los porcentajes ya establecidos por el

método con respecto a la temperatura en cada zona.

La constante de tiempo (𝜏) es igual al tiempo que tarda la salida en alcanzar un

63.212% del valor final.

Como el comportamiento de la ecuación es de primer orden, la función de

transferencia tendrá la siguiente forma:

𝐺(𝑠) =𝑘

𝜏𝑠 + 1

El valor de k se le asignara un valor unitario para facilitar y hacer que las funciones

de transferencia tengan la forma de un sistema de primer orden.

Fdt de la zona 1

𝑦 = 2.5286𝑥 + 19.7143

𝑇(𝑡) = 2.5286𝑡 + 19.7143

𝑡1 =(70−20)∗0.283

2.5286 y 𝑡2 =

(70−20)∗0.632

2.5286

𝑡1 = 5.59 𝑠 y 𝑡2 = 12.49 𝑠

𝜏 =3

2(𝑡2 − 𝑡1) =

3

2(12.49 − 5.59) = 10.35 𝑠

𝐺(𝑠) =1

10.35𝑠 + 1

Fdt de la zona 2

𝑦 = 2𝑥 + 30.6667

𝑇(𝑡) = 2𝑡 + 30.6667

𝑡1 =(110−70)∗0.283

2 y 𝑡2 =

(110−70)∗0.632

2

𝑡1 = 5.66 𝑠 y 𝑡2 = 12.64 𝑠

Página 102

𝜏 =3

2(𝑡2 − 𝑡1) =

3

2(12.64 − 5.66) = 10.47 𝑠

𝐺(𝑠) =1

10.47𝑠 + 1

Fdt de la zona 3

𝑦 = 2.0071𝑥 + 29.1429

𝑇(𝑡) = 2.0071𝑡 + 29.1429

𝑡1 =(150−110)∗0.283

2.0071 y 𝑡2 =

(150−110)∗0.632

2.0071

𝑡1 = 5.63 𝑠 y 𝑡2 = 12.59 𝑠

𝜏 =3

2(𝑡2 − 𝑡1) =

3

2(13.21 − 5.63) = 10.44 𝑠

𝐺(𝑠) =1

10.44𝑠 + 1

Fdt de la zona 4

𝑦 = 2.0071𝑥 + 29.3333

𝑇(𝑡) = 2.0071𝑡 + 29.3333

𝑡1 =(190−150)∗0.283

2.0071 y 𝑡2 =

(190−150)∗0.632

2.0071

𝑡1 = 5.63 𝑠 y 𝑡2 = 12.59 𝑠

𝜏 =3

2(𝑡2 − 𝑡1) =

3

2(13.21 − 5.63) = 10.44 𝑠

𝐺(𝑠) =1

10.44𝑠 + 1

Fdt de la zona 5

𝑦 = 2.0214𝑥 + 28.9048

𝑇(𝑡) = 2.0214𝑡 + 28.9048

𝑡1 =(230−190)∗0.283

2.0214 y 𝑡2 =

(230−190)∗0.632

2.0214

𝑡1 = 5.6 𝑠 y 𝑡2 = 12.50 𝑠

𝜏 =3

2(𝑡2 − 𝑡1) =

3

2(13.12 − 5.6) = 10.35 𝑠

Página 103

𝐺(𝑠) =1

10.35𝑠 + 1

Fdt de la zona 6

𝑦 = 2𝑥 + 30.3333

𝑇(𝑡) = 2𝑡 + 30.3333

𝑡1 =(270−230)∗0.283

2 y 𝑡2 =

(270−230)∗0.632

2

𝑡1 = 5.66 𝑠 y 𝑡2 = 12.64 s

𝜏 =3

2(𝑡2 − 𝑡1) =

3

2(13.264 − 5.66) = 10.47 𝑠

𝐺(𝑠) =1

10.47𝑠 + 1

Graficando las funciones de transferencia de las seis zonas de temperatura se

obtienen la siguiente gráfica.

Figura 60 “Lazos de control abierto de las seis zonas de calentamiento”

Página 104

Gráfica 9 “Respuesta de las seis zonas de calentamiento a lazo abierto”

Todas las respuestas comienzan en cero debido a que el sistema está a lazo

abierto y cada zona es independiente, donde la respuesta de color amarillo

representa a la zona 1, la respuesta de color morado representa a la zona 2, la

respuesta de color azul representa a la zona 3, la respuesta de color rojo

representa a la zona 4, la respuesta de color verde representa a la zona y la

respuesta de color azul marino representa a la zona 6.

Al hacer la simulación con retroalimentación (figura 61), se observa un tiempo de

estabilización menor comparado con el lazo abierto pero ninguna de las

respuestas llega al setpoint.

Página 105

Figura 61 “Lazos de control abierto de las seis zonas de calentamiento”

Gráfica 10 “Respuesta de las seis zonas de calentamiento a lazo cerrado”

Página 106

Para solucionar el problema se implementará el control más conveniente de

acuerdo al proceso, obteniendo las temperaturas correspondientes.

Para poder proponer un controlador en específico se requiere una sintonización de

ganancias para los controladores P, PI o PID, por lo que se calculan método de

sintonización de Ziegler-Nichols.

Tabla 9 “Parámetros de sintonización usando el Método de Ziegler-Nichols a Lazo

Abierto”

El procedimiento se realiza para cada zona de calentamiento.

A partir de los tiempos calculados anteriormente (t1 y t2), se determina t0

𝑡0 = (𝑡2 − 𝜏)

Control P

𝑘𝑝 = (𝜏

𝑡0) 𝑘𝑝 = (

10.35𝑠

2.14𝑠) = 4.83

Tabla 27 “Ganancias del control P para las seis zonas”

𝜏 (𝑠) 𝑡0 (𝑠) 𝑘𝑝

Zona 1 10.35 2.14 4.83

Zona 2 10.47 2.17 4.81

Zona 3 10.44 2.15 4.85

Zona 4 10.44 2.15 4.85

Zona 5 10.35 2.15 4.80

Zona 6 10.47 2.17 4.81

Página 107

Figura 62 “Lazos de control con control P para las seis zonas de calentamiento”

Gráfica 11 “Respuestas de las zonas térmicas con control P”

Página 108

Control PI

𝑘𝑝 =. 9

𝑘(

𝜏

𝑡0) 𝑘𝑝 = .9 (

10.35𝑠

2.14𝑠) = 4.347

𝑇𝑖 = 3.33𝑡0 𝑇𝑖 = 3.33(2.14𝑠) = 7.126𝑠

Tabla 28 “Ganancias del control PI para las seis zonas”

𝜏 (𝑠) 𝑡0 (𝑠) 𝑘𝑝 𝑇𝑖(𝑠)

Zona 1 10.35 2.14 4.347 7.126

Zona 2 10.47 2.17 4.329 7.226

Zona 3 10.44 2.15 4.365 7.159

Zona 4 10.44 2.15 4.365 7.159

Zona 5 10.35 2.15 4.32 7.159

Zona 6 10.47 2.17 4.329 7.226

Gráfica 12 “Respuestas de las zonas térmicas con control PI”

Con los datos anteriores se calculan los valores de las ganancias (kp,Td y Ti) para

el controlador PID, en la Tabla 29 se muestran los valores de las seis zonas

𝑘𝑝 =1.2

𝑘(

𝜏

𝑡0) 𝑘𝑝 = 1.2 (

10.35𝑠

2.14𝑠) = 5.80

𝑇𝑖 = 2𝜃 𝑇𝑖 = 2(2.14𝑠) = 4.28𝑠

𝑇𝑑 = .5𝜃 𝑇𝑑 = .5(2.14𝑠) = 1.07𝑠

Página 109

Tabla 29 “Ganancias del control PID para las seis zonas”

𝜏 (𝑠) 𝑡0 (𝑠) 𝑘𝑝 𝑇𝑖(𝑠) 𝑇𝑑(𝑠)

Zona 1 10.35 2.14 5.80 4.28 1.07

Zona 2 10.47 2.17 5.78 4.34 1.085

Zona 3 10.44 2.15 5.82 4.3 1.075

Zona 4 10.44 2.15 5.82 4.3 1.075

Zona 5 10.35 2.15 5.77 4.3 1.075

Zona 6 10.47 2.17 5.78 4.34 1.085

Con los valores de la Tabla 29 se simula el control PDI para cada una de las

zonas dando como resultado las respuestas mostradas en la gráfica 13.

Gráfica 13 “Respuestas de las zonas térmicas con control PID”

Comparando las gráficas 11,12 y 13 se observa un mejor comportamiento en el

control PI, cuenta con un menor sobreimpulso que el control PID.

Después de haber sido evaluado y definida la propuesta de control, se procede a

seleccionar el sensor de temperatura que mejor se adecue a la propuesta.

Para la medición de temperatura la empresa cuenta con termopares o termocuplas

tipo J, las cuales cumplen con cada uno de los requerimientos del proceso, tanto

el rango de temperatura, como la velocidad de reacción.

Algunas de las características de los termopares son:

• Rango de operación: 0 - 760 °C

• Límite de error: ± 1.0 °C + 0.75%

• Velocidad de respuesta: 0.8-3 segundos

Página 110

En este caso se utilizó la siguiente fórmula para encontrar la función de

transferencia del sensor de temperatura.

𝐺 =𝐾

𝜏𝑠 + 1

El transmisor está configurado en un rango de 0 °C a 760 °C, los cuales serán los

que nos darán el parámetro del span y el porcentaje corresponde al 0 y 100%.

La ganancia se calculada con la siguiente formula.

𝑘 =%

𝑠𝑝𝑎𝑛=

100 − 0

760 − 0= .13

Se determina la constante de tiempo:

Tomando el valor máximo de la velocidad de respuesta del termopar, se usa el

criterio del 2% de error, se determina el tiempo que tarda la salida en alcanzar un

98% de su valor, se divide entre 4 y se obtiene la constante de tiempo.

𝜏 =3

4= .75

Por último se sustituyen los valores de k y 𝜏 obtenido la función de transferencia

del sensor de temperatura

𝐺𝑡 =0.13

. 75𝑠 + 1

La función de trasferencia del sensor se coloca en la retroalimentación obteniendo

el diagrama de bloques (figura 63).

Página 111

Figura 63 “Diagrama de bloques con sensor en retroalimentación”

Con la configuración del diagrama de bloques con sensor en la retroalimentación

se obtienen las nuevas gráficas correspondientes al comportamiento de las zonas

de calefacción del sistema térmico para los controladores P, PI y PID.

Página 112

Gráfica 14 “Respuestas de las zonas térmicas con sensor en retroalimentación y control P”

Gráfica 15 “Respuestas de las zonas térmicas con sensor en retroalimentación y control PI”

Página 113

Gráfica 16 “Respuestas de las zonas térmicas con sensor en retroalimentación y control PID”

Página 114

3.2.5.2 Diagrama unifilar propuesto para sistema térmico del cañón

Página 115

3.2.6 Propuesta de cambia mallas

El tiempo que lleva realizar el cambio de malla, se traduce en pérdidas de

material, las cuales impiden tener una mayor producción.

Con otro sistema para cambiar la malla se mejora la productividad operativa, el

control del operario con botones puede ser montado en un sitio distante para

mayor comodidad.

3.3 Selección de equipo

3.3.1 Selección de conductores

Según la NOM-001, en el artículo 430-22, se dice que los conductores que

alimentan un solo motor en aplicación de uso continuo, deben tener un valor de

ampacidad no menor al 125 por ciento del valor nominal de corriente a plena

carga. De acuerdo a la misma norma, para un motor de 30 hp, a 230 V, se tiene

como corriente nominal 80 amperes, el 125 por ciento de esta corriente, es de 100

amperes.

INominal= 80 A a 230 V

De acuerdo a la Tabla 20 de Capacidad de corriente de conductores, con un

recubrimiento THW, tenemos un calibre A.W.G. igual a 2.

Debido a que el consumo de corriente promedio, en los arreglos individuales de

resistencias, tenemos un consumo promedio por arreglo de 17 Amp, pero es

importante mencionar la selección de recubrimiento en asbesto para la conexión

de las resistencias.

Página 116

Tabla 30 “Capacidad de corriente de los conductores”

Fuente: Selección de conductores, Viakon

Tabla 31 “Selección de conductores eléctricos”

Aplicación Calibre

A.W.G.

Recubrimiento

Alimentación eléctrica del

motor

2 THW

Resistencias eléctricas 12 Asbesto*

THW

Sistema de control 12 THW

*El recubrimiento de asbesto se considera para la conexión directa a las resistencias.

Página 117

3.3.2 Selección de variador de frecuencia

La elección del variador se obtuvo de acuerdo a las características de motor, la

potencia del husillo y el control propuesto para el motor, las comparaciones de los

variadores propuestos se colocan en la Tabla 31.

Tabla 32 “Comparación de Variadores de Frecuencia Propuestos”

Variador de frecuencia

Marca Schneider Electric

-Capacidad 30 hp -Trifásico -Amperaje salida máximo 88 A -Tipo de control Keypad/Remote -Voltaje de entrada/salida 208-240 VAC -Torsión de arranque 110% -Frecuencia de entrada 50/60 Hz -Control arranque/paro programable

Variador de frecuencia

Marca Delta Modelo

VFD220B23A

-Trifásico -Voltaje de entrada 200-240 VCA -Voltaje de salida 0-240 V -Corriente de salida 90 A -Control PID -Interfaz de comunicación CANopen y MODBUS -Larga vida útil -Modo de control velocidad/torque/posición

Para el motor de la extrusora se selecciona el variador de frecuencia marca Delta,

ya que cuenta con opción a comunicación con PLC, el control de motor puede ser

un control PID, posee larga durabilidad, apto para operar bajo condiciones de

suciedad o en procesos alimenticios. Esta última cualidad del variador de

frecuencia marca Delta es muy importante para nosotros y el proceso, porque el

plástico después de ser molido y mezclado con un deslizante especial desprende

polvo, por lo tanto el Variador de frecuencia va a estar expuesto a ese polvo. Otro

aspecto por el cual elegimos este variador, es por su bajo costo.

El variador seleccionado, permite la utilización de control PID en la velocidad del

motor. Aunque como ya se explicó, nos inclinamos por este dispositivo, dado a los

beneficios que otorga y por órdenes de la empresa, no se lleva a cabo la

implementación de un control más estricto que permita retirar la utilización del

motorreductor.

Página 118

Figura 64 “Diagrama de conexión del VDF Marca Delta”

Explicación de la función para terminal

R, S, T R/L1, S/L2, T/L3 Línea de entrada de corriente alterna (1 fase/ 3 fases)

U, V, W U/T1, V/T2,

W/T3 Terminal de salida CA del variador para conectar motor de inducción de 3 fases.

P1, P2 +1, +2 Conexión para el estrangulador de corriente directa (opcional). P-B, P2/B1

B2 +2/B1 B2 Conexión para resistencia de frenado (opcional)

P2 N, P2/B1N

+2 (-), +2/B1(-)

Conexión para unidad de frenando externa (VFDB series).

Conexión de tierra, cumplir con las regulaciones locales.

3.3.3 Selección de controlador de temperatura

Para poder llevar acabo un control adecuado en las distintas zonas del cañon se

optó por un controlador multibucle de la Marca OMEGA ya que cada bucle de

control normalmente consiste en una entrada y al menos una salida. La empresa

ofrece numerosos controladores multibucle que pueden manejar más de un solo

bucle de control. El CN1507 de OMEGA puede manejar hasta 7 bucles de control.

Página 119

Algunas de sus características son:

• ON / OFF y control PID completo

• Perfil de rampa / remojo independiente de 7 segmentos para cada zona

• Salidas programables de calentamiento o enfriamiento

• Potencia: 120 V CA 50/60 Hz, (opcional) 240 V CA 50/60 Hz o 12 V CC

Monitor:

• La desviación del punto de ajuste se puede mostrar

• Las unidades de ingeniería se pueden mostrar mediante señales de entrada

de tensión, corriente o milivoltios de escala

• Tres modos de visualización: solo punto de ajuste, solo proceso o ambos

proceso y punto de ajuste.

• Muestra lecturas mín. / Máx. Para cada zona

Entradas:

• 7 termopares, RTD de curvas europeas y americanas, termistores de 2252

Ω (serie 400), 4-20 mAdc, 0 a 10 Vcc y 0-100 mVdc

• Tipo de entrada seleccionable desde las teclas frontales -

Independientemente de cada zona.

Figura 65 “Control Multibucle Omega CN1507”

Página 120

3.3.4 Selección de Cambia mallas

De acuerdo a las características de la maquina extrusora se seleccionaron 3

diferentes tipos de cambia mallas, los cuales se presentan en la tabla 32.

Tabla 33 “Comparación de cambia malla”

Producto Características Imagen

Cambiador de

mallas manual

Marca COFIT

-El paso del material esta

cromado

-4 agujeros para sensores de

presión

-4 sensores de presión

-Cambio manual

Cambiador de

malla hidráulico

Marca COFIT

-El paso del material esta

cromado

-4 agujeros para sensores de

presión

-4 sensores de presión

-Pistón hidráulico

-Protecciones de prevención

de accidentes

-Unidad hidráulica

-Electroválvula de seguridad

-Controlable con plc

Cambiador de

mallas

hidráulico

Marca

RMachines

-Motor hidráulico

-Doble malla

-Palanca operadora

-Resistencias de cartucho

Página 121

Se selecciona el cambia mallas hidráulico marca RMachines. Porque cumple con

las características necesarias al proceso, basadas en la producción. Sí la maquina

produjera el doble de lo que produce actualmente, convendría elegir el cambia

mallas hidráulico de la marca COFIT, porque el cambio de malla sería más óptimo

y la inversión seria a corto plazo.

3.4 Implementación

Debido a que la solución es económica, sencilla y no interfiere al momento de

realizar mantenimiento preventivo o correctivo a la maquinaria, la idea pudo

replicarse a distintos equipos con los que se cuenta para el proceso de extrusión

de poliestireno de alto impacto. Como en el molino utilizado para la producción de

escamas, el cual tiene un sistema de transmisión de energía de mayor tamaño y

representaba un riesgo significativo, debido a que los trabajadores, manipular

material constantemente en este equipo.

Figura 66 “Guardas en molido para la generación de escama de HIPS”

Capítulo 4:

Análisis de

Costos

Página 125

En esta sección se evaluarán las actividades, materiales y herramientas que

conjuntamente lograron la creación de las propuestas de actualización de la

extrusora para poder calcular el costo total del proyecto.

El proyecto de semiautomatizacion como el que se presenta en este trabajo

repercutirá de forma positiva en el aspecto productivo y económico.

Por esta razón el análisis de costos juega un papel importante en la creación de

este proyecto ya que da como resultado la factibilidad y viabilidad de

implementación del producto.

La factibilidad se obtiene al hacer un análisis económico profundo de todas las

etapas por las que ha pasado el proyecto, para identificar las posibles pérdidas y

verificar que aun con la existencia de estas el proyecto siga siendo considerado

irredituable.

4.1 Factibilidad del proyecto

La solución de un problema tecnológico generalmente está condicionada por el

tiempo y la capacidad económica para su solución, siendo la principal amenaza la

competencia que suele tener el mismo problema y la misma urgencia por

resolverlo.

Otro aspecto importante que interviene en la factibilidad es el costo, como ya se

ha mencionado en el alcance el precio de los dispositivos es demasiado elevado lo

que dificulta su adquisición, por eso se ha decidido comenzar la implementación

con los dispositivos y materiales que son comunes de conseguir y son accesibles

en cuanto al costo de cada uno.

En ocasiones resulta difícil la obtención de información para mejorar equipos

debido a la patente o es confidencial. Este proyecto estuvo basado en normas

que fueron descargadas de páginas oficiales, siendo gratuita su obtención y

agilizando la recopilación necesaria para tener las bases del proyecto.

Resumiendo lo anterior, el proyecto se considera factible considerando los

siguientes puntos:

• La pronta solución de las necesidades

• La sustentabilidad del proyecto

• El acceso a la información

Página 126

4.2 Costos de material

En este análisis de costos se consideran los aspectos involucrados en el proyecto

tales como: mano de obra, materiales, herramientas, entre otros.

En la tabla 34 se muestran los costos de los materiales necesarios para el

proyecto.

Tabla 34 “Catalogo de Conceptos”

No. Concepto Materiales

U. Cant. Precio U. Importe

1

Cambiamallas hidráulico

Marca RMachines

PZA. 1 $89,300.00 $89,300.00

2 Guardas para

bandas de hierro

PZA 2 $600.00 $1,200.00

3

Variador de frecuencia, 220

VCA, 3F, Modelo

VFD220B23A, Marca Delta

PZA. 1 $24,909.00 $24,909.00

4

Control de Temperatura

multibucle, 120 VCA, Modelo

CN1507 Marca OMEGA

PZA. 1 $10,000.00 $10,000.00

5

Estación de botones

colgante, 220 VCA Marca

HANYOUNG

PZA. 1 $261.00 $261.00

6

Cable de Cobre Cal. 2 THW,

Marca CONDUMEX o

similar

MTS. 30

$161.60 $4,848.00

7

Cable de Cobre Cal. 12 THW,

Marca CONDUMEX o

MTS. 30 $15.61 $468.30

Página 127

similar

8

Fusible de protección Tipo

"NH" Marca WEG

PZA. 1 $396.00 $396.00

9

Estación de paro de

emergencia, 127 VCA,

Marca WEG

PZA. 1 $288.00 $288.00

10

Canaleta de PVC rígido, 30*20 mm, Marca GHM

PZA. 12 $70.00 $840.00

11

Charola tipo malla de Acero galvanizado, Cf 54/150, Marca

Cablofil

PZA. 3 $435.00 $1,305.00

SUB TOTAL $133,815.30

MAS 25% DE UTILIDAD - MATERIALES

$33,453.82

POR MATERIAL MISCELANEO 10%

$13,381.53

POR MANEJO DE MATERIALES 10%

$13,381.53

TOTAL POR MATERIALES $194,032.18

4.3 Costo directo de mano de obra

En este punto se contemplan todas las acciones que se deben realizar para llevar

a cabo la construcción de proyecto, como son la mano de obra, tiempos, logística,

entre otros.

Para “cargar” consumos de mano de obra directa de mantenimiento se utiliza una

tarifa por hora/hombre de cada una de las especialidades, aunque puede hacerse

por especialista sin que cambie el proceso de cálculo, sin embargo este nivel de

detalle no agrega un valor significativo al análisis si se tiene en cuenta el esfuerzo

realizado.

La tarifa está basada en el salario mínimo, y en una serie de factores que afectan

y aportan al valor hora/persona y que no se pueden describir explícitamente en las

órdenes de trabajo.

Página 128

4.3.1 Costo de Hora- Hombre (H-H)

De acuerdo a las estimaciones definidas por diversos sitios de empleo, para el

desarrollo del proyecto, se considera el costo de mano de obra de la siguiente

manera:

El sueldo de un Ingeniero en Control y Automatización es de $19,000.00/mes

Tabla 35 “Salario Ingeniero en Control y Automatización”

Especialidad Sueldo Mensual Costo Semanal Costo H-H

Ingeniero en Control y

Automatización $19,000.00 $4,750.00 $99.00

Nota: EL sueldo mensual está considerado antes de impuestos

Para el desarrollo de la ingeniería involucrada en el proyecto, se consideran 180

horas efectivas de acuerdo a lo establecido con el dueño de la empresa. En este

lapso de tiempo, ya se integra el desarrollo de diagramas, selección de equipos y

estandarización de instalaciones en la maquinaria.

4.3.2 Factor por indirectos

Este factor se determina tomando como base el costo directo de mano de obra, el

cual se le aplican los porcentajes directos de cada factor como a continuación se

analiza.

DESCRIPCIÓN UNIDAD

a. Mano de Obra Directa (Factor Base) 1

b. Prestaciones Sociales, 30% de 1 0.30

c. Supervisión, 20% de 1 0.20

d. Administración, 25% de 1 0.25

e. Utilidad, 50% de (1+2+3+4) 0.875

f. Impuestos, 36% de (1+2+3+4+5) 0.945

Factor por indirectos TOTAL 3.570

Página 129

Tabla 36 ”Costo de la Hora-Hombre”

Cargo Horas de Trabajo $/Hora Importe


Automatización 70 $99.00 $6,930.00





Capturista 30 $40.00 $1,200.00

Costo Directo de

Mano de Obra $16,050.00

Factor 3.57

IMPORTE TOTAL

DE MANO DE

OBRA

$57,298.50

4.4 Costo total del proyecto

COSTO DE MATERIALES = $ 194,032.18 COSTO DE INGENIERIA = $ 57,298.50

SUB TOTAL = $ 251,330.68 MÁS I.V.A. (16%) = $ 40,212.90 TOTAL = $ 291,543.58

4.5 Ingreso con implementación de equipo

4.5.1 Producción

Al realizar todas modificaciones propuestas se obtienen nuevos tiempos de

producción lo cual impacta de forma económica.

Se estima que el tiempo que los operadores tardan en cambiar la malla disminuya

un 75% cuando ya esté en funcionamiento el cambia mallas hidráulico RMachines.

Enseguida se muestra el nuevo procedimiento a realizar y una tabla de los

tiempos estimados al realizar el mismo.

Página 130

Procedimiento para realizar el cambio de malla con el cambia mallas hidráulicas

RMachines:

1. Preparar una malla limpia y colocarla en la cavidad disponible del cambia

mallas hidráulico.

2. Apagar el motor de la extrusora.

3. Mover la palanca hidráulica para que se haga el cambio de malla.

4. Retirar la malla sucia y limpiarla.

5. Prender el motor

Tabla 37 “Comparación de tiempos para realizar el cambio de mallas”

Cambio de mallas manual Cambio de mallas

hidráulico

Operador 1 4.49 minutos 1.11 minutos

Operador 2 4.50 minutos 1.12 minutos

Si se sabe que cada operador realiza 10 cambios de malla en promedio y tomando

como tiempo promedio 1.12 minutos con el cambia mallas hidráulico. Entonces por

turno cada operario tarda en cambiar 10 veces la malla:

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 = 𝑀𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑟 𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 𝑥 𝑉𝑒𝑐𝑒𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 = 1.12 × 10 = 12 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠

Para fines de cálculos y por si los operarios tienen que cambiar más número de

veces la malla, los 12 minutos calculados se redondean a 15 minutos.

Entonces la producción estimada quedaría de esta forma:

- 1 costal de 40 kg se llena en 37 minutos.

- El turno laboral es de 12 horas, pero se descuenta 15 minutos por cambio

de mallas en el transcurso del turno.

- Entonces el tiempo efectivo de trabajo de la maquina extrusora es de 705

minutos por turno.

𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 =705𝑚𝑖𝑛

37𝑚𝑖𝑛= 19

Analizando los datos actuales de la máquina extrusora los operarios llegan a

perder aproximadamente 60 min por el cambio de malla, con la implementación

Página 131

del cambia mallas hidráulico, cada operario producirá aproximadamente 1 costal

más

Si se contabiliza 2 costales más al día de producción general, se tendrían 80 kg

por día.

Tabla 38 “Producción solo de los 2 costales más que se estiman producir.”

Producción Día Semana Mes Año

80 kg 400 kg 1600 kg 19,200

La utilidad del dueño es de $3.00 por kg producido. En un año va a generar

$57,600.00.

4.5.2 Consumo de energía

Al implementar el variador marca Delta en el motor de la extrusora se estima un

ahorro del 25% en el consumo de energía, por la eliminación de los picos de

corriente. Principalmente en el arranque, considerando que actualmente los

operarios realizan el arranque a tensión plena y que en promedio realizan 20

paro/arranque al día.

De acuerdo con las mediciones, se tomaron lecturas entre 90-100 Amperes al

arranque del motor. Por lo tanto, con el variador de frecuencia marca Delta se

estima una medición entre 67.5-75 Amperes al arranque considerando el 25% de

ahorro.

Para el consumo total de la máquina, se estima un ahorro de energía del 20 % ya

con los cambios propuestos (implementación del variador de frecuencia marca

Delta, control de temperatura, cambio de instalación eléctrica de acuerdo a

normas e implementación del sistema a tierras).

Si el consumo promedio de kWh de la extrusora es de 9.553, ahora quedara en un

consumo total de 7.642 kWh por lo tanto se realizan los siguientes cálculos:

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑘𝑊ℎ 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑑𝑖𝑎 = 23.2 ℎ𝑟𝑠 × 7.642 𝑘𝑊ℎ = 177.29 kWh

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 kWh 𝑒𝑛 𝑢𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎 = 5 𝑑𝑖𝑎𝑠 × 177.29 kWh = 886.45 kWh

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 kWh 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑚𝑒𝑠 = 4 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠 × 886.45 kWh = 3,545.80 kWh

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 kWh 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑎ñ𝑜 = 12 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠 × 3,545.80 kWh = 42,549.60 kWh

Página 132

Costo de los kWh consumidos. La tarifa de CFE para esta empresa es de 3.36

pesos por kWh.

Tabla 39 “Costo de kWh con variador Delta”

kWh Pesos

Día $595.69

Semana $2,978.47

Mes $11,913.88

Año $142,966.65

4.6 Recuperación de inversión

Con la tabla 11 se toma el costo del consumo eléctrico anual y se resta con el

nuevo consumo eléctrico

Deferencia de consumo eléctrico = 169,477.86 - 142,966.65

𝐃𝐞𝐟𝐞𝐫𝐞𝐧𝐜𝐢𝐚 𝐝𝐞 𝐜𝐨𝐧𝐬𝐮𝐦𝐨 𝐞𝐥é𝐜𝐭𝐫𝐢𝐜𝐨 = 𝟐𝟔𝟓𝟏𝟏. 𝟐𝟏

Para saber en cuanto tiempo se recupera la inversión del proyecto se utiliza la

siguiente ecuación

𝑅𝑒𝑐𝑢𝑝𝑟𝑎𝑟 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛(𝑎ñ𝑜𝑠) = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑃𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑜

𝑈𝑡𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑝𝑜𝑟 𝑘𝑔 𝑣𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑜+𝐷𝑖𝑠𝑚𝑖𝑛𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝒔𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜

𝑅𝑒𝑐𝑢𝑝𝑟𝑎𝑟 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛(𝑎ñ𝑜𝑠) = 291,543.58

57,600+25,867.7

𝑹𝒆𝒄𝒖𝒑𝒓𝒂𝒓 𝑰𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒊𝒐𝒏(𝒂ñ𝒐𝒔) = 𝟑. 𝟓 𝒂ñ𝒐𝒔

Página 133

Conclusiones

El desarrollo estandarizado del funcionamiento de una extrusora requiere

incorporar control en zonas específicas de la misma, estas son el husillo, el área

calefactora, el suministro de energía eléctrica y las zonas de la maquinaria y

equipo que presentan riesgo para los operarios. En el caso específico del presente

trabajo se aplica control en el husillo, las zonas de calefacción, el suministro

eléctrico y las zonas de riesgo pudiendo concluir lo siguiente:

Para el buen funcionamiento del husillo y el suministro eléctrico se mejoraron con

la incorporación de un variador de frecuencia con lo que se eliminaron las

variaciones de giro en el husillo con lo que se logra tener una carrera constante

evitando atascos de materia prima, en lo que compete al suministro de energía

eléctrica y tomando como base la medición hecha del consumo eléctrico promedio

de 9.325 kWh en una jornada de 12hrs. se tiene un consumo total por día de

205.15 kWh lo que representa un gasto de $689.304 pesos y anual de $

186,112.112 pesos, con el uso del variador de frecuencia para el motor se tiene un

ahorro aproximado de 20-25 %, considerando el 25% se tiene un ahorro anual de

$46,528.00 pesos, otro beneficio que se logró fue incrementar la vida útil del motor

y alargando la periodicidad del mantenimiento.

En lo que compete a las zonas de calefacción al tener una obviacion de atasco se

logra un mejor escalado térmico en cada una de las 6 zonas calefactoras y cuando

el polímero llegue al término de la carrera del husillo tendrá la temperatura

cercana al punto de utexia (cambio de solido a liquido) lo que permitirá una

extrusión apropiada y con ello el que no allá materia prima residual, viéndose

también reflejado en la calidad del producto obtenido y también la adaptabilidad

del uso de la extrusora para varios polímeros en función de la adecuación del

control de la temperatura del polímero que se trate.

En lo referente al cambia mallas propuesto el ahorro de tiempo en 45 min.

aproximados por jornada se refleja en un incremento de la producción

aproximadamente de 130 kg. por día lo cual representa un beneficio adicional del

que se tenía de $390.00 pesos por día y $105,801.00 por año. Esto todavía se

puede mejorar si la materia prima se selecciona y limpia antes de ser alimentada a

la extrusora; la limpieza implicaría el lavado y secado de dicha materia y las mallas

solo quedarían como un medio de protección y homogenizado del polímero.

Para seleccionar el modo de control y el controlador apropiado para regular la

temperatura en la zona de calefacción se realizaron simulaciones mediante Matlab

para un control P, PI y PID, de los cuales con lo los valores obtenidos se

graficaron eligiendo un control PI debido a que tiene un comportamiento casi lineal

Página 134

en todas las simulaciones que se hicieron, obteniendo una extrusión optima del

polímero en cuestión sin que pierda sus propiedades.

Con resultados obtenidos de la adecuación concluimos que el comportamiento

térmico de la zona de calefacción tiene un comportamiento lineal y por ende la

operación optima de la extrusora según su uso.

Con lo anteriormente dicho se puede concluir que con las mejoras se logró:

a) Incrementa la producción.

b) Ahorrar energía.

c) Calidad en el producto extruido.

d) Utilizar la extrusora para una diversidad de polímeros.

e) Garantizar la integridad de los operadores dado el bajo riesgo de

accidentes con la incorporación de los elementos de protección de las

áreas de riesgo de la maquinaria y equipo.

f) Se pueden desarrollar paquetes técnicos vendibles para el sector industrial

del mismo giro o ramo.

Página 135

Recomendaciones

Debido a las restricciones económicas quedaron pendientes desarrollar los

siguientes puntos:

Adecuar áreas de trabajo

Atender cuestiones de seguridad a la brevedad.

Capacitar al personal, según la NOM-004-STPS.

Desarrollar un Sistemas de Planeación y Control de la Producción.

Desarrollar un sistema de inventario semanal.

Crear un manual de operación.

Desarrollar un programa adecuado para la realización de mantenimiento a los

equipos.

Delimitar adecuadamente las áreas de trabajo, así como las de almacenamiento.

Comenzar a reciclar HIPS obtenidos de vertederos.

Tratar el agua utilizada en el enfriamiento del plástico extruido.

Seleccionar, lavar y secar el polímero antes de molerlo e ingresarlo a la tolva

Página 137

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de http://vivirsinplastico.com/es-la-incineracion-del-plastico-la-solucion/

Página 139

Anexos

Anexo 1

Nombre De la Norma:

Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2005, Instalaciones Eléctricas (utilización)

Objetivo de la Norma:

El objetivo de esta NOM es establecer las especificaciones y lineamientos de

carácter técnico que deben satisfacer las instalaciones destinadas a la utilización

de la energía eléctrica, a fin de que ofrezcan condiciones adecuadas de seguridad

para las personas y sus propiedades, en lo referente a la protección contra:

• Los choques eléctricos

• Los efectos térmicos

• Sobre corrientes

• Las corrientes de falla

• Sobretensiones

Campo de aplicación:

Propiedades industriales, comerciales, residenciales y de vivienda, institucionales,

cualquiera que sea su uso, públicas y privadas, y en cualquiera de los niveles de

tensiones eléctricas de operación, incluyendo las utilizadas para el equipo eléctrico

conectado por los usuarios.

Esta NOM cubre:

Circuitos alimentados con una tensión nominal hasta 600 V de corriente alterna o

1 500 V de corriente continua, y algunas aplicaciones especificadas arriba de 600

V de corriente alterna o 1 500 V de corriente continua.

Circuitos, que no sean los circuitos internos de aparatos, operando a una tensión

superior a 600 V y que se derivan de una instalación con una tensión que no

exceda de 600 V CA.

Puntos de interés para el Proyecto:

Requisitos de las instalaciones eléctricas

Alimentadores

Protección contra sobre corriente

Motores, circuitos de motores y sus controladores

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Anexo 2

Seguridad de máquinas en centros de trabajo

Nombre De la Norma:

NORMA Oficial Mexicana NOM-004-STPS-1999, Sistemas de protección y

dispositivos de seguridad en la maquinaria y equipo que se utilice en los centros

de trabajo.

Objetivo de la Norma:

Establecer las condiciones de seguridad, los sistemas de protección, dispositivos

para prevenir y proteger a los trabajadores contra los riesgos de trabajo que

genere la operación, mantenimiento de la maquinaria y equipo.

Campo de aplicación:

La presente Norma rige en todo el territorio nacional y aplica en todos los centros

trabajo que por la naturaleza de sus procesos empleen maquinaria y equipo.

Puntos de interés para el Proyecto:

Punto número 7 “Programa Específico de Seguridad para la Operación y

Mantenimiento de la Maquinaria y Equipo”.

Obligaciones de trabajadores.

Apéndice A referido a: “Tarjetas de aviso”.

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Anexo 3

Relevador actual

Marca EATON Modelo: Moeller DILM25-10

Moeller DILM25-10

is now

EATON XTCE025C10

Contactor

SAME EXACT PART- ONLY PART # CHANGE

Ie [A] HP Auxiliary Contacts

AC-3 AC-1 @ 230 @ 460 Normally

Open Normally Closed

25 40 7 1/2 15 1 0

DILM25-10 Ordering Information

Part Name Article

Number Rated

Operational

Max. rating for three

phase motors, 50 / 60 Hz

http://klocknermoeller.com/dilm25/XTCE025C10.htm

Página 142

Current

le

A

AC - 3

UL / CSA Hp Aux Contacts

230 V 460 V NO NC

DILM25-10

(230V50HZ.240V60HZ) 277132 25 7.5 15 1 0

DILM25-10

(24V50HZ) 277119 25 7.5 15 1 0

DILM25-10

(240V50HZ) 277121 25 7.5 15 1 0

DILM25-10

(42V50HZ.48V60HZ) 277128 25 7.5 15 1 0

DILM25-10

(110V50HZ.120V60HZ) 277129 25 7.5 15 1 0

DILM25-10

(190V50HZ.220V60HZ) 277130 25 7.5 15 1 0

DILM25-10

(220V50HZ.240V60HZ) 277131 25 7.5 15 1 0

DILM25-10

(380V50HZ.440V60HZ) 277133 25 7.5 15 1 0

DILM25-10

(400V50HZ.440V60HZ) 277134 25 7.5 15 1 0

DILM25-10

(415V50HZ.480V60HZ) 277135 25 7.5 15 1 0

Página 143

*Los relevadores con los que opera el sistema térmico para el cañón, funcionan y

no presentan averías, por lo que recurrimos a recopilar la información de acuerdo

al modelo, proporcionado por el fabricante.

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Anexo 4

Pirometro Actual

Los equipos con los que cuenta el sistema funcionan, en caso de requerirse la

sustitución de alguno, definimos un modelo similar con las especificaciones del

proceso, dado a que el modelo actual ya no se encuentra en el mercado.

Página 145

Página 146

Anexo 5

Typical electrical drawing symbols and conventions IEEE

Página 147

Página 148

Anexo 6

Interruptor Termomeganetico Marca Eaton, modelo HQP3100H

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Página 150

Anexo 7

Página 151

Página 152

Anexo 8

Código de Matlab para linealizar las graficas

clc clear close all

%% Ingreso de muestras y ploteo. x = []; %Muestras de tiempo y = []; %Muestras de Grados centigrados plot(x, y, '*r','Linewidth', 2);

%% Promedio de las muestras. yp = mean(y); xp = mean(x);

%% Contador para la constante b. N = 0; D = 0; for i=1: length(x) N = N + (x(i)-xp)*(y(i)-yp); D = D + (x(i)-xp)^2; end

%% Creacion final de las contantes a y b. b = N/D; a = yp-b*xp;

%% Grafica des señales. hold on x1 = linspace(min(x), max(x), 1000); plot(x1, a+b*x1, 'Linewidth', 2); grid on xlabel('\bfTiempo (seg)'); ylabel('\bfTemperatura en Grados Centigrados'); legend('\bfMuestras no linealizadas', '\bfMuestras linealizadas'); title('\bfRespuesta de Temperatura en Zona 6')

%% Ecuacion: [px, py] = ginput(); f1 = text('Interpreter', 'Latex', 'Position', [px(1) py(1)],... 'String', '$$y = a+bx$$', 'Fontsize', 25);

H = strcat('$$ y = ', num2str(a), '+', num2str(b), 'x', '$$');

f2 = text('Interpreter', 'Latex', 'Position', [px(2) py(2)],... 'String', H, 'Fontsize', 25);

PROYECTO PARA LA ACTUALIZACIÓN DE UNA EXTRUSORA …

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