“DISEÑO DE SECADORA DE CAFÉ ROTATIVA CON APROVECHAMIENTO DE

LA ENERGIA BIOMASA”

SANDRA MILENA VIVAS CARMONA GABRIELA PAZ TORRES

ALVARO HERNAN ROJAS CARVAJAL

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE AUTOMATICA Y ELECTRONICA DEPARTAMENTO DE ENERGETICA Y MECANICA

PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA PROGRAMA DE INGENIRIA MECANICA

SANTIAGO DE CALI 2007

2

“DISEÑO DE SECADORA DE CAFÉ ROTATIVA CON APROVECHAMIENTO DE

LA ENERGIA BIOMASA”

SANDRA MILENA VIVAS CARMONA GABRIELA PAZ TORRES

ALVARO HERNAN ROJAS CARVAJAL

Trabajo de grado para optar el titulo de Ingeniero Mecatrónico

Ingeniero Mecánico

Director JULIÁN PORTOCARRERO HERMANN

Ingeniero Mecánico

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE AUTOMATICA Y ELECTRONICA DEPARTAMENTO DE ENERGETICA Y MECANICA

PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA PROGRAMA DE INGENIRRIA MECANICA

SANTIAGO DE CALI

2007

3

Nota de aceptación:

Aprobado por el comité de grado en cumplimiento con los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al titulo de Ingeniera mecatronica, Ingeniería Mecánica Ing. JIMMY TOMBE ANDRADE . Jurado

Ing. JUAN CARLOS MENA . Jurado

Santiago de Cali, Febrero 18 de 2007

4

Dedico este logro primeramente a Dios por ser mi luz, mi guía y no dejarme

desfallecer, a mis Padres José Joaquín y Esther Julia por darme todo el apoyo,

sacarme adelante y culminar con satisfacción cada propósito que emprendo, a mis

hermanas Lorena y Leidy por ser uno de mis principales motores, a toda mi

familia, seres queridos por apoyarme y creer en mi trabajo. A mi grupo de trabajo

por que todos realizamos una gran labor sacando este proyecto adelante Gabriela

y Álvaro por que sin estas personas no se hubiera dado vida a un sueño conjunto

que ya subió su primer escalón.

Sandra Milena Vivas Carmona

Primero Gracias a Dios, por regalarme de su espíritu de entendimiento, fe y

sabiduría, en todos los campos de mi vida, segundo gracias a mis padres Simeón

Paz Muños y Carmenza Torres de Paz, por su amor, esfuerzo constante, sus

concejos y su animo que me imprimieron durante toda la carrera, tercero a mis

hermanas Jazmín Paz Torres y Diana Milena Paz Torres, por su comprensión,

animo y su preocupación persistente para alcanzar mi sueño.

Gabriela Paz Torres A mi familia por creer en mí y estar siempre apoyando mi trabajo muy

especialmente a mi hijo Alvaro David.

Alvaro Hernán Rojas Carvajal

5

AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan su agradecimiento a todas las personas que estuvieron

pendientes del desarrollo del proyecto y entidades que prestaron su colaboración.

Al Centro Nacional de Investigaciones de Café - CENICAFE muy especialmente al

Ingeniero Mecánico, Ph.D. de la Disciplina de Ingeniería Agrícola Juan Rodrigo

Sanz Uribe gracias por su aporte sobre el conocimiento y acuidadados del manejo

del café, colaboración e interés en el proyecto; También a las secretarias del

Edificio del Café por los datos técnicos y enseñarnos la el censo nacional de

cafeteros para tener mayor información sobre si el diseño de esta máquina es

viable para los caficultores.

Al sector Cafetero del Cauca: Pescador, Siveria, al Municipio de Caldono por

trasmitirnos sus ventajas e inconvenientes del proceso del secado.

Muy especialmente al director del proyecto Ingeniero Julián Portocarrero Hermann

por orientarnos en todo el proceso de investigación y por creer en el desarrollo de

este trabajo. Gracias por su aporte, colaboración e interés en el proyecto al

Ingeniero Héctor Fabio Rojas y a todo el grupo de profesores directivos y

secretarias de los programas de Ingeniería Mecatrónica y Mecánica de la

Universidad Autónoma de Occidente.

6

CONTENIDO

Pág. GLOSARIO 16 RESUMEN DEL PROYECTO 19 INTRODUCCIÓN 20 1. MARCO TEÓRICO 23 1.1. PROCESO DEL SECADO DEL CAFÉ 23 1.2. CONTENIDO DE HUMEDAD DE CAFÉ 23 1.3. SISTEMAS DE SECADO 29 1.4. MEDIDAS DE PREVENCIÓN EN EL PROCESO DE SECADO POR CONTAMINACIÓN 31 1.5. CASCARILLA O PERGAMINO DE CAFÉ 32 1.6. COSTO DE COMBUSTIBLE 33 1.7. VENTAJAS DEL SECADO DEL CAFÉ 33 2. ANTECEDENTES 34 2.1. A NIVEL MUNDIAL 34 2.2. A NIVEL NACIONAL 39 3. OBJETIVO GENERAL 42 3.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 42 4. JUSTIFICACIÓN 43 5. PLANIFICACION DEL DISEÑO 44 5.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 44 5.2. DESCRIPCION DE CLIENTES 45 5.3. REQUERIMIENTOS DE CADA UNO DE LOS CLIENTES 45 5.4. IDENTIFICACIÓN DE LAS NECESIDADES 46 5.5. REQUERIMIENTOS ESPECÍFICOS DE INGENIERÍA 48 5.6. BENCHMARKING COMPETITIVO 48 6. DESARROLLO CONCEPTUAL 53 6.1. DESCOMPOSICION FUNCIONAL DEL PROBLEMA 53 6.2. GENERACIÓN DE CONCEPTOS 57 7. CALCULOS DE INGENIERIA 66 7.1. DISEÑO DEL HORNO TIPO CILINDRO HORIZONTAL 66 7.2. DISEÑO Y CALCULO DE HORNILLA PARA QUEMAR BIOMASA 110 7.3. CALCULO DEL RADIADOR O INTERCAMBIADOR DE CALOR 120 7.4. SELECCIÓN DEL VENTILADOR CENTRÍFUGO REQUERIDO PARA EL HORNILLO 128 7.5. VENTILADOR OXIGENADOR DEL HORNILLO 130 7.6. CALCULO DEL 88% DEL VOLUMEN DEL CAFÉ CONTENIDO EN EL CILINDRO. 134

7

7.7. CÁLCULOS ESTRUCTURALES 138 8. DISEÑO A NIVEL DE SISTEMAS 171 8.1. ANÁLISIS DE LA ARQUITECTURA DEL PRODUCTO 171 9. DISEÑO INDUSTRIAL 179 10. DISEÑO PARA LA MANUFACTURA (DPM) 183 10.1. ASPECTOS DE MANUFACTURA 183 10.2. PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DEL DISEÑO PARA MANUFACTURA 185 11. DISEÑO DETALLADO 189 11.1. SISTEMA MECÁNICO 189 11.2. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO CONTROL. 189 11.3. DISEÑO DE CONTROL DEL SISTEMA 196 11.4. PLANOS DE ENTRADAS Y SALIDAS 224 11.5. PLANOS DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA. 224 12. PROTOTIPO 225 12.1. PROTOTIPO ANALÍTICO: SISTEMA MECÁNICO 225 13. CONCLUSIONES 227 14. POSIBLES MEJORAS DEL PROYECTO 228 BIBLIOGRAFÍA 229 ANEXOS 231

8

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Fases de Desarrollo 22 Figura 2. Grafico Psicrométrico Para Bajas Temperaturas. 25 Figura 3. Variables físicas antes y después de traspasar el cilindro contenedor de café 26 Figura 4.Curvas del contenido de humedad de equilibrio durante la adsorción y desorciónde vapor. 28 Figura 5. Curva de Contenido de humedad de Equilibrio del Café Pergamino. 29 Figura 6. Secador por bandejas 35 Figura 7. Secadores de Capa Fija 36 Figura 8. Secadores por Convención Natural6 37 Figura 9. Secador en contracorriente 37 Figura 10. Secado en combinación. 37 Figura 11. Secado de flujos cruzados 38 Figura 12. Secador de flujos concurrentes 38 Figura 13. Secadores de flujos mixtos 38 Figura 14.Secador solar rotativo para café 39 Figura 15. Secador Solar Rotativo 40 Figura 16. Equipo de secado "EScafé" para el aprovechamiento de energía calorífica en los hogares campesinos. 41 Figura 17. Secadora tipo Guardiola 49 Figura 18.Secadora rotativa – Guardiola industrial 50 Figura 19. Secadora tipo Guardiola a Gas Semi- industrial 51 Figura 20. Secadora estática tipo torre 52 Figura 21. Representación Caja Negra Del Sistema 53 Figura 22. Descomposición en Sub Problema 54 Figura 23. Combinación de Sub-funciones 58 Figura 24. (1) Primera alternativa, (2) Segunda alternativa 59 Figura 25. (3) Tercera alternativa, (4) Cuarta alternativa 60 Figura 26. Concepto Seleccionado 62 Figura 27. Concepto Seleccionado modificado 65 Figura 28. Vista del flujo de aire en el horno 66 Figura 29. Estrategia de Diseño del horno 67 Figura 30. Horno Cilíndrico Contenedor de Café 68 Figura 31. Cilindro contenedor de Café para ilustrar los diferentes elementos por los que esta compuesto 74 Figura 32.La grafica de la tabulación 76 Figura 33.pérdidas por rozamiento en conductos Redondos. 89

9

Figura 34. Sistema de distribución del aire 91 Figura 35. (1) Boca del Ventilador; (2) Transformación de sección redonda a rectangular a la entrada del ventilador. 92 Figura 36. Distribución geométrica del intercambiador 94 Figura 37. Parte Nula. 94 Figura 38. Vista Frontal superior del anillo separador. 95 Figura 39. Vista Frontal de la zona de los tubos del intercambiador 95 Figura 40 Indicación de Aproximación de elementos dentro del hornillo. 97 Figura 41. Vista de la parte nula del cilindro 103 Figura 42. Vista transversal de la parte nula del cilindro. 104 Figura 43. Diseño Hornillo 108 Figura 44. Partes del hornillo 109 Figura 45. Esquema de estrategia para el diseño del hornillo 110 Figura 46. Bosquejo de la forma de aletas circunferencial. 122 Figura 47. Eficiencias de aletas circunferenciales de espesor constante. 124 Figura 48. Diagrama de diseño de la aleta y tubo 127 Figura 49. Ventilador oxigenador del hornillo 130 Figura 50. Centro de masa 135 Figura 51. Distribución Geométrica dentro del cilindro 136 Figura 52. Esquema de estrategia para los cálculos estructurales. 139 Figura 53.Selección estándar de la el numero de cadena 143 Figura 54. Cilindro Rotativo 149 Figura 55. Diagrama Y Z 149 Figura 56. Diagrama X Z 150 Figura 57. Diagramas de Cortante y Momento flector del árbol. 154 Figura 58.Factores superficiales para diversos acabados en acero 155 Figura 59. Varias curvas de falla para esfuerzos fluctuantes 160 Figura 60. Cilindro contenedor de café distribuido en las dos bases 161 Figura 61. Diagrama de cuerpo libre del pedestal 161 Figura 62. Relación analítica y experimental entre la razón de excentricidad y el número de Ocvirk NO 165 Figura 63. Viscosidad absoluta en función de la temperatura de aceites lubricantes de petróleo en grados. 167 Figura 64. Ángulos max y como función del numero de ocvirk 167 Figura 65. Transportador Helicoidal 169 Figura 66.Arquitectura Modular 172 Figura 67. Esquema del conjunto del sistema de interacciones entre elementos físicos y funcionales (A). 173 Figura 68. Esquema del conjunto del sistema de interacciones entre elementos físicos y funcionales (B). 174 Figura 69.Interacciones Fundamentales (A) 175 Figura 70. Interacciones Fundamentales (A) 176

10

Figura 71.Distribución Geométrica 177 Figura 72. Valoración el Diseño Industrial 179 Figura 73. Evaluación de la Calidad del Diseño Industrial 181 Figura 74. Naturaleza del Producto 182 Figura 75. Modelo del Sistema de Manufactura 183 Figura 76. Elementos del costo de manufactura 185 Figura 77.Horno Cilindro Contenedor de Café 191 Figura 78. Hornillo 191 Figura 79. Partes principales 193 Figura 80. Ubicación de la parte de Instrumentación y control 194 Figura 81. Pantalla de control HMI (PC-01) 195 Figura 82. Corrientes principales. 196 Figura 83. Vista física de la secadora de café. 197 Figura 84. Modo Manual o Automático 202 Figura 85. Diseño lógico del Manual 203 Figura 86. Diseño lógico de Automático 204 Figura 87. Diseño lógico para fallo térmico de motores o alarma de temperatura. 205 Figura 88. Diseño lógico de Guarda variable PesF si ocurre algún fallo. 205 Figura 89. Diseño lógico de llamada de verificación si existe algún dato en la variable de proceso PesF. 206 Figura 90. Etapa de escoger entre modo Manual y Automático 214 Figura 91. Subrutina de Manual en Grafcet. 215 Figura 92. Subrutina de Automático en Grafcet. 216 Figura 93. Subrutina de interrupciones para fallo de motores o fallo de temperatura 217 Figura 94. Subrutina de Fallo. Guarda el Dato de PesF en PesF1 hasta volver a iniciar el proceso. 217 Figura 95. Llamada a subrutina de toma de dato PesF1 y lo asigna a la variable de proceso PesF 218 Figura 96. Aviso de Logo de la empresa 219 Figura 97. Tipo de control 220 Figura 98. Modo Manual 220 Figura 99. Modo Automático 221 Figura 100. Motores en modo Automático 221 Figura 101. Motores en modo Manual. 222 Figura 102. Estado de las variables 222 Figura 103. Estado de los Motores 223 Figura 104. Alarmas 223 Figura 105. Esquema de Fuerza 224 Figura 106. Prototipo virtual modelado en Solid Edge 226 Figura 107.El sistema visión 237 Figura 108. Control del OPLC 238

11

Figura 109. Vista posterior del Tablero 238 Figura 110. Adaptador del Modulo de expansión. 239 Figura 111. Conexión del OPLC para el adaptador EX – A1 240 Figura 112. Conexión del adaptador al modulo de Expansión. 241 Figura 113. Visión física del HMI, el modulo de I/O, el adaptador y los módulos de Expansión. 241 Figura 114. Modulo de Expansión para celda de carga 242 Figura 115. Modulo de Expansión para termocupla. 243 Figura 116. Comunicaciones con diferentes dispositivos. 244 Figura 117. Pines del puerto RS232 244 Figura 118. Adaptador de conexión. 245 Figura 119. Carga y Descarga de Programa. 245 Figura 120. Secuencia lógica de control del OPLC 246 Figura 121. Vista del programa del OPLC 247 Figura 122. Entrada al software (VisiLogic para configurar el Hardware. 248 Figura 123. Señales análogas. (Celda de carga y termocupla.) 249 Figura 124. Señal para manejo de PWM 250 Figura 125 Configuración de señal PWM 251 Figura 126. Editor del Ladder. 252 Figura 127. Selección de dispositivos a usar en programación. 253 Figura 128. Modo de supervisión en línea. 254 Figura 129. Panel de operación de Visión OPLC-230 255

12

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Necesidades Del Cliente 47 Tabla 2.Requerimientos Específicos 48 Tabla 3. Selección De Criterios 61 Tabla 4. De Posibles Dimensiones Del Cilindro 70 Tabla 5 Dimensiones Del Cilindro Interior Seleccionado 71 Tabla 6. Dimensiones Del Cilindro Exterior Seleccionado 71 Tabla 7. Características Conductivas De Los Diferentes Materiales Que Esta Compuesto El Contenedor De Café 72 Tabla 8. Cálculo De Las Resistencias Térmicas De Cada Cilindro Y Potencia Disipada 73 Tabla 9. Cálculos De Las Resistencias Térmicas De Los Dos Círculos Y Potencia Disipada 74 Tabla 10.Espesor De Aislamiento Vs. La Perdida De Calor 75 Tabla 11. Datos Aislamiento De 4mm. 76 Tabla 12. Medidas De Elementos Del Horno 77 Tabla 13. Propiedades Térmicas Y Densidad Del Aire 79 Tabla 14. Interpolación Densidad 79 Tabla 15. Interpolación De La Capacidad Calorífica 79 Tabla 16. Humedad Del Café A Extraer. 82 Tabla 17. Datos Cálculos Para La Energía Total Del Sistema 83 Tabla 18. Energía De Cada Sistema 83 Tabla 19. Necesidad Del Horno De Acuerdo Al Tiempo De Secado 18 Horas 84 Tabla 20. Condiciones Del Flujo De Aire Sistema De Unidades SI 86 Tabla 21. Condiciones Del Flujo De Aire Sistema Ingles De Unidades 86 Tabla 22. Datos Del Ducto. 87 Tabla 23. Rozamiento En Codos Sección Circular. 90 Tabla 24. Datos De Entrada Del Hornillo. 93 Tabla 25. Datos Del Intercambiador 95 Tabla 26. Rozamiento En Los Elementos De Un Sistema De Conductos Rectangulares. 98 Tabla 27. Presiones Dinámicas. 100 Tabla 28.Rozamiento En Los Elementos De Un Sistema De Conductos Rectangulares. 101 Tabla 29. Presiones Calculadas 107 Tabla 30. Composición Química De Diferentes Tipos De Biomasa 111 Tabla 31. Poder Calorífico De Diferentes Tipos De Combustibles Y Biomasa 112 Tabla 32. Composición Química De La Biomasa Cascarilla De Café 114

13

Tabla 33. Valores Representativos Coeficiente Convectivo De Transferencia De Calor 122 Tabla 34. Tubería Seleccionada 123 Tabla 35. Datos Arandela 123 Tabla 36. Características Del Ventilador Seleccionado 129 Tabla 37. Calculo Ventilador Oxigenador Del Hornillo. 131 Tabla 38. Calculo Del Motor Del Ventilador Oxigenador Del Hornillo 132 Tabla 39. Formulas Cálculo Del Sistema De Aletas Ventilador Oxigenador Del Hornillo. 133 Tabla 40. Resultados Cálculo Del Sistema De Aletas Ventilador Oxigenador Del Hornillo. 134 Tabla 41. Centros De Gravedad De Formas Geométricas Usadas En El Cilindro. 137 Tabla 42. Área Y Para Cada Área Del Cilindro 137 Tabla 43. Calculo De Masa E Inercia Del Horno 139 Tabla 44. Calculo De Relación De Transmisión Y Potencia 140 Tabla 45.Factores De Servicio Para Cadenas De Rodillos Tomada Link Belt C-5 142 Tabla 46. Cadena Numero 50 - Paso 0.625 In 144 Tabla 47. Diámetro Del Piñón Y La Corona 145 Tabla 48. Sprockets Numero 50 Paso 0.625 In 146 Tabla 49.Propiedades De Las Cadenas De Rodillos 147 Tabla 50. Descomposición De Fuerzas 149 Tabla 51. Resumen De Fuerzas En Los Diferentes Ejes. 151 Tabla 52. Momentos En Los Ejes X,Y,Z 152 Tabla 53. Ángulos De Ubicación Para El Motor Del Cilindro Rotativo 152 Tabla 54. Datos Para Realizar Los Gráficos De Cortante Y Flector 153 Tabla 55. Máxima Fuerza Cortante Y Máximos Momentos Flectores 153 Tabla 56 Coeficientes Para La Ecuación De Factor Superficial 156 Tabla 57. Factores De Confiabilidad Para 08.0dS 156 Tabla 58.Factores De Resistencia 157 Tabla 59. Cálculos De Ma, Tm Y Fuerza Cortante 158 Tabla 60. Datos Cilindro Exterior Seleccionados. 158 Tabla 61. Cálculos Cilindro Exterior. 158 Tabla 62. Datos Cilindro Interior Seleccionados 159 Tabla 63. Cálculos Cilindro Interior 159 Tabla 64. Factor De Seguridad Debido A Esfuerzos Fluctuantes 160 Tabla 65. Lista De Partes Estándares Preliminares. 184 Tabla 66. Lista De Partes Propias (Preliminar) 184 Tabla 67.Materia Prima (Preliminar) 185 Tabla 68. Elementos Utilizados (A). 186 Tabla 69. Elementos Utilizados (B) 187

14

Tabla 70. Descripción De Partes Principales. 192 Tabla 71. Descripción De Instrumentación Y Control. 194 Tabla 72. Descripción De Corrientes Principales. 195 Tabla 73. Entradas En La Secuencia Lógica De Control. 200 Tabla 74. Salidas En La Secuencia Lógica De Control. 201 Tabla 75. Teclas A Usar Del HMI En La Secuencia Lógica De Control 201 Tabla 76. Memorias Para Fallo, Peso Y Temperatura. 201 Tabla 77. Variables De Entrada Del Sistema. 213 Tabla 78. Salidas Del Sistema. 213 Tabla 79. Teclas Usadas Del HMI En El Sistema 213 Tabla 80. Memorias Usadas En El Sistema. 214

15

LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo 1. Casa de las calidades QFD 231 Anexo 2. Ventilador para la circulación de aire. 232 Anexo 3. Selección de Transportador Helicoidal Catalogo Martin 234 Anexo 4. Calibres Estándar De Tubos Para Intercambiadores 235 Anexo 5. Descripción Equipo De Control 237 Anexo 6.Plano Hornillo 256 Anexo 7. Cubierta de suministro de aire limpio caliente 257 Anexo 8. Intercambiador 258 Anexo 9.Cascaron Cilindrico 259 Anexo 10.Cilindro Espiral 260 Anexo 11. Deposito de ceniza 261 Anexo 12. Alimentador de Combustible 262 Anexo 13. Tolva 263 Anexo 14.Caja de alimentación 264 Anexo 15. Cañón 265 Anexo 16. Tornillo Sin Fin 266 Anexo 17. Plano Ducto 267 Anexo 18.Interior perforado 268 Anexo 19. Cilindro Exterior 269 Anexo 20. Soporte 270 Anexo 21.Chumacera 271 Anexo 22.Buje en Bronce 272 Anexo 23 Chumacera Parte Inferior 273 Anexo 24. Chumacera Base Superior 274 Anexo 25. Ensamble Ducto 275 Anexo 26. Ensamble Pedestal 276 Anexo 27. Cilindro rotativo 277 Anexo 28. Hornillo 278 Anexo 29.Alimentador de Combustible. 279 Anexo 30.Conexión de Entradas y Salidas Módulos de Expansión del PLC Celdas de Carga y Termocupla 280 Anexo 31. Plano de Entradas y Salidas Digitales PLC (Unitronics) 281 Anexo 32. Entradas Análogas (Termocuplas y celdas de carga) 282 Anexo 33.Conexión de Salida Análoga con PWM 283

16

GLOSARIO

BENEFICIADERO DE CAFÉ: complejo agroindustrial donde se procesa el fruto

del cafeto para obtener el café excelente.

BENEFICIADO SECO: es el proceso por medio del cual al café pergamino seco

se le elimina la cascarilla y luego se clasifica por densidad, tamaño y apariencia

para producir el café óptimo. El beneficio del secado del café es que tiene como

finalidad disminuir el contenido de humedad del grano, hasta un porcentaje tal,

que permita su almacenamiento seguro sin adquirir mal olor o sabor.

BENEFICIADO HÚMEDO: proceso por el cual el café cosechado es transformado

en café de excelente calidad, utilizando agua para clasificarlo, despulparlo y

desmucilaginarlo (eliminación de película que rodea la semilla) y finalmente el

grano húmedo es secado. Todo este proceso se lleva a cabo en un centro de

procesamiento llamado beneficiadero.

CAFÉ-CEREZA: fruto maduro del cafeto.

CAFÉ-ORO: café que se obtiene al procesar el café-cereza en los beneficios.

Consiste en la semilla del fruto del cafeto seca a la cual se le ha eliminado el

epicarpio, mesocarpio y endocarpio.

CAFÉ PERGAMINO: grano de café que sale del despulpe (café pergamino

húmedo) o grano de café que sale del proceso de secado (café pergamino seco)

17

CASCARILLA: subproducto que se obtiene en el trillado, y consiste en el

endocarpio del fruto del cafeto que está entre la parte pulposa o pericarpio y la

membrana plateada.

CEREZA SECA: fruto del cafeto que no es despulpado sino secado después de

cortado.

DESPULPADORA: máquina que se encarga de separar la semilla de la materia

carnosa que la envuelve.

MUCÍLAGO: es el mesocarpio del fruto del cafeto y consiste en una película que

rodea la semilla del café antes de entrar al proceso de fermentación.

PATIO: superficie plana con cierto grado de inclinación cubierta de concreto o

ladrillos de barro cocido y se utiliza para secar el café al sol.

PULPA: epicarpio del fruto del café que se separa en las despulpadoras.

PUNTO DE FERMENTACIÓN: momento cuando la fermentación del mucilago del

grano ha llegado a un punto tal que permite su remoción fácilmente.

PUNTEO O PUNTO DE SECADO: momento en el cual el café pergamino alcanza

un nivel de humedad entre el 10% –12%

PRESECADORA: máquina que se encarga de reducir la humedad del grano de

café desde su contenido inicial como fruto fresco (55%) hasta alrededor de 35%.

RESACAS: café de baja calidad que se utiliza para el consumo doméstico en los

países productores.

18

SECADORA: máquina que se utiliza para secar el café normalmente hasta su

punto final (12% de humedad) utilizando una corriente de aire caliente.

19

RESUMEN

En la industria alimenticia se cuenta con múltiples productos diseñados para el

benéfico particular o personal. Este proyecto se enfoco hacia el sector cafetero, el

cual hace parte de esta gran industria, particularmente hacia las fincas cafeteras

medianas; dado que estos cultivadores presentan un nivel de producción

relativamente alto comparado con las fincas pequeñas, pero no poseen el nivel

económico de los grandes productores para importar este tipo de maquinaría.

Estos campesinos comienzan desde su proceso con la recolección del café hasta

tener un producto empacado; la mayoría de estos procesos son de manera

manual como lo es el lavado, secado y empacado del café.

En este proyecto se diseñó una máquina para el secado del café, pretendiendo

cumplir con las exigencias de esta industria; para lo cual siguiendo los puntos

establecidos para la etapa de planeación, se efectuó investigaciones, tales como,

entrevistas de campo, cuyo objetivo principal fue procurar un acercamiento

enfocado a conocer las necesidades e inquietudes más frecuentes que presentan

los propietarios de fincas cafeteras de rango medio y las alternativas de solución

que ellos han intentado establecer, revisión permanente de los diferentes trabajos

publicados por los centros de investigación en Colombia como lo es CENICAFE

que trabajan en este campo, tomando como parámetros equipos existentes para

realizar el proceso de secado de grano lo cual permitió recopilar toda la

información necesaria y sugerida para el desarrollo de este proyecto.

Es necesario conocer el elemento a secar y el proceso del beneficio del secado

de café, para realizar un buen diseño de la maquina que cumpla con las

expectativas planteadas y sin dañar el producto. A partir de las características del

café y la capacidad de secado se procede al diseñote la maquina secadora de

café rotativa con aprovechamiento de la biomasa cascarilla de café.

20

INTRODUCCIÓN

CENICAFE dice que: “El cultivo del café fue introducido a Colombia a principios

del siglo XVIII, se convirtió en el principal producto de la economía nacional en el

siglo XIX y se consolidó como el mayor motor de la economía colombiana en el

siglo XX”1.

La industria cafetera colombiana a través de los años ha sido factor fundamental

del desarrollo económico y social del país. Los dirigentes cafeteros de todas las

épocas han demostrado su compromiso con la Nación y no han escatimado

esfuerzos para hacer del café el principal producto.

En los últimos años, Colombia ha registrado una producción cafetera que oscila

entre los 10 y los 12 millones de sacos de café verde por año. De otro lado, se

registra una reducción del área sembrada equivalente a unas 300.000 hectáreas.

Para mantener la producción global con una menor área, los caficultores han

hecho un gran esfuerzo, al adoptar nuevas prácticas de cultivo, generadas por

Cenicafé y divulgadas por el Servicio de Extensión de la Federación.

En nuestro territorio Nacional, la caficultura a logrado posesionar a través de los

años como un sector muy importante dentro de las cadenas agrícolas productivas

del País, siendo uno de los productos abanderados para exportación de Colombia.

Por lo tanto es muy importante desarrollar sistemas que no solo mejoren sus

procesos en cuanto a cantidad de producción si no también en cuanto a calidad

del producto

1 CADENA, G.: Desarrollos científicos de Cenicafé en la última década. En: Rev. Acad. Colombia. Ciencia, Chinchiná- Caldas. Vol. 29, No.110 (Mar. 2005); p. 29 (110): 89-99.

21

Este proyecto se enfocara en las dificultades que se presenta en la etapa de

secado, dado que generalmente es en época tiempo húmedo donde se cosecha,

por lo cual se presenta la mayor acumulación de granos húmedos y es por este

periodo donde el precio del grano se incrementa aun mas; debido a estas

circunstancias parte de la cosecha se desvaloriza, principalmente al pequeño y

mediano caficultor, debido a que el grano pierde calidad al estar mucho tiempo

húmedo, el grano se deteriora, pues surge respiración en los granos (le salen

poros), aparición de hongos y la proliferación de broca.

Una mínima cantidad de pequeños y medianos caficultores poseen máquinas

secadoras de café, pero estas no son lo suficientemente eficientes por que

algunas de ellas no secan uniformemente el grano, son complicadas de manejar,

requieren de gran consumo de combustible, otras dan olor y sabor de combustible

al grano; Además son muy pocas las empresas que producen este tipo de

máquinas a nivel nacional. Adicionalmente los caficultores de mediana

envergadura exigen procesos más eficientes que puedan brindar mayor

productividad y calidad para los clientes.

Aprovechando esta necesidad que hay en el sector caficultor en el proceso de

secado de grano, se optó por dar solución a este problema con el diseño de una

máquina secadora de café para suplir los requerimientos de este importante sector

de la economía Nacional.

El diseño mecatrónico optimiza los parámetros en las fases de producción de un

producto de calidad en un corto ciclo de tiempo. De igual forma se pretende

diseñar una máquina que permita secar el café, con el fin de optimizar el proceso

de producción, obteniendo un producto en mejores condiciones, sin perdidas en el

grano y rentable. Por consiguiente, se plantean el problema para poder realizar el

proyecto originando diversas soluciones para hacer posible la implementación del

22

sistema; el proceso de diseño se enfoco en las fases de desarrollo, siguiendo el

esquema mostrado en la figura 1.

Figura 1. Fases de Desarrollo

En la etapa de planificación se presenta la descripción del problema de acuerdo a

los requerimientos planteados por los clientes, las especificaciones de ingeniería

del diseño que se hallan después de analizar cada uno de los requerimientos y

encontrar las necesidades que rigen el diseño. Dentro del desarrollo conceptual se

realiza el análisis funcional del producto identificando la función principal y

descomponiéndola en subfunciones para poder generar conceptos que satisfagan

las necesidades de los clientes, además dentro de esta etapa se realizan los

cálculos de ingeniería necesarios para que la generación de conceptos sea la

adecuada. Para la etapa de diseño a nivel de sistema se debe definir la

arquitectura que tendrá el producto, como se desarrollará (manufactura), como se

realizará el ensamble y cuales son los prototipos que se van a desarrollar. La

etapa de diseño detallado comprende todo lo referente a la selección de

actuadores, sensores y demás dispositivos necesarios para el óptimo desarrollo

del producto; es la etapa de mayor cuidado en el proceso de desarrollo de un

producto ya que de acuerdo a los elementos seleccionados se podrá o no realizar

el proyecto

23

1. MARCO TEÓRICO

1.1. PROCESO DEL SECADO DEL CAFÉ

El secado del café esta basado en la higrometría (Estudio del aire). El medio

utilizado para el secado de granos es por aire natural o por aire caliente.

1.2. CONTENIDO DE HUMEDAD DE CAFÉ

El contenido de humedad de la cereza del café es de aproximadamente 67%,

base húmeda. Esto quiere decir que la cantidad de agua en las cerezas del café

es aproximadamente igual a las dos terceras partes de la masa total; la tercera

parte restante la constituyen los sólidos. El contenido de humedad de la cereza del

café expresado en base seca del es del 200% (dos veces más agua que materia

seca). El fruto del café es altamente perecedero, y presenta una intensa actividad

fisiológica inmediatamente después de la cosecha. Para evitar la pérdida de

calidad del café la cual se inicia después de pasado un día de la cosecha, se debe

secar inmediatamente después de cosechado.

El proceso más adecuado para disminuir la humedad del café consiste primero en

retirarle la pulpa y el mucílago por medios manuales o mecánicos de forma rápida

para evitar el deterioro del café. Así se obtiene el café pergamino húmedo, cuyo

contenido de humedad en base húmeda es aproximadamente el 50%, y el 100%

en base seca. Con éste método (beneficio vía húmeda) se procesa en Colombia el

café suave de “mejor calidad en el mundo”.

La cantidad de agua a retirar en el secado del café es muy superior al agua que

hay que extraer en los cereales y leguminosas para obtener la misma cantidad de

24

producto seco. Por ejemplo, para secar maíz del 20% y del 16.5% de humedad al

12%, hay que evaporar 8.7 y 16.2, respectivamente, veces menos de agua en

comparación con el agua que se debe evaporar para obtener café pergamino seco

con el mismo valor del 12%.

En el caso del secado del café cereza, la dificultad del proceso no es sólo de

evaporar una gran cantidad de agua, sino que también se trata de un producto de

muy difícil manejo, que no es mecánicamente consistente, que pierde fácilmente la

pulpa, principalmente si no se inicia el secado inmediatamente y que además

obstruye el paso uniforme del aire de secado, requisito indispensable para la

buena calidad del producto final.

Sabiendo que el contenido de humedad inicial del café es del 55% base húmeda,

Las normas vigentes para la comercialización del café pergamino seco, establecen

un contenido final de humedad entre el 10 y el 12%, de tal forma que se pueda

almacenar sin riesgo.

Las propiedades físicas del aire que afectan de modo elemental la velocidad del

secado de los granos son:

La humedad relativa

La temperatura de bulbo seco

El volumen específico

La entalpía.

La humedad relativa (HR) del aire es la razón entre la presión actual de vapor de

las moléculas de agua en el aire y la presión de saturación en la misma

temperatura. La humedad relativa normalmente se expresa en porcentaje. Un

25

segundo término que expresa el contenido de humedad del aire es la razón de

humedad (W) o sea, la masa de vapor de agua por la masa de aire seco (Kg. /kg).

La temperatura del bulbo seco (T) del aire es la temperatura medida con un

termómetro usual.

La temperatura de bulbo húmedo la medida de la temperatura de bulbo húmedo

es hecha cubriendo el bulbo del termómetro con una mecha húmeda.

Conociendo las temperaturas de bulbo seco y de bulbo húmedo permite rápida

determinación de la humedad relativa del aire mediante un gráfico psicrométrico

donde se expresa la temperatura en ºC. En la figura 2 se muestra un gráfico

psicrométrico para el rango de 1 - 45 ºC.

Figura 2. Grafico Psicrométrico Para Bajas Temperaturas.

El volumen específico (v) del aire húmedo es el volumen por la masa de aire seco

y se expresa en m3 por Kg, de aire seco (m3 /Kg.). La potencia requerida por el

ventilador en un sistema de secado es afectado por el volumen específico del aire.

26

La entalpía (h) de aire húmedo es la energía contenida por unidad de masa del

aire seco basada en una cierta temperatura de referencia (normalmente 0ºC). Se

expresa la entalpía en kJ por Kg. de aire seco. Para calcular las dimensiones de

un quemador para calentamiento del aire para secado de granos de un secador

específico se requiere el conocimiento de los valores de las entalpías del aire

antes y después de calentarlo.

En la Figura 3 se muestra que sucede con el comportamiento de estas variables

físicas antes y después de traspasar el cilindro contenedor de café.

Figura 3. Variables físicas antes y después de traspasar el cilindro contenedor de

café

Donde

Q = calor de aire.

h = entalpía

P = Presión del aire.

T = Temperatura de aire.

W = humedad del aire.

Tbs = Temperatura de bulbo seco.

Tbh = Temperatura de bulbo húmedo.

h P T W

h P T W

Cilindro contenedor

de café. Tbs Tbh Tbs Tbh

Entrada Del Aire

Salida Del Aire

Q Q

27

Las propiedades físicas del aire a la entrada del cilindro, son diferentes a la salida

de este, no solo por la pérdida de calor si no también por la ganancia de masa de

agua en forma de vapor, donde el aire es saturado llegando al máximo nivel de

humedad.

Q = h x m donde m es la masa del aire y h es la diferencia de entalpías.

Hallando el flujo másico del gas o sea el gasto másico que usara el cilindro en

determinada cantidad de tiempo.

En este caso para obtener el flujo másico lo obtenemos multiplicando la velocidad

de descarga del fluido por la densidad del la sustancia en este caso vapor de

agua.

.

m = Qcaudal x = s

Kgmkgx

sm

3

3

.m = Qcaudal x

1 = s

Kg

Kgm

xs

m3

3 1

Donde v es el volumen especifico

Contenido De Humedad De Equilibrio. El Contenido de Humedad de

Equilibrio (CHE) de un tipo de grano, es el contenido de humedad que el grano

tendrá después de un largo periodo de tiempo de exposición a una determinada

condición de aire de secado. La Humedad de Equilibrio de una muestra de granos

depende o es función de la temperatura, de la humedad relativa del aire (HR) y de

las especies de granos. Hasta cierto punto,”la historia de la muestra afecta el

28

contenido de humedad de equilibrio, a través del fenómeno de histéresis (ver

Figuras 4 y 5) da valores de CHE para el café”2.

Figura 4.Curvas del contenido de humedad de equilibrio durante la adsorción y

desorción de vapor.

La ecuación utilizada por CENICAFE para el cálculo del Contenido de Humedad

de Equilibrio fue la siguiente:

)0.035177-0.070114(-0.037047)74.461059108.37141-61.030848(32

32 eCHE

En donde, CHE = Contenido de humedad de equilibrio del café pergamino, %, base seca = Humedad relativaza, decimal

= Temperatura del aire, grados centígrados

2DE JUAREZ, SOUZA SILVA, E. Secado y almacenamiento de granos en los trópicos [en Línea]. Brasil: Pos-Colheita, 2006. [consultado 10 de junio, 2006]. Disponible en Internet: www.pos-colheita.com.br

29

Figura 5. Curva de Contenido de humedad de Equilibrio del Café Pergamino.

0

5

10

15

20

25

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Humedad Relativa, decimal

Hum

edad

de

Equ

ilibrio

, %, b

h

5 30

25 35

45 55

Temperaturaen grados

centígrados

Fuente: Cenicafé [foto] Centro de Investigación Nacional del Café. Chinchiná

Caldas, 2006.

1.3. SISTEMAS DE SECADO

El café pergamino seco tiene un olor característico para que éste no se afecte, es

necesario que en el secado mecánico se evite el contacto directo de los granos

con los gases de la combustión, mas un control de la temperatura para evitar la

cristalización. El sistema de secado depende del tamaño de la plantación y de la

capacidad económica del caficultor, pudiéndose recurrir al sistema natural, al sol,

o al sistema artificial, mecánico.

30

1.3.1. Secado al sol o natural. En el secado al sol, se emplea el sistema Casa

Elbas que son plataformas de madera o metal como cajas de poco fondo cubiertas

con techo corredizo de lámina de acero galvanizado.

En el proceso particular del café, el mecanismo de secado solar se empieza con

una etapa de velocidad constante de secado, en donde se origina la evaporación

del agua superficial. En seguida le sigue una segunda etapa en la cual la

velocidad de secado es descendiente y el agua debe desplazarse del interior del

grano hacia la superficie del mismo, debiendo atravesar la película plateada para

luego pasar a una cámara de aire, la cual será mayor a medida que avanza el

proceso de secado. Luego el agua en forma de vapor atravesará la cubierta o

pergamino antes de que la corriente de aire pueda arrastrarlo.

El tiempo de secado al sol depende del clima imperante, del espesor de la capa de

café y de la frecuencia con que este se mezcle. Necesita en promedio de 30 a 40

horas siempre y cuando la capa del grano no pase de cuatro centímetros; este

sistema tiene como ventaja el no necesitar combustible.

1.3.2. Secado mecánico. Para producciones de mas de 25 t/año se requiere

de terrenos extensos para el secado, por lo tanto, en estos casos se utiliza

el sistema de secado mecánico, que además presenta las siguientes

ventajas: no depende de la energía solar, la cual se hace escasa durante la

época de invierno, incrementando tanto el tiempo de secado como la mano

de obra. Los secadores mecánicos utilizan aire caliente por medio de intercambiadores de

calor, que calientan el aire de secado por medio de los gases de combustión

provenientes del horno, que funcionan con varios tipos de combustible. Es

31

importante tener presente que la temperatura del aire no debe sobrepasar los

50ºC durante el proceso de secado, para no dañar el grano.

Para realizar la operación correctamente, deben controlarse los siguientes

factores:

Humedad del grano

Temperatura del grano

Humedad del aire

Temperatura del aire

Los instrumentos necesarios para cuantificar la humedad del grano, la humedad

del aire y sus respectivas temperaturas son:

Termómetro

Higrómetro

Determinador de humedad

Para determinar el punto de secado se trilla un poco el café y este debe presentar

una coloración del grano debe ser verde azulosa.

1.4. MEDIDAS DE PREVENCIÓN EN EL PROCESO DE SECADO POR CONTAMINACIÓN

En la etapa de secado se debe tener las siguientes medidas de prevención por

contaminación:

En los equipos de secado o de las máquinas de secado, donde este

normalmente consta de un hogar donde se quema el combustible y un sistema de

intercambio de calor donde se calienta el aire de secado. Los intercambiadores de

32

calor actualmente en uso tienen muy baja eficiencia (entre 19% - 30%) al transferir

el calor contenido en los gases de combustión hacia el aire de secado.

Se recomienda utilizar principalmente como fuente de calor los combustibles

generados por el proceso de producción de café como podría ser la cascarilla

(pergamino seco) y la leña proveniente de la plantación.

En la fase de evaporación constante (de 55% a 35% de humedad), la

evaporación del agua es fácil y rápida y en dicha fase se recomienda el uso de

presecadoras o patios. En la fase crítica (35% - 20% de humedad) se recomienda

el uso de secadoras de tipo rotativo. Si se usan secadoras mecánicas su

temperatura deberá ser menor de 60 grados centígrados.

Es preferible descartar el uso de secadoras que tienen altos requerimientos de

energía para evaporar el agua contenida en el grano.

1.5. CASCARILLA O PERGAMINO DE CAFÉ

La cascarilla de café constituye un 20% en peso del grano de café (base seca),

con un contenido de humedad del 12 %. Su composición química (en base seca)

es de: 47.2% de carbono, 4.6 % de hidrógeno, 0.12% de azufre, 48.1% de oxígeno

y 9-12 % de humedad. Su poder calorífico es de 17,500 kJ/kg y por sus

características físicas y químicas constituye un excelente combustible para ser

utilizado en los hornos de las máquinas de secado de café.

Además de constituir un excelente combustible que se puede almacenar todo el

año, la cascarilla seca es un buen sustrato para el crecimiento de hongos

comestibles (basidiomicetos).

33

1.6. COSTO DE COMBUSTIBLE

Los costos de combustibles varían mucho de unas zonas a otras, debido al costo

mínimo de combustible, el de los transportantes y a la facilidad de obtenerlo.

Cualquier comparación significativa de costos entre combustibles exigirá los

costos actuales basados en las cantidades utilizadas en un lugar geográfico dado,

las eficiencias de utilización o datos sobre los índices de energía para los equipos

que se utilizan, el hacer uso de la cascarilla de café como combustible es

favorable ya que es asequible en la zona cafetera.

1.7. VENTAJAS DEL SECADO DEL CAFÉ

El secado es la etapa del beneficio que tiene como finalidad reducir el contenido

de humedad del grano, hasta un porcentaje tal, que permita su almacenamiento

seguro sin adquirir mal olor o sabor, trillarlo o venderlo sin correr riesgo de tener

perdidas de grano. Si se realiza el secado de acuerdo a las normas vigentes para

la comercialización del café pergamino seco, también procediendo a secar el café

inmediatamente después de lavado.

Con el secado se tiene un café el cual llaman oro por que se puede vender muy

bien teniendo reconocimiento en Colombia por café de exportación suave y por un

agradable aroma. No se debe vender Café húmedo por que de esta manera si se

realiza se pierde dinero y se atenta contra la calidad del café colombiano.

34

2. ANTECEDENTES

2.1. A NIVEL MUNDIAL

Uno de los países más desarrollados en el área de secadores mecánicos de

semillas a nivel mundial es Francia; se tomara entonces este país como referencia

de investigación para hablar de los diferentes secadores de semillas, donde solo

se enfocara aquellos secadores utilizados en la industria del café.

Dentro del marco internacional, se sacan al mercado diversos tipos de máquinas

secadoras. De los secadores mecánicos encontramos dos tipos de secado:

Secadores discontinuos

Secadores continuos

2.1.1. Secadores discontinuos. Aquellos secadores los cuales se encuentren

separados por divisiones de cámaras. A continuación se presentan el secador por

bandejas.

En el Secador por bandejas el café se distribuye en bandejas que se colocan en

un compartimiento aislado de exposición a aire caliente y seco (ver Figura 6). El

calentador puede ser directo o indirecto (serpentines a vapor, intercambiadores o

resistencias eléctricas). Se usan velocidades de aire entre 2 y 5 m/s. Su principal

problema es la des-uniformidad del secado entre bandejas en distintas

ubicaciones. El alimento que se va a secar se coloca en capas delgadas (1cm a

6cm de espesor) en una bandeja. El aire se calienta y circula entre las bandejas

35

en flujo cruzado como en la figura siguiente o en flujo a través de bandejas

perforadas (perpendicular al plano de ellas).

Figura 6. Secador por bandejas

Se busca que la circulación del aire sea homogénea, situación que se alcanza en

alguna medida en equipos bien diseñados. Pueden operarse al vacío lo que

incrementa la velocidad de secado pero encarece la operación por el costo de la

inversión y operación del sistema de vacío.

2.1.2. Secadores continuos. Secadores continuos aquellos secadores en los

cuales no hay compartimentos de separación entre los elementos a secar. Entre

estos se tiene:

Secador rotatorio o Guardiola. Es un cilindro horizontal que rota alrededor

de su eje principal. El café húmedo entra por un extremo y se mueve hacia delante

por una combinación de la acción de la gravedad y el arreglo de bafles dentro del

cilindro. A medida que este rota el aire atraviesa el producto cuando el cae. Las

secadoras rotativas fueron inventadas en Guatemala y mejoradas en Brasil

cuando se pensó trabajarlas con cereza y también para pergamino. Los flujos de

36

aire en las secadoras modernas son muy importantes porque antes se tenía

celdas o cámaras individuales y ahora es una sola cámara, el aire viaja de

izquierda a la derecha, del centro a la periferia, esto es importante para permitir la

distribución de calor casi perfecta. Aún si la distribución de calor no es perfecta, el

grano siempre se está moviendo de un lado a otro y del centro a la periferia.

Silos. Los silos secadores deben tener algunas características especiales:

Fondo perforado (10% a 25% de área perforada), distribución uniforme del aire de

secado y la selección de los ventiladores deben ser basada en el contenido de

humedad inicial de los granos, tamaño del silo y en el tiempo máximo para un

secado seguro. Entre los cuales se tienen:

Secadores de capa fija (ver Figura 7)

Secadores por convección natural (Ver Figura 8)

Secado con flujo contracorriente (ver Figura 9)

Secado en combinación (Figura 10)

Secadores de túnel (Ver Figura 11, Figura 12,Figura 13)

Figura 7. Secadores de Capa Fija

37

Secadores por convección natural

Figura 8. Secadores por Convención Natural

Figura 9. Secador en contracorriente

Figura 10. Secado en combinación.

38

Figura 11. Secado de flujos cruzados

Figura 12. Secador de flujos concurrentes

Figura 13. Secadores de flujos mixtos

39

Secador de banda. En este tipo el movimiento del producto se hace mediante

una banda transportadora. La configuración más común es la de flujo transversal

de aire. Actualmente no es usado para el secado de café.

2.2. A NIVEL NACIONAL

Básicamente existen dos métodos de secado del café en Colombia desarrollados

por Cenicafé son: el secado natural o al sol y el secado mecánico:

2.2.1. Secadores Solares. Los secadores solares de café de uso común en

Colombia son:

Patio común (se riega en un patio)

Elbas (Secado en trechos de casas)

Camillas y carros secadores

Secador Solar Rotatorio (Ver Figura 14)

Secador solar parabólico (ver Figura 15)

Figura 14.Secador solar rotativo para café

Colombia [Foto] secado solar se practica desde el mismo momento en que se

inició la producción del café tomada en Cenicafe

40

Figura 15. Secador Solar Rotativo

Fuente: Colombia [Foto] secado solar se practica desde el mismo momento en

que se inició la producción del café tomada en Cenicafe

2.2.2. Secadores Mecánicos. Los secadores mecánicos se dividen en:

Estufas. Este sistema fue desarrollado y puesto en marcha básicamente en

Cenicafé es por esto que no es colocado en el marco de máquinas secadoras a

nivel mundial. Dadas las dificultades del secado en los sistemas solares existentes

durante la cosecha, fundamentalmente por factores climáticos (lluvia, alta

nubosidad, etc.) se planteó como una alternativa de secado mecánico de café

para pequeños productores, mediante el empleo de elementos disponibles en la

propia finca cafetera (estufa y leña de café proveniente de la zoca). El equipo de

secado se denominó “EScafé” Estufa Secadora para café, para una capacidad de

125kg y consta de: una estufa modificada, una cámara de secado, un ventilador y

un ducto (Figura 16). La estufa modificada constituye el hogar de combustión y el

intercambiador de calor.

41

Figura 16. Equipo de secado "EScafé" para el aprovechamiento de energía

calorífica en los hogares campesinos.

Fuente: Colombia [Foto], El equipo de secado se denominó “EScafé” Estufa Secadora para café realizada por Cenicafe

Silo- secador. Actualmente el sistema de secado mecánico mas utilizado en

Colombia es el silo secador Cenicafé y sus modificaciones. Este tipo de secado

es de capa fija, de fácil construcción y del que se obtiene un café aceptable en

calidad. A pesar de su popularidad este secador presenta desventajas no presenta

uniformidad en el secado, el control de secado es complicado, considerable

tiempo de secado, requiere de una persona durante el proceso de secado.

Guardiola. Este último año la Cooperativa de Caficultores de Chinchiná-Caldas

han importado tres Guardiolas modernas traídas desde el Brasil las cuales son

muy costosas.

42

3. OBJETIVOS

3.1. OBJETIVO GENERAL Diseñar una máquina secadora de café rotativa con aprovechamiento de la

energía de la biomasa de la cascarilla del café.

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Diseñar un sistema de secado uniforme.

Realizar un aprovechamiento de la energía de la biomasa de la cascarilla de

café el cual se usara como combustible para el secado del café.

Seleccionar la instrumentación necesaria a fin de permitir un secado

automático.

Diseñar un sistema de control que gobierne toda la etapa de instrumentación

así como los actuadores y sensores con que contará el sistema.

Diseñar un equipo donde sus partes y elementos sean de fácil adquisición y

construcción por industrias con tecnología a nivel nacional.

43

4. JUSTIFICACIÓN

El café es el principal cultivo en Colombia, es el segundo productor mundial

después del Brasil y el primero en producir “Café Suave”. Es un elemento

primordial para la base de nuestra economía.

El proceso de secado de café es uno de los parámetros el cual presenta mayor

problema ya que hasta el momento en la zona cafetera no se ha encontrado una

máquina realmente eficiente en cuanto al secado uniforme del grano además dar

un aviso automático una vez el grano este seco; Nuestro diseño tomara en cuenta

que los elementos de la máquina que sea de fácil adquisición y construcción de

sus partes a nivel nacional. Donde la operación del equipo sea amigable con el

usuario.

Este proyecto se orienta a la mediana y pequeña industria cafetera pues son estos

los que proporcionan gran parte del producto, para mejorar la calidad y el nivel de

producción mediante automatización, la producción, dado que este sector de gran

importancia en nuestro país. Dejando atrás las técnicas manuales como el secado

al sol, dado que este depende las condiciones atmosféricas y si estas no son

ideales en los primeros dos días, se inicia el deterioro de la calidad del producto y

a menudo se observa la proliferación de hongos en la superficie de las cerezas de

café.

Es importante destacar que se cuenta con el apoyo del Centro Nacional de

Investigación del Café – CENICAFE Planalto, km. 4 vía Chinchiná – Manizales,

que es un importante laboratorio a nivel nacional y de América Latina.

44

5. PLANIFICACION DEL DISEÑO

5.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La gran mayoría de caficultores en Colombia secan el café en silos, teniendo el

inconveniente del tiempo de secado que dura aproximadamente de 10 a 15 días

siempre y cuando las condiciones atmosféricas sean favorables. En las épocas de

lluvia estos caficultores tiende a perder utilidades en la venta del café, por mala

calidad, mala presentación del grano encontrándose con manchas y

adicionalmente con humedad a consecuencia de esto el café adquiere hongos

dando mal olor y sabor.

La adquisición de máquinas secadoras de café con tecnología extranjera son

costosas para la gran mayoría de campesinos, las máquinas fabricadas

nacionalmente presenta insuficiencia en el secado del café dejando granos

húmedos durante el proceso, por ser máquinas estáticas, adicionalmente de gran

dificultad en la operación teniendo que estar un operario durante todo el tiempo

atento al funcionamiento para evitar que el grano se le “cristalice” por altas

temperaturas.

¿Es posible diseñar una máquina secadora de café que genere un secado

uniforme y que además por poseer un control de temperatura adecuado no dañe

ni el aroma ni el sabor del café?

5.2. DESCRIPCION DE CLIENTES

Medianos y Grandes Caficultores: Todos aquellos productores de café

Representante de Manufactura: Entidad encargada de fabricar los elementos que

componen el sistema mecánico del dispositivo.

5.3. REQUERIMIENTOS DE CADA UNO DE LOS CLIENTES

Obtención de los datos primarios

Se obtuvieron las siguientes necesidades basadas en entrevistas personales y

grupos de enfoque.

Requerimientos básicos de la máquina:

Que sea de fácil utilización.

Que tenga su respectiva documentación y manuales de usuario.

Que sea de fácil conexión y ensamble para evitar accidentes.

Que realice un control de secado del café.

Que presente bajo consumo de energía.

Que sea duradero y robusto.

Que presente un alto ciclo de trabajo.

Requerimientos de los compradores:

Que el tamaño y peso de la máquina sea bajo, haciéndolo maniobrable.

Que posea una estética aceptable.

Que la máquina sea segura y confiable.

Que el secado del café sea efectivo y no distorsione la calidad del grano.

Que presente un alto grado de automatización.

46

Que el precio de venta sea asequible.

Que sea de alta durabilidad.

Que presente una buena capacidad de almacenamiento del grano.

Que se pueda utilizar combustibles económicos (Cascarilla de café).

Que el tiempo de secado sea inferior a 24 horas.

Requerimientos de los Representantes de Manufactura:

Que la máquina sea de fácil comercialización (costo/beneficio).

Que la máquina presente facilidad de mantenimiento y reparación.

Que los elementos para su fabricación sean de fácil adquisición en el mercado

nacional.

5.4. IDENTIFICACIÓN DE LAS NECESIDADES Se establecen las prioridades de acuerdo con las ideas que ha planteado el

cliente, teniendo en cuenta que la escala de valoración es entre 1 y 5 donde 5 es

la máxima importancia y 1 la Mínima. El * denota que es de obligatorio

cumplimiento.

En la tabla 1 aparece la lista de prioridades tomadas con base en las necesidades

del cliente.

47

Tabla 1. Necesidades del cliente

# Sistema Necesidad Imp 1 Máquina Equipo seguro 5 2 Máquina robusto 4 3 Máquina Poco mantenimiento 4 4 Máquina Piezas comerciales 4 5 Máquina reparación 3 6 Máquina Es de tamaño adecuado 3 7 Máquina De peso adecuado 3 8 Máquina Es eficiente 4 9 Máquina Es resistente * 10 Máquina Es adaptable 3 11 Máquina Es de fácil ensamble 3 12 El soporte estructural Es confiable 5 13 El soporte estructural Es transportable 5 14 El soporte estructural resistente * 15 Software Tiempo de secado <24 horas * 16 Máquina Consume poca energía. 4 17 Máquina Podrá trabajar por largas horas 5 18 Máquina Económico combustible cascarilla de café * 19 Máquina Soporte máximo de la máquina 40 @ 5 20 Interfaz Es agradable 4 21 Interfaz Fácil de usar 4 22 El software Es robusto 5 23 El software Es fácil instalar y puesta en marcha 3 24 El software Proporciona datos del proceso 5 25 El software Controla la máquina * 26 El software Es confiable * 27 El software Es configurable 4 28 El software Es de fácil montaje 3 29 El software Es precisa 5 30 El software Puede variar la producción dentro del margen de la

máquina 4

31 El software Permite visualizar aspectos de la máquina 4 32 El software Funciona bien después de cortes en el sistema

eléctrico. 4

33 El software Apagado automático * 34 El software El equipo dispondrá de un aviso de alarma 5 36 El software Funciona bien después de cortes en el sistema

eléctrico

37 El software Apagado Automático/Manual 38 El software Dispone de alarma en caso de fallo en el sistema

48

5.5. REQUERIMIENTOS ESPECÍFICOS DE INGENIERÍA

El resumen de los requerimientos anteriores se presenta en unas especificaciones

de ingeniería contenidas en la siguiente Tabla 2:

Tabla 2.Requerimientos específicos

5.6. BENCHMARKING COMPETITIVO

La razón fundamenta para realizar la Casa de Calidades - QFD en el desarrollo del

diseño de un producto, una vez clara las necesidades del cliente, es que permite

# Métrica Unidades

1 Tiempo de vida útil Años. 2 Factor de seguridad >2 4 Consumo de potencia W /H 5 Tiempo de secado 18h 6 Seguridad 99% 7 Tiempo de ensamble 48h 8 Actualizable y expandible control si 9 Temperatura de secado 50 ºC 10 Capacidad de carga 40@ 11 Materiales Acero Inoxidable 12 Peso del equipo 346 Kg. 13 Temperatura máxima 52ºC 14 Temperatura mínima 25ºC 15 Combustible volumen de cascarilla 86.6 dm3/h

16 Calidad de la interfaz Muy intuitiva 17 Interacción con el usuario necesaria 18 Controlabilidad si 19 Espacio de trabajo 3 m2 20 Mantenimiento 2 veces por año 21 Ensamble Tolerancia de 1mm 23 Aislamiento térmico Poliuretano expandido 24 Diseño Agradable si 25 Fabricante de repuestos y piezas Lista

49

ayudar al grupo de desarrollo a entender y clarificar sus especificaciones

preliminares. Para lograr esto es necesario realizar comparaciones entre diversos

productos con características similares al que se desea desarrollar. En el se

resume toda la información de resultado del análisis QFD en el BENCHMARKING

COMPETITIVO. Los equipos utilizados en esta comparación aparecen en las

Figura 17,Figura 18, Figura 19 y Figura 20.

Figura 17. Secadora tipo Guardiola

Secadora Tipo Guardiola con Aprovechamiento de la cascarilla de café

Capacidad De: 680 Kg. Húmedos Hasta: 9090Kg Húmedos

Esta secadora es más eficiente secar con bajos volúmenes de aire del orden de diez a

once mil metros por hora para este modelo. Volúmenes de aire menores atrasan el

secado y mayores volúmenes se pierden sin aportar nada importante al tiempo de

secado. En todos los casos se recomiendan temperaturas del aire de 50º hasta máximo

65º. En reglones bajas con cafés poco densos, se recomienda secar alrededor de los

50ºC

50

Figura 18.Secadora rotativa – Guardiola industrial

Secadora Rotativa- Guardiola Industrial

Una secadora de 15,000 Litros por carga puede recibir estimadamente 220 qq. De

café.

Secadora rotativa modelo tubular, sistema intermitente (batch), con cuerpo cilíndrico

y tambor homogenizador rotativo suministrada con turbina inyectora de aire caliente

de alta presión, elevador de huacales (cangilones o noria) para carga y descarga,

tolva metálica arriba para carga con motores de 220/380 V y 50/60 hz.

Todos los motores incluidos en estos precios son eléctricos trifásico, 220/380/440 V,

4 polos, 1800 r.p.m. - 50/60 hz

51

Figura 19. Secadora tipo Guardiola a Gas Semi- industrial

Secadora Tipo Guardiola a Gas Semi-Industrial

Máquina secadora rotatoria fabricada totalmente de metal.

Fuentes de Energía: Electricidad de 220voltios y combustible Diesel.

Capacidad: 25 quintales húmedo, Tiempo de secado: 24 horas promedio, Fuente

de Calor: quemador diesel con capacidad de 1 galón por hora, marca Carlin

Modelo 99 FRD con Manual técnico acoplado a un hogar de ladrillo refractario,

Impulsor de aire: Ventilador tipo turbina de 14" de diámetro accionado por un motor

eléctrico de 3 HP 220voltios marca Baldor.

Tambor: con un sistema reductor de velocidad a 2 revoluciones por minuto

accionado por un motor eléctrico de 2 HP 220voltios marca Baldor.

Controles: un sistema de control térmico acolado al quemador para encendido y

apagado automático. Un termómetro exterior para control de la temperatura del

aire de secado en grados centígrados.

52

Figura 20. Secadora estática tipo torre

Secadora estático tipo-torre.

DESCRIPCION:

Capacidad total: 12, 21 ó 39 arrobas,

Secador de tres pisos.

Cambio de aire en el secado.

Con doble válvula de seguridad).

Quemador de gas propano, incluye: encendido eléctrico, válvulas de seguridad que cortan

el gas, si hay falta de llama y válvula solenoide que corta el gas si hay falla de corriente

eléctrica.

CAPACIDAD TOTAL (arrobas) 12, 21 a 31.

CAPACIDAD DE SECADO (arrobas / 8 horas) 4 7 y 13 horas.

CAPACIDAD DE PRESECADO (arrobas) 8, 14 y 26.

NUMERO DE CAPAS 3

VOLTAJE DE ALIMENTACION (volt.) 110/220.

CONSUMO DE GAS PROPANO (lb./ hr) 0,6 1,0 y 2,0

CONSUMO DE ENERGIA (Kw.) 0,25 0,4 y 0,75.

POTENCIA MOTOR VENTILADOR ( HP ) 1/3 1/2 y 1

53

6. DESARROLLO CONCEPTUAL 6.1. DESCOMPOSICION FUNCIONAL DEL PROBLEMA

Se representa el problema como una caja negra (Figura 21) sobre un material

energía y flujo de señales.

Descripción de la función general del producto Este diseño de una máquina

secadora de café, pretende proporcionar un sistema de secado que cumpla con

las normas del secado de café realizándose como un sistema modular pensando

en que debe ser un producto asequible en el mercado. Este diseño debido a su

funcionalidad requiere de un control de Temperatura y peso para el secado; los

dos factores anteriores son los más críticos debido a que de ellos depende la

sustentación teórica y un secado optimo.

Figura 21. Representación Caja Negra Del Sistema

6.1.1. Descomposición En Subsistemas Más Simples. Se realiza

subdivisiones en la caja negra que especifique y describa cada elemento para

implementar la función principal (Figura 22).

SECADORA DE CAFÉ

Energía

Material (Granos de Café)

Señales (Producción) Señales

(Variables del Proceso)

Producto Terminado

Señales (Variables del Proceso)

54

Figura 22. Descomposición en Sub Problema

Recibir Energía

80% lleno

Suministro de Calor

Dosificar Grano

Inicio de Producción

Agitar Grano

Recibir y Decodificar Señal

Comparar Valores

Preparar Producción

Almacenar Datos

Medir Variables

Sensar Variables

Material Masa

Energía

Señales (Producción)

Señales Variables

Producto Terminado

Eléctrica

Térmica

Alimenta o no Sistema

Generar Acciones Correctivas

Señales (Variables del Proceso)

55

6.1.2. Búsqueda Sistemática. Conceptos generados para cada sub. Función:

Subfunción: Admite Energía externa

Red eléctrica, señal monofásica (110v)

Subfunción: Sensar Variables de proceso

Sensores de temperatura Red

Termocupla.

RTD.

Integrado (LM 35).

Infrarrojo

Sensores peso

Infrarrojos.

balanza

Ultrasonido.

Medidor de nivel

Celdas de carga

Subfunción: Proceso de datos

Microcontrolador.

PLC

PC

Subfunción: Inicio producción

Interruptor.

Mando a distancia.

Consola de usuario.

56

Subfunción: Fuente de calor para generar la energía necesaria para calentar

Nota: los elementos resaltados se les realizo un análisis como primera instancia

que sean asequibles en la región cafetera zonas rurales, costos y otros.

Solidó:

Carbón

Bagazo

Cascarilla de arroz

Cascarilla de café

Aserrín

Basura

Liquido:

Crudo de Castilla

Fuel oil

ACPM

Queroseno

Crudo rubiales

Gaseoso:

Gas Natural

Propano GLP

Gas Butano

Gas coke

Eléctrica:

Resistencia

Compresor

Extractor

Radiador

Turbina

57

Subfunción: Esparcir Grano

Eje revolución por medio de engranes:

Engrane recto

Engrane cónico.

Espátula

aspas

Presión

Tornillo sin fin

6.2. GENERACIÓN DE CONCEPTOS En la Figura 23 se puede observar las combinaciones que presentan cada uno de

los bloques funcionales seleccionados por el grupo de desarrollo son los más

relevantes para organizarlos en un árbol de clasificación.

Sensar variables del proceso Proceso de datos Inicio de Producción

Fuente de Calor Esparcir Grano

58

Figura 23. Combinación de Sub-funciones

Energía Sensar Variables del proceso

Proceso de Datos

Fuente de Calor

Esparcir Grano

Infrarrojos

LM35

Termocupla

RTD

Infrarrojo Medidor de nivel

Balanza

Celdas de carga

Microcontrolado

PLC

Solidó

Liquido

Gaseoso

Electrica

PC

Espátula

Aspas

Presión

Tornillo Sin Fin

Eje de Rev. por

engranajes

Concepto A Concepto B Concepto C Concepto D

Inicio Producción

Interruptor

Mando a Distancia

Consola Usuario

59

Para llegar a la selección de este concepto se tuvo en cuenta las necesidades

planteadas por los usuarios, encuestas, maquinaria de este tipo, los costos

facilidad de producción y otros; También es importante tamizar los conceptos

generados, para lo cual se necesita tener unos criterios de selección los cuales

son: Facilidad en el montaje y mantenimiento, Robustez, transportabilidad, fácil

manejo, disponibilidad de elementos en el mercado y que los equipos utilizados

sean para ambiente industrial, no perdiendo el enfoque del mercado que va

dirigido hacia medianos y grandes caficultores. Dado que en el mercado nacional

son muy pocos los fabricantes de estos equipos las máquinas que existen para el

secado de café son de estáticas y uno de sus problemas más relevante es la

deficiencia de su secado ya que no es homogéneo debido a su diseño mecánico.

Esta etapa previamente se ha definido que se usara la energía eléctrica en la

etapa de potencia que requiera la parte electrónica en la ejecución y transmisión

de datos.

Posibles Soluciones Conceptos:

A. Primera alternativa (Figura 24) consta de elementos como: RTD, Balanza,

Microcontrolador, Interruptor, Gaseoso, Tornillo Sin Fin

B. Segunda alternativa (Figura 24) consta de elementos como: Termocupla,

Celdas de Carga, PlC, Consola Usuario, Solidó, Aspas

Figura 24. (A) Primera alternativa, (B) Segunda alternativa

(A) (B)

60

C. Tercera alternativa (Figura 25) consta de elementos como: Termocupla,

Celdas de carga, Microcontrolador, Interruptor, Eléctrica, Eje de Revoluciones por

engranajes.

D. Cuarta alternativa (Figura 25) consta de elementos como: LM35, Celdas de

Carga, PC, Mando a Distancia, Sólido, Espátula.

Figura 25. (C) Tercera alternativa, (D) Cuarta alternativa

(C) (D)

6.2.1. Concepto de Referencia. Debido a lá dificultad para encontrar secador

de café rotativo tipo Guardiola a nível nacional, se tomo como referente el

Concepto de Referencia una Guardiola moderna Industrial para 60 quintales de

café (Tabla 3).

Al observar los datos obtenidos en la tabla 3, existen dos conceptos que podrían

seleccionados en el desarrollo del dispositivo final, debido a que los conceptos

aplicados en el desarrollos son mas viables, por el costo, la facilidad de

implementación, producción y el desarrollo son mas favorables para un producto

comercial y un ambiente industrial.

61

Tabla 3. Selección de criterios

6.2.2. Selección y Prueba de Conceptos. En la Figura 26 se puede observar

un dibujo del concepto que se ha seleccionado. Para llegar a la selección de este

concepto se tuvo en cuenta las necesidades planteadas por los usuarios, las

encuestas, maquinaria de este tipo, los costos tanto de manufactura como de

ensamble.

Es importante realizar una tamización de los conceptos generados, para lo cual

se necesita tener unos criterios básicos de selección, los cuales son:

Disponibilidad de Tecnología, Facilidad de producción, mantenimiento, costos,

transportabilidad, fácil manejo y disponibilidad de elementos en el mercado,

combustible económico.

CRITERIO DE SELLECCION A B C D Ref1 Producción máxima - + + 0 0 Facilidad de uso - + + - 0 Ahorro de energía - 0 0 - 0 Cumplirá con las normas de seguridad - 0 - 0 0 La máquina. contará con estética aceptable 0 0 - 0 0 Durabilidad + - - + 0 Fácil adquisición de repuestos 0 - 0 + 0 Medición de la carga 0 + + + 0 Carga total - + 0 + 0

POSITIVOS 1 4 3 4 IGUALES 3 3 3 3

NEGATIVOS 5 2 3 3 TOTAL -4 2 0 1 ORDEN 4 1 3 2

¿CONTINUAR? No si no combinación

62

Figura 26. Concepto Seleccionado

También es necesario aclarar que las máquinas que utilizan para este proceso son

máquinas construidas de forma empírica por lo cual el grupo de diseño se basa en

el conocimiento adquirido para la selección de la mejor alternativa de desarrollo.

6.2.2.1. Análisis De Viabilidad Del Concepto. Dado que los elementos

mecánicos necesarios son de fácil adquisición en el comercio, adicionalmente la

manufactura necesaria es simple y se puede realizar en la región y los elementos

se encuentran alineados con lo cual el modelo cinemático se simplifica la máquina

presenta muy buena viabilidad desde el punto de vista de ingeniería y desarrollo

tecnológico.

6.2.2.2. Disponibilidad de tecnología. Para hacer el análisis de disponibilidad

de tecnología se tomaron como base tres segmentos tecnológicos:

Materiales y Procesos de Manufactura. Empresas locales de maquinado CNC

y Distribuidores de materiales comerciales.

Electrónica. Mundialmente los dispositivos electrónicos son muy conocidos y

comerciales como son los PLC, sensores y otros.

63

Potencia. Es este segmento se tiene la generación de potencia al sistema

teniendo en cuenta elementos comerciales tales como, relés, motores eléctricos y

circuitos de potencia digital (PWM).

También las herramientas se tomaron dentro del análisis de disponibilidad

tecnológica por que estas ayudan al desarrollo del diseño del proyecto se realice

de manera rápida y eficaz; por ejemplo las herramientas computacionales Solid

Edge, Software legal o demo en Internet del PLC, Automation Studio entre otros

de alguna manera el manejo de estos están disponibles.

6.2.2.3. Descripción de conceptos del proyecto. El concepto

anteriormente seleccionado es solo para satisfacer la línea de mayor importancia

dentro del diagrama funcional, las líneas restantes corresponden a otros

conceptos que fueron seleccionados bajo criterios propios del grupo desarrollador.

El concepto desarrollado se puede observar en la Figura 26, y consta de otros

módulos para que puedan funcionar los cuales son:

HMI: Es el dispositivo encargado de servir de controlador e interfaz, por medio

de este se configura el sistema de control, se monitorean todas las variables y se

visualiza el proceso.

Sistema de Control: Este será controlado por medio del PLC, etapas de

acondicionamiento y rutinas de control. Buscando que sea un equipo duradero en

un ambiente industrial y que tenga mayor flexibilidad para la expansión del equipo

de forma modular y no afecta el funcionamiento de la máquina.

64

Sensores: Los sensores son los elementos encargados de brindarle al sistema

de control los valores en los que se encuentran cada una de las variables del

proceso. Las celdas de carga indican el estado de peso del sistema, las

termocuplas dan la medición de temperatura del sistema, los interruptores dan la

información del encendido del proceso, paro de emergencia.

• Actuadores: Dentro del sistema se cuenta con actuadores eléctricos, se tiene

los motores monofásicos ya que la energía es de 110V para el mecanismo de

rotación del cilindro.

Sistema Mecánico - Estructura: Dentro de este se encuentra la estructura de

soporte, el sistema del cilindro secador, acoples del motor, el mecanismo para el

movimiento rotacional del sistema del cilindro secador. Es el soporte de todas las

cargas existentes y darle la estabilidad al horno necesaria para que tolere todas

las perturbaciones de un ambiente de trabajo hostil.

• Sistema de Calentamiento: Este sistema es una estructura o fenómeno de

transferencia de calor desde un cuerpo a mayor temperatura a un cuerpo a menor

temperatura mediante la aplicación de alguna forma de trabajo mecánico.

• Aislamiento térmico: Este sistema es importante en el horno ya que este es

una barrera al paso del calor entre dos medios que naturalmente tenderían a

igualarse en temperatura. Es un material caracterizado por su alta resistencia

térmica, su baja conductividad térmica y un bajo coeficiente de absorción de la

radiación; por lo cual reduce las perdidas de calor del interior del horno hacia el

exterior. Para realizar la selección del aislamiento será basado en los cálculos y

requerimientos del sistema de transferencia de calor, para de esta manera dar un

mejor aprovechamiento y ahorro de energía.

65

Figura 27. Concepto Seleccionado modificado

66

7. CALCULOS DE INGENIERIA

7.1. DISEÑO DEL HORNO TIPO CILINDRO HORIZONTAL

Este horno está compuesto por un eje y dos secciones cilíndricas horizontales,

una de ellas el cilindro interior perforado es el contenedor de café, la segunda

sección es un cilindro exterior el cual contendrá el cilindro interior y llevara un

aislante para reducir las perdidas de calor en el interior del horno.

Se inyecta aire caliente por el interior del eje el cual sale por los orificios laterales

de el mismo ingresando a la región donde se encuentra almacenado el café para

salir finalmente por los orificios de la pared cilíndrica que contiene el café y

finalmente es evacuado por el ducto formado entre los dos cascarones cilíndricos.

(Ver Figura 28), El aire expulsado de este sistema puede ser utilizado como

oreador.

Figura 28. Vista del flujo de aire en el horno

67

7.1.1. Esquema Del Diseño Del Horno. A partir de las características del café y

la capacidad de secado se calcula la dimensión amientos y cálculos térmicos del

horno de acuerdo a la Figura 29:

Figura 29. Estrategia de Diseño del horno

En la Figura 30 se muestra el sistema de horno a diseñar. La primera etapa

consiste en calcular la dimensiones del cilindro que va a contener el café, calcular

Datos de entrada Densidad del café.

Peso a secar. Humedad inicial

Dimensiones del cilindro que contiene el café

“Horno”

Calculo del flujo de aire para secar el café

Calculo de perdidas de calor en las superficies del horno por transferencias de

calor

Calculo de la energía necesaria para calentar todo el sistema:

Materiales del horno aire circulante

Análisis del tiempo en el que se desea secar y verificación del flujo

de aire

68

del flujo de aire dentro del horno, calculo del calor necesario para llevar todo el

sistema a una temperatura adecuada para el secado del café (50 ºC). Con esta

información ya se pasa a una segunda etapa de calcular el hornillo de combustión.

Figura 30. Horno Cilíndrico Contenedor de Café

Los parámetros iniciales para el diseño del horno se basan en: el peso del café a

secar, la humedad inicial que contiene el grano de café, y la humedad final a que

se pretende llegar con el secado y las condiciones ambientales.

7.1.2. Parámetros Iniciales:

Cantidad de café a secar 40 arrobas = 500 Kg

Humedad inicial del café 60 %

Humedad final café requerida 11 %

Densidad del café seco 0.357 3dmkg

Densidad del café húmedo 0.8173 3dmkg

Contenido de agua = Kg 300100

% 60 secara café de Cantidad

69

Peso del café seco = Kg 200100

secara café de CantidadInicial Humedad100

Humedad en el café seco= Kg. 24,7

requerida final Humedad-100 secocafé del Peso-requerida final Humedad

Humedad a extraer del café= Kg. 275,3 secocafé el en Humedad-agua de Contenido

Temperatura ambiente: 25 ºC

Dimensiones Del Cilindro Las dimensiones del cilindro se realizan teniendo en

cuenta la densidad del café

Densidad = Masa / volumen

Volumen = Masa / densidad café húmedo

Volumen del café seco 3

3

6128173.0

500 dm

dmkgkgVcafe

Tabulación de varias dimensiones que puede tener el cilindro

A=área; t =espesor; l =longitud; cilindroV =Volumen del cilindro contenedor de café

Carga=es el % de carga del cilindro contenedlo de café

4

2 22 tA extext

ext

cafeVl

1000

2

4ext

cilindrolV

Los parámetros para escoger el cilindro:

Que no sea muy grande y sea maniobrable.

70

Si el volumen del cilindro es menor el ventilador es de menos caudal flujo

másico donde se puede economizar energía.

Necesitamos que el volumen del Café húmedo ocupe un 89% del volumen del

cilindro para que este pueda tener movimiento dentro del tanque

En la Tabla 4. Las Dimensiones tentativas del Cilindro.

Tabla 4. De Posibles Dimensiones del Cilindro

# Día Ext. Diá. de tubería Área Long Vol. cilindro [m] [m] [m2] Mt [m3] 1 0,75 0,320 0,3614 1,91 0,691 2 0,8 0,320 0,4222 1,64 0,691 3 0,85 0,320 0,4870 1,42 0,691 4 0,9 0,320 0,5557 1,24 0,691 5 0,95 0,320 0,6284 1,10 0,691 6 1 0,320 0,7050 0,98 0,691 7 1,05 0,320 0,7855 0,88 0,691 8 1,1 0,320 0,8699 0,79 0,691 9 1,15 0,320 0,9583 0,72 0,691

10 1,2 0,320 1,0505 0,66 0,691 11 1,25 0,320 1,1468 0,60 0,691 12 1,3 0,320 1,2469 0,55 0,691 13 1,35 0,320 1,3510 0,51 0,691

Dimensiones Del Cilindro Interior. Teniendo los anteriores aspectos y la Tabla 4

donde se puede observar las diferentes dimensiones que puede tener el cilindro.

De acuerdo a la mejor selección se considero tener para el diseño del cilindro

interior que es perforado, las siguientes dimensiones que se pueden observar en

la Tabla 5.

71

Tabla 5 dimensiones del cilindro Interior seleccionado

# ext

[m] t

[m] A

[m2] l

[m] cilindroV

[m3] 5 0,956 0,32 0,6397 1,106 0,795

Dimensiones Del Cilindro Exterior. Como hay que considerar un espacio a todo

alrededor para el cilindro interior que es contenido por un cilindro exterior como se

puede ver en la Figura 31 y observar las dimensiones del cilindro exterior en la

Tabla 6.

Espacio entre los dos cilindros exterior e interior al cual llamamos espacio nulo del

cilindro contenedor de café 0,05 m.

Tabla 6. Dimensiones del cilindro exterior seleccionado

ext [m]

t [m]

A [m2]

l [m]

cilindroV [m3]

1,05635 0,8764 1,2 1,057

7.1.3. Calculo de la Necesidad de Calor para Calentar el Sistema. En el

cilindro contenedor de café se tienen dos cilindros uno interior perforado y un

cilindro exterior donde en la parte nula viaja el aire caliente, para no dejar escapar

el calor se desea aislar el aire caliente para evitar la perdida de energía y proteger

a la gente contra las quemaduras, es decir el aislante estará ubicado en el cilindro

exterior y tendrá una lamina de aluminio para cubrir la apariencia del aislante. En

la Tabla 7 se observan las características conductivas de calor y densidad del

material. El aislamiento seleccionado es poliuretano expandido.

72

Tabla 7. Características conductivas de los diferentes materiales que esta

compuesto el contenedor de café

Densidad K Cp Elemento

Material

3mkg Km

W2 KKg

J

Material del cilindro Acero

Inoxidable 7833 50 465

Material aislante Poliuretano expandido 10 0,043

Material exterior cilindro

Acero Inoxidable 7833 50 465

Resistencia Térmica para un cilindro hueco largo

Resistencia térmica =cilindro

ext

lkrr

2

lnint

Se puede decir que la resistencia de la tubería es demasiado pequeña y por tanto

la conductividad térmica del material del cilindro acero inoxidable es grande y

intln rrext es pequeño. De esta manera la caída de temperatura a través de las

paredes del cilindro será muy pequeña.

Donde el calor total a través de las paredes es total

ext

rTTq

int

Los datos de temperatura de trabajo del horno nunca podrán exceder de 50ºC

debido a que se degrada la almendra del café, perdiendo calidad, sabor y aroma,

quedando este en una baja calidad de producto. Se asume la temperatura

exterior de 25ºC para trabajar en clima templado. Las condiciones son las

siguientes:

73

Temperatura máxima de trabajo del sistema:

Temperatura en el Interior: 50 ºC

Se asume esta temperatura para trabajar en clima templado:

Temperatura exterior: 25 ºC

Longitud del cilindro: 1.2 m

trrext int

mmmrext 5515.00015.055.0

En la Tabla 8. Aparece el cálculo de las resistencias térmicas de cada cilindro y

potencia disipada.

Tabla 8. Cálculo de las resistencias térmicas de cada cilindro y potencia disipada

7.1.4. Calculo de la transferencia del calor a través de las paredes o tapas

laterales. Se necesita saber cual es la tasa a la cual se transfiere energía

térmica, que se esta transfiriendo entre un sistema y sus alrededores y los

mecanismos responsable de la transferencia ver Tabla 9 donde esta la resistencia

térmica de los materiales. Los diferentes elementos en que esta compuesto en

cilindro contenedor de Café se aprecia en la Figura 31.

Material extr intr t int

lnrrext Resistencia

térmica q total cilindro

m m m wk w

Acero Inoxidable 0,53135 0,528175 0,003175 0,00599 1,5813E-05 Poliuretano expandido 0,57135 0,53135 0,04 0,07258 0,22268183

Acero Inoxidable 0,57285 0,57135 0,0015 0,00262 6,918E-06

112,3

74

Se calcula la resistencia térmica de cada material

Resistencia térmica = kArea

paredEspesor

Donde el calor total a través de las paredes y tapas es:

total

ext

rTTq

int

Área superficial de la tapa = 22max 031.1 mr

Tabla 9. Cálculos de las resistencias térmicas de los dos círculos y potencia disipada

Espesor pared Resistencia térmica q total de 2 tapas Material

m wk w

Acero Inoxidable 0,003175 6,15945E-05 Poliuretano expandido 0,04 0,90291843 Acero Inoxidable 0,0015 2,90998E-05

55,4

Figura 31. Cilindro contenedor de Café para ilustrar los diferentes elementos por los

que esta compuesto

Perdida de calor a través de las paredes:

wqq tapascilindro 7.167

Energía que pierde a través de las paredes del horno: juliosQ ciatransferen 91.603588

75

7.1.5. Análisis del comportamiento de la potencia de disipación térmica de

acuerdo al espesor de la pared.

Poliuretano Expandido Como Aislante Térmico. La capacidad de aislamiento

térmico de un material está definida por su coeficiente de conductividad térmica, al

igual que las propiedades mecánicas, con la densidad aparente. Realizar el

cálculo apropiado del aislamiento térmico nos dará un mejor aprovechamiento de

la energía térmica. El material Poliuretano Expandido standard que se utiliza

habitualmente para el aislamiento térmico tiene la densidad media aparente de 10

kg/m3, es auto extinguible y la conductividad térmica para la densidad media

aparente de: 10 Kg/m3 es de 0,043 W/m K.

La selección del espesor del aislante térmico se obtuvo por tabulación al realizar

varios cálculos y determinar cual seria la mejor alternativa aislante donde se

pierda menos calor a través de las paredes del horno. En la Tabla 10 y figura 32

se muestra la curva de perdida de calor vs. espesor del aislamiento. Con un

espesor de aislamiento de 4 cm se estaría conservando el 90% de calor que

podría disipar el cilindro sin aislamiento (ver Tabla 11).

Tabla 10.Espesor de aislamiento vs. la perdida de calor

Espesor aislamiento Poliuretano expandido Potencia disipada cm W %

10 75 5,90 8 90,6 7,12 6 116,8 9,18 5 137,7 10,83 4 169,2 13,30 2 326,7 25,68 1 641,9 50,46

0,5 1272 100,00

76

Figura 32.La grafica de la tabulación

Curva de disipacion termica

75 90,6 116,8137,7169,2326,7

641,9

1272

0200400600800

100012001400

10 8 6 5 4 2 1 0,5

Espesor

Vatio

s di

sipa

dos

Tabla 11. Datos aislamiento de 4cm.

El espesor del aislamiento térmico del cilindro, tomado para el diseño es de 4 cm

de Poliuretano expandido por ser un buen material aislante adicionalmente resiste

temperaturas hasta 100ºC y la máquina diseñada no sobrepasa 50ºC, también es

un material que no tiene degradación y no adsorbe humedad por lo cual no se

perjudicará el producto.

7.1.6. Calculo de la Energía para Calentar el Recipiente que Contiene Café.

Se muestra en la Tabla 12 las medidas de los elementos, espesor y longitud para

el calculo del volumen; con base en el volumen y la densidad de cada material se

calcula la masa de cada elemento, para determinar la masa total del cilindro

contenedor de café con el fin de saber cual es la potencia necesaria para calentar

el material. La masa total calculada de los cilindros y árbol es de kg5.346

Espesor aislamiento Poliuretano expandido Potencia disipada % 4 167,7 13,31

77

Tabla 12. Medidas de elementos del horno

Diámetro exterior Área Longitud Espesor Volumen Masa Elementos

m 2m mm 3dm kg Cilindro interior perforado 0,956 3,32 1,1 3,175 10,55 82,67 Tapa lateral perforada 0,956 0,72 3,175 4,56 35,73 Cilindro exterior 1,056 4,00 1,2 3,175 12,71 99,57 Tapas lateral 1,056 0,88 3,175 5,57 43,59 Cilindro interior difusor de aire 0,226 0,82 1,156 3,175 2,61 20,45 Eje en acero 0,0762 0,0046 1,806 8,24 64,53

Es necesario saber cual es la energía que absorbe la estructura del cilindro

rotativo que esta compuesta de dos cilindros interior fabricados en acero

inoxidable, más el árbol central que soporta el peso. Para calcular la energía

necesaria para aumentar la temperatura de kg5.346 de material desde 25ºC a

50ºC se debe utilizar la siguiente formula:

TCmasaQ p

CT º25

JQ

CkgJkgQ

6.4028493

º254655.346

La energía térmica transferida es de J6.4028493 para calentar el material de la

estructura del cilindro rotativo contenedor de café.

La transferencia de energía térmica es la forma de transferencia de energía que

ocurre como consecuencia de una diferencia de temperatura en nuestro caso

llevar la temperatura ambiente que es la que esta en su estado inicial y elevarla

78

hasta los 50ºC que es la temperatura en la cual se permite secar el café. La

capacidad calorífica del material la necesitamos para saber cual es la cantidad de

energía térmica necesaria para elevar la temperatura del material en un grado

Celsius. La energía térmica necesaria para cambiar la temperatura de la estructura

del cilindro rotativo es CT º25 .

7.1.7. Calculo de la energía necesaria para calentar el flujo de aire que

circula en el interior del sistema. Para calcular la energía requerida es

necesario conocer la masa de aire dentro del horno, esta se calcula por medio del

volumen del cilindro y la densidad del aire, de la siguiente manera:

vilindroV =Volumen del cilindro

airevilindroVmasa

Luego de conocer la masa se calcula el calor para calentar el aire aireQ .

TCpmasaQ aireaire

Los datos del calor específico del aire Cp y la densidad del aire se pueden

observar al ver en la Tabla 13 y si es necesario se interpola los datos (Tabla 14,

Tabla 15).

79

Tabla 13. Propiedades térmicas y densidad del aire

T Cp

Cº

KKg

J

3mkg

0 1011 1,252 20 1012 1,164 40 1014 1,092 60 1017 1,025 80 1019 0,968

100 1022 0,916 300 1035 0,723 350 1047 0,596 400 1059 0,508 500 1076 0,442

1000 1139 0,268

Temperatura ambiente o exterior 25°C

Volumen aire dentro del cilindro contenedor de café 306.1 m aire

Tabla 14. Interpolación densidad

Interpolación para hallar densidad 20 1,164 2 50 1,200 40 1,092 3

Tabla 15. Interpolación de la capacidad calorífica

Interpolación para hallar Cp 40 1014 3

50,0 1016 60 1017 4

Densidad del aire a temperatura máxima 3200.1max m

kgtaire

Masa de aire = cilindroelenaireaire V Kg269.1

80

Temperatura máxima dentro del horno CT º50max

Capacidad calorífica del aire kkgJCpaire 1016

La energía necesaria para calentar el aire dentro del cilindro contenedor de café –

horno es:

JTCpmq 5.32210

7.1.8. Calculo de la energía para calentar el café y evaporar la humedad. Es

importante conocer que el grano de café no puede conservarse almacenado si no

está seco y este es el fin del proyecto diseñar una máquina que seque el café por

esta razón se debe determinar cuándo un grano se considera "seco". Como

término general, para el café una humedad del 10-12% se considera el límite para

estimarlo como "seco".

Para cumplir con esta condición del contenido de humedad final se debe calcular

el balance de energía y para ello es necesario conocer el peso del agua que

queda en el producto aguaP , peso total del café húmedo Pmh y humedad final del

producto fH .

Fórmula para calcular el balance de energía.

f

fiagua H

HHPmhP

100

Donde:

aguaP = Peso del agua que contiene el café

Pmh = Peso total del café húmedo

81

iH = Humedad inicial del café

fH = Humedad final del producto

kgPagua 3.275

111001160500

Temperatura de secado Cº50

El calor necesario es:

Q = latentecalorevaporadaaagua Lmasa

Humedad del café final que se desea %11fH que equivalga al contenido de

humedad que debe tener el café seco.

Para hallar la energía necesaria para evaporar la húmeda del grano de café se

debe calcular el Calor latente (L) de vaporización de café que indica exactamente

la cantidad de calor necesaria para evaporar el agua contenida en el grano (Tabla

16), esta depende de la temperatura y la humedad del producto; la formula es

emperica obtenida por Cenicafé.

Calor latente de vaporización del café pergamino [Ecuación Calor latente de

vaporización del café pergamino, Empírica realizada por Cenicafé].

100044408.11495.24.2502 10050.21

sec

deseadaH

adoTL

Donde:

L= Calor latente de vaporización del café pergamino,

kgkJ

adoTsec = Temperatura, (grados centígrados) M = Contenido de humedad del café, (decimal, base seca)

82

Tabla 16. Humedad del café a extraer.

Masa L Q MATERIAL kg

kgJ J

Húmeda del café a extraer 275,3 2700187 743310035

La energía necesaria para evaporar la humedad del café se puede por medio de la

expresión encontrada para calcular el calor específico del café.

Ecuación 1. Calor específico del café

1000100

.7859.53556.1

sHbcs

Kkg

JcafedelEspecificoCalorcs º

Calor especifico KkgJcs º1992

Calor necesario para calentar el café = TcM scafe

Calor necesario para calentar el café = J5.24900612

7.1.9. Energía total del sistema. Se debe conocer el calor total necesario en el

cilindro contenedor de café- horno, por medio de la ecuación de balance térmico

se debe tener en cuenta la energía necesaria par calentar el aire dentro del

cilindro, la energía para extraer la humedad del café, la energía para calentar las

paredes del cilindro.

Tiempo estimado en secar el café es adotiemposec = h0.18

Formulas Generales:

• Calor necesario por hora para evaporar la humedad el café=ado

Total

tiempoQ

sec

83

• Calor total necesario para elevar la temperatura Q total

cafeelcalentarextraeracafedelHumedadTotal QQQ

• Energía total que requiere el sistema es:

TotaluevoaireairemasamaterialciatransferensistemadelTotal QQQQQQ

En la Tabla 17 se muestran los cálculos para la energía total del sistema y en la Tabla 18 se muestra energía de cada sistema.

Tabla 17. Datos cálculos para la energía total del sistema

DATOS CALCULADOS Calor total necesario para elevar la temperatura

cafeelcalentarextraeracafedelHumedadTotal QQQ J768210647

Calor necesario por hora para evaporar la humedad ado

Total

tiempoQ

sec

hJ42678369

Energía total que requiere el sistema

Totaluevoaireairemasamaterialciatransferen QQQQQ J772874799

Tabla 18. Energía de cada sistema

La potencia necesaria del Quemador o calentador que se requiere para todo el

sistema es de KJKW 4734315.13

Energía Potencia Porcentaje MATERIALES A CALENTAR J W Energía a transferencia pared del horno 603589 168 1,275 Energía en calentar material del horno 4028494 1119 8,509 Energía en calentar el aire del horno 32210 9 0,068 Energía en calentar el aire reposición 0 0 0,0 Energía para la Húmeda del café 42678369 11855 90,1 Total 47342662 13151 100,0

84

7.1.10. Análisis energético. En la Tabla 19 se puede observar que gran parte

de energía esta dirigida a evaporar el agua, lo que indica que la eficiencia del

sistema y de los aislamiento térmicos utilizados es de 90.1%.

Tabla 19. Necesidad del horno de acuerdo al tiempo de secado 18 horas

Energía Potencia Porcentaje MATERIALES A CALENTAR J W Energía a transferencia pared del horno 10864600 3018 1,39 Energía en calentar material del horno 4028352 1119 0,51 Energía en calentar el aire del horno 32210 9 0,00 Energía en calentar el aire reposición 0 0 0,00 Energía para la Húmeda del café 768210647 213392 98,09

Energía total en hora 783135810 217538 100,0

Energía necesaria que se necesita por hora 43507545 Julios=43508 KJulios para

calentar el sistema total del cilindro contenedor de café-horno.

7.1.11. Calculo de Flujo de Aire por Transferencia de Calor.

Tomando:

Densidad = 3200.1 mkg

kgkJ

KkgJ

CpCp aire 016.11000

1016

1000

T = CCC º25º25º50

TCpMasaQaire

TCpaireFlujoQ airwaire

Flujo de aire = CKgKJ

mkgKJ º25016,1120043508 3

85

Flujo de aire = hm 1428,12

3

Energía que maneja el aire = TCpairedeFlujo aire

Energía que maneja el aire = kJ43508

7.1.12. Calculo de Flujo de Aire y Dimensión de Tubería. Conocida la

cantidad de agua a evaporar y calculado el consumo energético, es importante

determinar la cantidad de aire para transportar la cantidad de calor ya establecida

sin superar una temperatura de trabajo prefijada. Tomando el flujo de aire

constante, se determina el caudal por la ecuación de Foster

Caudal min3m = consumo energético

17T

hkcal

Donde:

17: constante de Foster

T : Diferencia entre la temperatura del aire de secado y la temperatura ambiente

Caudal min3m = min

3m24,45

Caudal hm3

= hm1467

3

Las velocidades recomendadas en los diseños para transportar aire son de 5 m/s

o 1000 cfm para evitar altas pérdidas de presión y generación de sonidos

perturbadores. De acuerdo a esto se tiene (ver Tabla 20, Tabla 21):

Velocidad máxima de aire recomendada dentro de tuberías 1000 inFt

Área de Tubería =60airevelocidad

Airedeflujo

86

Área de Tubería = 2

3

08.06008.5

min53.24m

sm

m

Diámetro = mm

320.04min50.24

3

El conocimiento de este dato permite seleccionar el tamaño del ventilador a

utilizar.

Tabla 20. Condiciones del flujo de aire Sistema de unidades SI

Flujo de aire Velocidad aire Área de tubería Diámetro

min3m sm 2m m

24,50 5,08 0,08 0,320

Tabla 21. Condiciones del flujo de aire Sistema Ingles de unidades

Flujo de aire Velocidad aire Área de tubería Diámetro cfm

minft 2ft ft

865,2 1000 0,8662 1,050

De acuerdo a lo anterior el ventilado debe tener un caudal como mínimo de 1667

hm3

o 980 cfm y el diámetro de tubería es de 0.345 m .

Luego se calculara las perdidas por fricción en la tubería en la sección de “Calculo

perdidas de presión en tubería”

7.1.13. Calculo de Perdidas de Presión en el Ducto. En este sistema se

escoge un ducto transmisor de aire, que va desde el ventilador hasta el cilindro

87

contenedor de café, se utiliza un sistema de distribución de alta velocidad, que

proporcione velocidades y presiones mayores, aportando así una buena

distribución de aire caliente dentro del hornillo. Para tal fin se tiene en cuenta

algunas restricciones establecidas en diseño de tuberías, como:

espacio disponible

perdidas de presión por rozamiento

velocidad

nivel de ruido

perdidas o ganancias de calor

fugas

En el siguiente análisis se contemplará las perdidas o ganancias de presión en la

línea de distribución de aire, a través del hornillo y del ducto, por el cual atraviesa.

7.1.14. Pérdida por Rozamiento en el Ventilador. En la Tabla 22 se toman

algunos datos ya calculados

Tabla 22. Datos del ducto.

DATOS DEL DUCTO Ductodel.. m32,0

Espesor mm1 ....min CalibreaceroenaLa 20#

airedelcaudalQ ... hm31428 = sm339666.0

Calculando la velocidad de descarga de aire del ventilador dentro de la tubería:

AVQ

88

AQV

2

3

08042.0

39666.0

ms

mV

smV 932.4

Ahora se halla la pérdida de carga por unidad de longitud, de la cual se manejan

los datos de velocidad y caudal de aire, ubicamos de la Figura 33 se obtiene una

perdida de carga por rozamiento en el conducto de OmmH 20825,0 por cada metro

de longitud equivalente.

Perdida por rozamiento en el ventilador = OmmH 20825,0

89

Figura 33.pérdidas por rozamiento en conductos Redondos.

7.1.15. Pérdida por Rozamiento en Accesorios (Codos).

Selección de codo: Se presentan perdidas de carga en elementos del conducto

tales como codos. Tales codos se dividen en diferentes tipos: Codos rectangulares

y Codos circulares. En el sistema del ducto utilizará un codo circular. Para que

90

haya una mínima perdida de carga o caída de presión en el codo, al tiempo que se

espera reducir el ruido producido por la presión al paso en el tubo se elige un codo

de 90º de 5 piezas. Tomando una relación de codo de 90º de 1,5 (Manual de aire

acondicionado. Perdida por Rozamiento en conducto redondo de 1,5 (Carrier

Conditioning Company. Editorial Marcombo Pág. 2-38). D: Diámetro del ducto =

32cm

5,132

r

Dr

r: Radio de curvatura del codo 48 cm

Con los datos anteriores se halla la perdida en el codo de la Tabla 23. Rozamiento

en Codos Sección Circular.

Tabla 23. Rozamiento en Codos Sección Circular.

unidadmrozamientoporPerdida 84.3..

91

Se halla la perdida de carga total en el conducto desde el ventilador a la tubería y

sus acoplamientos.

Longitud total de la tubería: mTubo 5,1.1

En este sistema de distribución de aire se utilizan tres codos entonces la longitud

equivalente de los acoples (Figura 34) es:

mUnidadmCodos 52,1184,3.3

La longitud total de sistema de distribución de aire es: mTotalLong 02,13.

Con datos anteriores se calcula la perdida de carga debido a la fricción.

OmmHmOmmHmFriccionporPerdida 22 074,10825,002,13..

Figura 34. Sistema de distribución del aire

7.1.16. Perdida de Presión Debido al cambio de Sección del Ducto.

Además de la perdida de carga en conductos encontrada anteriormente, debe

tenerse en cuenta la perdida ocasionada por el cambio de sección redonda a

rectangular a la entrada del ventilador.

1,5m

92

Figura 35. (1) Boca del Ventilador; (2) Transformación de sección redonda a

rectangular a la entrada del ventilador.

(1) (2)

El área del conducto del ventilador es:

2036455,0115.0317,0 mmmArea

La velocidad de salida de aire del ventilador es:

sm

ms

m

AQV 88,10

036485,0

39666,02

3

Comparando la velocidad de descarga y la del conducto:

88,10932,4

Como la velocidad de descarga del ventilador es mayor que la del conducto,

entonces hay un aumento de presión estática, por lo cual se debe utilizar la

formula de aumento de presión estática:

22

7.2424.24275.0 VelVfGanancia

22

7.242min60932.4

4.242min6088.10

75.0mm

Ganancia

OmmHGanancia 23217.4

93

La presión estática total en la tubería será:

Presión Estática en la Tubería OmmHOmmHmmCa 22 247.33217.4074.1

Nota: La presión estática favorece el desempeño del equipo (a Favor).

7.1.17. Calculo de Perdida de Presión en el Hornillo. En la figura 36 se

aprecia la distribución de las diferentes partes del hornillo a analizar. Hallando la

velocidad en cada uno de los elementos que componen el hornillo, en cada uno se

tendrá en cuenta el caudal, dado en la tabla.

A. Entrada del hornillo (Tabla 24).

Tabla 24. Datos de entrada del hornillo.

DATOS DE ENTRADA = hornillodeEntradam ....239.0 A = 204486.0 m Q =

sm3

3966.0

Ahora la velocidad de entrada es:

AQV s

mV 84.8

B. Parte nula. Ver ( Figura 36, Figura 37).

94

Figura 36. Distribución geométrica del intercambiador

Figura 37. Parte Nula.

Área Transversal entre los Parte nula (aletas circunferenciales). 22 057072.0116.0492.0 mmmA

2114144.02 mATotal

smaireVel 4745.3..

Parte Nula

Parte Nula

0,116m

0,492m

0,492m

95

C. Área transversal (Figura 37, Figura 38)

Figura 38. Vista Frontal superior del anillo separador.

2222

1045.436070

4mArea IntExt

smaireVel 9123.8.

D. Intercambiador. Ver (Figura 39, Figura 36 y tabla 25)

Figura 39. Vista Frontal de la zona de los tubos del intercambiador

Tabla 25. Datos del intercambiador

Datos Tubos.

"411 = 0.03175m

aleta mm70 Espesor mm15.0

aletasdeN ..º cm

Aleta215.3

Área (lugar por donde va a pasar el calor)

m744,0 m512,0

70º

0,486m

0,28m

96

Hallando el área transversal del intercambiador.

Longitud de un tubo = m486.0

Son tres tubos, entonces: mm 458.13486.0

Área de tubos

TubosTuboslong .. = 20462.003175.0458.1 mmm

Área de las aletas.

tuboespesoraletadealetacadadeespesorTuboslong ....... 2004922.000015.0070.0215.38.145 mmm

cmaletacm

Ahora la suma de las áreas de tubo mas las aletas da: 222 04891.004398.0004922.0 mmm

Hallando el área efectiva del intercambiador:

Área efectiva = mm 486.028.0

Área efectiva = 0.0871m2

Por lo tanto la velocidad del aire es smaireVel 55.4.

Salida al sistema del ducto

= 0.32m

A = 0.0804m2

E. V = sm93.4

97

7.1.18. Selección de Elementos Encontrados Dentro del Hornillo. A

continuación se escoge y aproxima geométricamente los elementos encontrados

dentro del hornillo con elementos de las Tabla 26, Tabla 27 y Tabla 28

Figura 40 Indicación de Aproximación de elementos dentro del hornillo.

Con los datos anteriores se aplica las formulas de perdidas y ganancias de

acuerdo a la forma escogida de elemento situado a la corriente de aire.

Ventilador A Entrada Al Hornillo. De la (Tabla 26. Rozamiento en los elementos

de un sistema de conductos rectangulares.) Escogemos el rozamiento de un

sistema de ductos rectangulares el accesorio seleccionado de acuerdo a nuestra

necesidad.

98

Tabla 26. Rozamiento en los elementos de un sistema de conductos rectangulares.

El elemento a seleccionar fue: Expansión.

Para este caso se toma la velocidad del ventilador y la velocidad a la entrada del

hornillo.

99

Datos:

V1Ventilador = sm88.10

V2 hornilloalEntrada .. = sm84.8

Por medio de estos factores de velocidad y el ángulo tomado se puede hallar el

valor de n que seleccionamos en la (Tabla 26. Rozamiento en los elementos de

un sistema de conductos rectangulares.).

8125.021

VV

Angulo tomado: º33

Teniendo estos valores anteriores el valor es n =0.24

La Ganancia de recuperación que permite el seleccionar este elemento por tabla

Donde ganancia es igual a 21 hvhvnGanancias

El valor n es el número representativo de la presión dinámica, perdida de presión

dinámica o ganancia de velocidad en el accesorio, y puede ser convertida en

longitud adicional equivalente del conducto.

Vh Presión dinámica para 1V o 2V , acmm .

n Valor para un determinado accesorio.

Factor de velocidad. Según (Tabla 19)

n =0.24

100

Se escoge la presión dinámica, según el dato de velocidad. Ver (Tabla 27).

Tabla 27. Presiones dinámicas.

Presión dinámica hv

1hv = 7.5 OHmm 2.

2hv = 5 OHmm 2.

Entonces

55.724.0 Ganancias

OmmHGanancias 26.0

101

Tabla 28.Rozamiento en los elementos de un sistema de conductos rectangulares.

Entrada Hornillo a la Parte Nula del Hornillo. Se escoge el ducto de Expansión

abrupta. Ver (Tabla 26)

Datos:

102

V1 hornilloalentrada .. = sm84.8

V2 hornillodelNulaParteSalida .... = sm4745.3

De aquí en adelante se procede de igual forma que en el caso anterior.

4.0393.01

2 VV

De la Tabla 26. Rozamiento en los elementos de un sistema de conductos

rectangulares., se obtiene: 1hVnGanancia

De la Tabla 27. Presiones dinámicas., se obtiene:

1hv = 5 OHmm 2.

514.0 Ganancia OHmm 2.

OmmHGanancia 27.0

7.1.19. Salida de Parte Nula al Intercambiador. A continuación se hallan las

Perdidas o Ganancias entre la parte nula del cilindro y la salida del hornillo (Ver

Figura 36). Para esto se compara un accesorio en este caso un codo de radio de

sección rectangular para llevar el aire hacia la tubería. De la Tabla 28.Rozamiento

en los elementos de un sistema de conductos rectangulares., se seleccionamos el

Codo de radio de sección rectangular. Hallando el tramo del ducto que se

distribuye como reaprecia en la Figura 41.

103

Figura 41. Vista de la parte nula del cilindro

483.8

116.0492.02

DW

707.2116.0314.0

DR

De (Tabla 28.Rozamiento en los elementos de un sistema de conductos

rectangulares.) se obtiene:

36DW Y 5.1

DR 7

Para tres secciones de estas que se distribuyen en todo el hornillo se tiene:

mm 2173

Calculando las pérdidas de fricción en parte nula del cilindro (Figura 42), como se

tiene un tramo del Ducto de 21m, se tomaran como base los siguientes datos:

V1 hornillodelNulaParte ... = sm4745.3

104

Q airedelcaudalQ ... = sm3

3966.0

Area = 211392.0 m

4

A m38.0

Figura 42. Vista transversal de la parte nula del cilindro.

Con el dato de velocidad y caudal de aire, se va a la Figura 33, se obtiene:

Perdidas por fricción = 0.03 OHmm 2.

Ahora hallando la pérdida total donde esta es igual a la longitud del ducto, por la

pérdida unitaria.

Perdidas = friccióndePerdidasL .. =m

OmmHm 203.021

Perdidas a lo largo del ducto = OmmH 263.0

Como la velocidad del ducto es menor que la velocidad del ventilador, por lo tanto

se presenta una ganancia.

smVs

mV VentiladorDucto 88.10474.3

Aplicando la formula de ganancia:

105

22

4.2424.24275.0 DuctoF VVGanancia

22

4.24247.208

4.2428.65275.0

OmmHGanancia 28847.4

Para la Parte Nula del Hornillo a Anillo Separador, de la Tabla 26, se selecciona

contracción abrupta.

Analizando para un Anillo (Restricción: escogemos este tipo de elemento debido al

cambio de velocidad debido al cambio de las áreas), los datos son:

V1 hornillodelnulaParteEntrada .... = sm4745.3

V2 separadoranilloSalida .. = sm9123.8

Por tanto: 3898.02

1 VV

En este tipo de elemento se presenta pérdida, en donde la pérdida para este tipo

de elementos según la Tabla 26, es por interpolación: = 0.33

De la Tabla 27 se obtiene la presión dinámica, por tanto:

2hv = 5 OHmm 2.

2hVPerdida 533.0 OHmm 2.

OmmHPerdida 265.1

Existen dos anillos, por lo cual:

OmmHPerdida 265.12 OmmHPerdida 23.3

Para la Parte Nula del Hornillo a Intercambiador, de la Tabla 26, se selecciona

contracción abrupta, los datos son:

106

V1 hornillodelNulaParte ... = sm4745.3

V2 rercambiadoalEntrada int.. = sm55.4

Por tanto: 7636.02

1 VV

En este tipo de elemento se presenta pérdida, en donde la perdida para este tipo

de elementos según la Tabla 26 es igual.

De La Tabla 26 75.02

1 VV 15.0n

De la Tabla 27 de presiones dinámicas, se obtiene:

2hv = 1.25 OHmm 2.

Por tanto:

Perdidas= 2nhV = 25.115.0 OHmm 2.

Perdidas= OmmH 21875.0

Para el Intercambiador a la Salida del Cilindro, de la Tabla 26, se selecciona

contracción abrupta, los datos son:

V1 hornillodelNulaParte ... = sm4745.3

V2 cilindrodelSalida .. = sm93.4

Por tanto: 7046.02

1 VV

107

De La Tabla 26 75.02

1 VV 15.0n

De la Tabla 27 de presiones dinámicas, se obtiene:

2hv = 1.5 OHmm 2.

Por tanto: Perdida = 2nhV = 5.115.0 OHmm 2.

Perdida = OmmH 2225.0

7.1.20. Presión Estática. Ahora sumando las ganancias y pérdidas

anteriormente calculadas (Tabla 29) se sabrá si se tiene una presión estática a

favor o en contra.

Tabla 29. Presiones Calculadas

1 Ventilador a entrada hornillo Ganancia 0.6 OmmH 2 2 Entrada hornillo a la parte nula del hornillo Ganancia 0.7 OmmH 2

Perdida 0.63 OmmH 2 3 Salida parte nula al intercambiador Ganancia 4.8847 OmmH 2

4 Parte nula del hornillo a anillo separador Perdida 3.3 OmmH 2 5 Parte nula del hornillo a intercambiador Perdida 0.1875 OmmH 2 6 Intercambiador a salida del cilindro Perdida 0.225 OmmH 2

OmmHOmmHOmmHOmmHOmmHOmmHOmmHTotal

2

222222

225.01875.03.38847.463.07.06.0

OmmHTotal 28457.1 Por lo cual se tiene una presión Estática a favor.

108

7.1.21. Diseño del Hornillo. En la Figura 43 se puede apreciar el Diseño de

Hornillo que se realizó.

Figura 43. Diseño Hornillo

Esta secadora está compuesta por una columna cilíndrica vertical, formada por la

unión de tres secciones cilíndricas circulares y una de ellas, la inferior, se halla

totalmente perforada con agujeros circulares, la cual es el cenicero. Internamente

y en forma concéntrica a esta sección cilíndrica perforada, se encuentra un cilindro

que esta rodeado en su exterior por un espiral, el cual sirve para que viaje el flujo

de calor, obligándolo a pasar a través del espacio anular que queda entre el

cilindro interno y la pared externa. En el interior de este se realizara la quema de

combustible, la punta del cilindro intermedio es decir la segunda sección se

encuentra con una perforación circular, la cual hace que los gases de combustión

salgan por los tubos que tiene el intercambiador y por ultimo al ambiente por

medio de una chimenea. La ultima sección cilíndrica tiene en un costado de la

pared externa una perforación circular para suministrar el calor a una tubería la

cual se extrae por un ventilador, en el interior de este se encuentra los tubos del

intercambiador (Ver Figura 44).

109

Figura 44. Partes del hornillo C

enic

ero

Depósito de ceniza.

Cascaron Cilíndrico

Cilin

dro

de C

alor

Li

mpi

o

Cilindro con Espiral

Cubierta para Suministro de Aire Limpio Caliente

Sum

inis

tro d

e A

ire a

la T

uber

ía

Intercambiador

7.1.22. Esquema del Diseño del Hornillo. En esta etapa (Figura 45) se parte

de la necesidad de calor y flujo de aire calculado en la primera etapa, para

comenzar calcular la cantidad de combustible (Cascarilla de Café), calcular el flujo

de aire para la combustión, calcular la dimensión del horno de combustión y

calcular el tiempo necesario para alcanzar a secar la semilla de café.

110

Figura 45. Esquema de estrategia para el diseño del hornillo

7.2. DISEÑO Y CALCULO DE HORNILLA PARA QUEMAR BIOMASA

Para realizar el cálculo de la biomasa es importante analizar los datos que

aparecen en las Tabla 30 y Tabla 31.

Análisis de diferentes tipos de combustibles de biomasa y su poder

caloríficos

Selección del combustible a utilizar

Calculo de la masa de combustible para desarrollar la energía requerida por el

sistema

Calculo de necesidad de flujo de aire para la

combustión

Dimensiones del hornillo para quemar el combustible

Calculo de intercambiador de calor “radiador” entre los gases de combustión

y aire limpio para el secado del café

Calculo del flujo de combustible y aire para combustión

111

Tabla 30. Composición química de diferentes tipos de Biomasa

Material Contenido de humedad (% b.h.)

C H N O S Cl Cenizas Total

Aserrín pino 52,49 6,24 0,15 40,45 0,03 0,04 0,6 100 Bagazo de caña 46,95 5,47 0,38 39,55 0,01 0,12 9,79 102,27 Brizna de trigo 39,07 4,77 0,58 50,17 0,08 0,37 4,96 100 Caña de azúcar 44,8 5,35 0,38 39,55 0,01 0,12 9,79 100 Carbón mineral 71,7 4,7 1,9 8,3 0,64 0,06 20,7 108 Cascarilla de arroz 38,68 5,14 0,41 37,45 0,05 0,12 18,15 100 cascarilla de café 12,00 47,2 4,6 48,1 0,12 100,02 Corteza de madera dura

50,35 5,83 0,11 39,62 0,07 0,03 3,99 100

Corteza de pino 52,3 5,8 0,29 38,76 0,03 0,01 2,9 100,09 Eucalipto 50,43 6,01 0,17 41,53 0,08 0,02 1,76 100 Fibra de coco 50,29 5,05 0,45 39,63 0,63 0,28 4,14 100,47 Madera 1 0 50,3 6,2 0,04 43,08 0 0,37 99,99 Madera 2 20 40,24 4,96 0,03 34,46 0 0,31 80 Madera 3 40 30,18 3,72 0,02 25,85 0 0,23 60 Madera dura 50,48 6,04 0,17 42,43 0,08 0,02 0,78 100 Madera Suave 52,1 6,1 0,2 39,9 1,7 100 Olote de maíz 47,79 5,64 0,44 44,71 0,01 0,21 1,2 100 Paja de arroz 39,65 4,38 0,02 35,77 0,12 0,5 18,16 98,6 Paja de maíz 46,91 5,47 0,56 42,78 0,04 0,25 3,99 100 Roble 49,89 5,98 0,21 42,57 0,05 0,01 1,29 100 Sauce 47,66 5,2 0,3 44,7 0,03 0,01 1,45 99,35 C=Carbón; H=Hidrogeno; N= Nitrógeno; O=Oxigeno; S=Azufre; Cl=Cloro.

112

Tabla 31. Poder calorífico de diferentes tipos de combustibles y biomasa

Especie Poder calorífico bruto

kgKJ 3m

KJ

Alcohol etílico 24388 Bagazo de caña 9200 13800 Biogás 17086 Caña de maíz 20 % de humedad

13400

Carbón mineral 21673 32312 Carbón mineral bismuto 14666 19322 Carbón vegetal 27450 Cascarilla de arroz 16218 cascarilla de café 17500 Cedro 18066 Ciprés 21443 Encino 19500 Eucalipto 19228 Gas de gasógeno 5200 Gas natural 29313 70641 Gasolina 44000 GLP 49000 50150 Leña 50% de humedad 8715 Leña 20% de humedad 15412 Media 19744 Olote (coronta) de maíz - 20% de humedad

15195

Olote (coronta) de maíz - 30% de humedad

13348

Petróleo diesel 47725 Pino 20482 Querosén 43091

7.2.1. Calculo de la cantidad de Biomasa para generar la energía

necesaria para calentar el horno. Se realiza el cálculo para conocer cuál es el

consumo de combustible del hornillo. El tipo de biomasa a utilizar es Cascarilla de

café la cual es aproximadamente igual a la del arroz en cuanto a su poder

calorífico. Combase en los siguientes datos se efectúa el cálculo:

6,0..... hornodelestimadaEficiencia

113

Poder calorífico café KgKJHi 17500

Qt Calor Total del Horno

1000Kjul47342521

1000calentar..mats..de.Energia

Qt julK.47343

El hornillo es el lugar donde se quema el combustible (biomasa cascarilla de café)

es donde la energía química potencial del combustible se transforma en energía

térmica, con cierta cantidad recomendada de aire en exceso. La energía liberada

se incorpora a los gases antes de salir del horno y todos los compuestos volátiles

se deben quemar antes de salir de éste pero se debe saber cual es la cantidad de

combustible que se requiere por hora.

horno..del..estimada..eficienciacalorifico..PoderQtMbiomasa

= 6,0jul.K.16720

Jul.K.47343

hKgM biomasa 5.4

La cantidad de biomasa que se requiere por hora es de: hKg5.4 .

7.2.2. Calculo de la Necesidad de Aire por Kilogramo de Masa. Se debe

calcular la necesidad de aire por kilogramo de masa para tener un control de la

combustión se debe realizar mediante un análisis de la variación en el contenido

de 2C0 de los gases de combustión, el cual varía según el exceso de aire que se

utiliza en la combustión. Por esto cuando se necesita saber el contenido de 2C0

presente en los gases de combustión. Para calcular este volumen de aire es

114

necesario saber la composición química de la biomasa que se puede observar en

la Tabla 32.

Tabla 32. Composición química de la biomasa cascarilla de café

Combustible C H N O S Cl Cenizas cascarilla de café 47,2 4,6 0 48,1 0,12 0 0

Datos:

Humedad del combustible W = 20%

Temperatura del medio ambiente 25ºC

Densidad del aire a temperatura máxima 3max_ 1200 mKg

Taire

Porcentaje de aire adicional para una buena combustión = 20%

Calculo Volumen específico del aire max............

1tempaairedelDensidadaire

Kgm83.0

mKg1200

1 3

3

aire

Masa especifica del aire Kg

m0833,0

201.

W13

aire.a.

344,1 mKg

a

Masa de aire requerida 3232412.37931,1 XoXsXhXc

aM requeridaaire

De la Tabla 32 composición química de la biomasa se tiene:

115

321,48

3212,0

46,4

122,47

44,137931,1.

3

......

mKgMasa requeridoaire

KgmMasa requeridoairede

3

...... 433,3.

Porcentaje de aire adicional para una buena combustión 20%

Cantidad de aire = bioMMa .

Cantidad de aire =

10020100

5,4433,33

hKg

Kgm

Cantidad de aire = CFMhm 116,18

3

7.2.3. Calculo de la Dimensiones del Horno para Quemar el Combustible.

Para calcular las dimensiones del hornillo donde se realizar la combustión de la

biomasa cascarilla de café, consiste en calcular la potencia necesaria para

calentar el aire, la cual esta en función de: la cantidad de aire que hay que

calentar, la masa especifica del aire, del incremento de temperatura, del calor

específico del aire y del rendimiento térmico estimado del horno.

Hay que calcular la masa de aire a calentar = Flujo de aire por densidad especifica

Tomando la Regulación de aire = 18h, Se procede a calcular:

Masa de aire a calentar: a aire de Cantidad

Masa de aire a calentar = hKg78,26m

Kg44,1hm6,18 3

3

116

De la Tabla 13 y Tabla 15 se saca la Capacidad calorífica del aire:

KkgJCpaire 1016

Eficiencia estimada del horno: =0,6

Incremento de Temperatura: CCpMa

PotenciaT

1050

Potencia del hornillo =

TCpcalentaraaireM ...

Potencia del hornillo = KJCKKg

KJh

Kg47532

6,0

º1050016,17,26

La potencia necesaria para calentar el aire es KJ47532

Se calcula la masa de combustible que se consumirá:

Consumo de Combustible = HicascarillaladeCalorificoPoder

hornillodelPotencia.........

..

Consumo de Combustible = hKJ

KgKJ

KJ 53,46,017500

47532

Tiempo en horas de secado = hKJ

KJHornilloPot

hornodeltotalCalorQt/47532

47343..

........

Tiempo en horas de secado = h00,1

117

Se calcula por un “método empírico la superficie de la parrilla y el volumen del

horno”3.

El cálculo de la superficie de la parrilla del horno se realiza en función de la tasa

de combustión que indica la cantidad de combustible que se requiere quemar por

unidad de área de la parrilla,

El volumen que se debe calcular del hornillo corresponde a la zona de combustión.

En el hornillo para la combustión de la biomasa hay dos zonas de combustión, una

es el lugar de carga del combustible y la otra zona es el lugar de combustión de

las materias volátiles es decir las cenizas.

Se calcula del área de la parrilla y el volumen del hornillo para la cascarilla de

café, con la carga dosificada por un transportador helicoidal y la parrilla plana o

cenicero, teniendo en cuenta:

Los hornos para combustibles en polvo, como la cáscara de arroz y la cáscara

de café presentan una mayor velocidad de reacción, debido a la reducción de

tamaño de las partículas. Por esta razón los hornos de combustible pulverizado se

queman en suspensión, con menor cantidad de aire en exceso (15 a 20%), lo que

permite una mayor temperatura de la llama. El tipo más simple de estos hornos es

el de parrilla inclinada con alimentación por eje giratorio con ranuras. La rotación

del eje y el tamaño de las ranuras se deben calcular de acuerdo con la cantidad de

combustible que se ha debe de quemar

3 Calentamiento de Granos [en línea]. V. A. Dalpasquale: Deposito de documentos de la FAO, 1991 X5059/S. [consultado 04 de Junio de 2006].Disponible en Internet: http://www.fao.org/docrep/x5059S/x5059S05.htm#Hornos%20para%20combustibles%20s%F3lidos.

118

La tasa de liberación de energía de estos hornos varia entre 420 y 840 Kw/m³

(100.000 a 200.000 kcal/h/m³), lo que corresponde, aproximadamente, a un

consumo de combustible de 15 a 25 kg/h/m³.4

De acuerdo a lo anterior se toman los datos de la tasa de liberación de energía,

tasa de alimentación y la tasa de transferencia superficial:

Tasa de liberación de energía = 200000KJ/m2

Tasa de alimentación Nc = 230 mhkg

Tasa de transferencia superficial = 23700 KJ / m2

Volumen del hogar = 3200000

01,47532.......

..

mKJ

KJenergiadeliberaciondeTasa

hornilloPotencia

Volumen del hogar = 324,0 m

Área de Parrillas =

230

53,5....

mHKg

hKg

NchoraporecombustiblConsumo

Área de Parrillas = 2151,0 m

Área superficie total de transferencia = erficialciaTransferendeTasa

hornilloPotenciasup....

..

Área superficie total de transferencia = 2

2

01,223700

01,47532 mm

KJKJ

4 Ibíd. , p.117

119

Diámetro Aproximado =

4151,04.. 2

mparrillasdeArea

Diámetro Aproximado = m438,0

Altura de hogar = mmm

parrillasdeAreahogarVol 58,4

151,024,0

....

2

3

Densidad cascarilla aproximada = 306.0 dmKg

Volumen Cascarilla =

306,0

53,4

......

dmKg

hKg

aproxcascarillaDensidadecombustibldeConsumo

Volumen Cascarilla = hdm3

4,75

Relación de volumen = h

dmm

cascarillaladeVolhogardelVol

3

3

4,75

100024,0...

1000..

Relación de volumen = 2,3

De esta manera ya se tiene las dimensiones del hornillo.

120

7.3. CALCULO DEL RADIADOR O INTERCAMBIADOR DE CALOR

Como propósito de acumular la transferencia de calor desde una superficie dada

hacia el medio ambiente que la radia, es ventajoso aumentar artificialmente el área

de contacto entre la superficie mencionada y el gas, adicionando delgadas laminas

metálicas del mismo material de la superficie u otro, llamadas aletas.

El análisis de la transferencia de calor con superficies extendidas se realiza para

condiciones de estado estacionario y flujo de calor unidimensional y uniforme (por

conducción) a lo largo de la aleta.

La selección de una geometría aconsejable para una aleta, requiere un

compromiso entre el costo, peso espacio utilizable y la caída de presión del medio

fluido/ gas en contacto con las aletas.

Si se tiene una superficie cualquiera, de área A, en contacto con un medio fluido o

gas, la resistencia convectiva de esta superficie será Ah1 . Al adicionar aletas

para aumentar su área de transferencia de calor por convección, al mismo tiempo

se está adicionando una mayor resistencia por conducción a la pared a la cual van

unidades las aletas, ya que el calor que se desplace por conducción tendrá que

efectuar un recorrido mas largo, puesto que solamente tendrá que pasar a través

de la pared, si no que también tiene que recorrer las aletas a lo largo de esta.

Puede suceder entonces que la adición de aletas no incremente la disipación de

calor de la forma esperada y se obtenga un aumento de transferencia de calor

muy pequeño en comparación con el tiempo, trabajo y dinero invertido.

121

Para una aleta de sección uniforme, la condición limitante puede obtenerse

derivando la rata de flujo de calor con respecto a la longitud de la aleta para los

valores dados de ,h P, A e igualando el resultado obtenido a cero. Esta

operación demuestra que puede incrementarse la transferencia de calor mediante

la adición de aletas siempre y cuando. 0.1

PkAh

En la practica sin embargo la adición de aletas se justifica solamente cuando

25.0

PkAh

Usando los valores dados para los coeficientes de transferencia de calor por

convección en la Tabla 33 como guía, se observa que las aletas efectivamente

incrementan la transferencia de calor hacia un gas o desde un gas, son menos

efectivas cuando el medio es un liquido en convección forzada, y no ofrecen

ventajas para la transferencia de calor cuando se trata de líquidos en ebullición a

vapor e condensación.

El análisis se desarrolla para una aleta circunferencial utilizada en el

intercambiador, el espesor de las aletas es uniforme ver Figura 46. Esta disipando

calor de un tubo y se calculara el calor máximo, hacia el aire ambiente, ver la

Tabla 33 para el coeficiente convectivo del aire o vapor sobrecalentado

convección forzada.

Datos Aleta circunferencial:

h Coeficiente convectivo de transferencia de calor = Ffthbtu

26.6

K Conductividad térmica del material que constituye a la aleta propuesta,

122

FfthbtuK

221

oT Temperatura en la base de la barra = Fº977

T Temperatura del aire que la rodea = Fº122

T : Fº887 Figura 46. Bosquejo de la forma de aletas circunferencial.

Tabla 33. Valores representativos coeficiente convectivo de transferencia de calor

Temperatura de la base de la aleta FCTo º977º1050

Temperatura de Los alrededores FCT º122º50

Diferencial de temperatura FT º855

El resumen de la tubería seleccionada aparece en la Tabla 34.

El calor necesario para calentar el flujo de aire para secar el café en el horno es:

horajulKQt /.47343

123

Tabla 34. Tubería Seleccionada

En la Tabla 35 se encuentran los datos seleccionados de la arandela del tubo

seleccionado (ver Anexo 4. Calibres Estándar De Tubos Para Intercambiadores).

Tabla 35. Datos Arandela

Diámetro 1,25in Arandelas por ft 98 Espesor 0,00049 ft Diámetro exterior 0,23 ft

Se justifica la adición de aletas cuando se cumple la siguiente condición:

25,0

KPAh

00008.0210472.11058.26.6 4

25,000008,0 Se justifica tener un sistema con aletas

Se requiere el radio interior 0r y exterior ir de la arandela para hallar el área.

ftArandelaExtDiametror 30,114583332

....0

No de tubos 3 Longitud 1,3 ft Tubería escogida 22 Calibre 14BWG Espesor 0,00692 ft D interior 0,09033 ft D exterior 0,10417 ft

124

ftTuberiaExtDiametror 0521,02

....1

Figura 47. Eficiencias de aletas circunferenciales de espesor constante.

Se hace un análisis para una aleta circunferencial de sección transversal

rectangular para calcular las razones de flujo de calor de la aleta.

L La longitud de aleta circunferencial. io r-r L = 0,0625 ft

cL La longitud de aleta corregida para aletas circunferenciales.

t Espesor de la arandela = 0,00049 ft

mA Área del perfil trr c 12 = 41058.2 2ft

125

P Perímetro de la aleta. ft 1,0472rr2= P i0

m Una constante que queda determinada por las propiedades de la aleta.

tKhm 2 = 35,739 ft

mL = tkhL

2 = 2.234 ft

20,2rr 1o

Calculo el siguiente parámetro de acuerdo a la Figura 47.

tKhL 2 La abscisa para la Figura 47.

00049.21

6.620625.0 = 2.234

De la Figura 47, con 1o rr se lee la eficiencia de la aleta a .

20.20521.01146.0

1

0 rr

De la Figura 47: 37.0a

Como el sistema requiere de aletas se debe calcular las aletas que contiene toda

la longitud de tubería.

ftporArandelaLNN TuboTubosdesisteltodoenaletasde ..ºº .............

ftftN sitseltodoenaletasde 983,13º ..........

unidadesN sisteltodoenaletasde .386º ..........

126

Longitud de tubos sin aletas es:

aletasTotalA = arandelasisteltodoenaletasdeTuboTubosde tNLN ....... ºº

aletasTotalA = ftft 00049,03863,13

aletasTotalA = ft747.3

El área superficial de una aleta que esta en contacto con el aire es:

trrrAAleta 02

12

0 22

00049.01145833,02052,01145833,02 AletaA

206580,0 ftAAleta

Ahora teniendo el área superficial de una aleta y su eficiencia se calcula la

capacidad de calor que puede transferir una sola aleta con la siguiente formula:

TAhQ AletafAleta Fº887ft0658,0fthBtu6,637,0 2

2

hBtuQAleta 4,144 Este es el calor que puede transferir una sola aleta

Nota: Es importante tener en cuenta que son 386 aletas de todo el sistema del

intercambiador más la superficie del tubo sin aletas, toda esta superficie transfiere

el calor al aire.

Realizando el cálculo transferencia de calor para una aleta longitud infinita de

disipación:

)(. LmTanTAKPhQ AletaAleta

)ft63,074,35(TanFº887ft06580,0FºfthBtu21ft472,1Fºfth

Btu6,6Q 222Aleta

hBtuQAleta 6,167 Calor que puede transferir una sola aleta

127

Se calcula el calor que puede transferir todo el intercambiado a través de la

superficie del tubo y de todas las aletas (386 unidades), se utilizó el método de

cálculo transferencia de calor para aletas longitud infinita disipación.

Tespesor).aletas No - tubo(Long 2h + qaletas de No = Q aletaradiador del total ir

hkW

hKJ

h 1.21847.75Btu71,889 Q radiador del Total

Calor que puede transferir al aire a través de todo el intercambiador

El calor que necesita el aire para secar el café en el horno es horajulKQt /.47343 ,

se calcula el factor de seguridad (Fs) que puede ofrecer el intercambiador.

602.147343

75847

KJh

KJ

qq

Fscalentaramaterial

radiadortotal

En la Figura 48 se puede observar las dimensiones y propiedades que se requiere

para el diseño del intercambiador.

Figura 48. Diagrama de diseño de la aleta y tubo

128

7.4. SELECCIÓN DEL VENTILADOR CENTRÍFUGO REQUERIDO PARA EL

HORNILLO

La información necesaria para seleccionar adecuadamente el ventilador es la

siguiente:

La presión estática que debe desarrollar para circular el aire a través del

sistema.

El numero de pies cúbicos de aire por minuto que van a circular.

El tipo disponible de fuerza motriz.

El grado de ruido permitido.

La naturaleza de la carga, como cantidad variable o presión del aire.

Par seleccionar el ventilador adecuado los fabricantes de estos equipos

proporcionan tablas y curvas, que muestran con una amplia gama de presiones

estáticas los siguientes factores para cada tipo de ventilador:

Velocidad del aire a la salida.

Velocidad del ventilador e RPM.

Velocidad periférica o velocidad tangencial de las aletas, en RPM.

La potencia al freno HP.

Presión estática en pulgadas de agua.

Volumen de aire Standard en CFM.

Los parámetros de selección del ventilador para un adecuado funcionamiento del

sistema son:

Presión del viento: OmmH 28.51

Caudal: CFM865

129

Temperatura: 50ºC

Velocidad: 1800 rpm

Elevación: 3264 pies

Gas a manejar: Aire caliente

Con base en esta información se selecciono el ventilador EMERSON E-LINE que

presenta las características que aparecen en la Tabla 36 (Ver Anexo 2).

Tabla 36. Características del Ventilador Seleccionado

Marca EMERSON E-LINE Tipo Centrífugo Diseño 16 LS Tamaño 11 Clase 2 Arreglo 9 Rotor Radial Caudal 900CFM Presión estática 4,3 Densidad pielb060,0 Eficiencia estática 62,2% Potencia al freno 1,0 HP Velocidad de rotación 1588 RPM Nivel de ruido 1,5 m dBA71 en campo abierto Materiales de construcción

Carcasa Acero Inox AISI 304 Rotor Acero Inox AISI 304 Eje Acero Inox AISI 304 Manzana Acero Inox AISI 304

Accesorios: Brinda en la succión, Puerta de inspección, Drenaje en la carcasa, Torillos Min grado 5, Guarda eje

Sistema de transmisión de potencia Transmisión por bandas, Guarda de poleas tipo OSHA, Poleas en hierro fundido con bus hing tipo QD

Motor Marca COIN Voltaje 3/60/230/460 H.P 1.5 RPM 1800 Tipo arranque Directo Rodamientos SKF, Diámetro 1,500 in, Duración 20.000 horas

130

7.5. VENTILADOR OXIGENADOR DEL HORNILLO

Para el cálculo del ventilador oxigenador del hornillo (ver Figura 49) se tienen los

siguientes datos:

Presión del viento: OmmH 20.8

Caudal: CFM93.10

Temperatura: 50ºC

Velocidad: 3600 rpm

Elevación: 3264 pies

Gas a manejar: Aire caliente

No de rodetes: 1

Diámetro de polea: 4 lgpu

Diámetro de ejes: 1 m

Ventiladot : 0,7%

Factor de presión: 1.5

No. De aletas 8

Figura 49. Ventilador oxigenador del hornillo

El calculo ventilador oxigenador del hornillo aparece en la Tabla 37.

131

Tabla 37. Calculo ventilador oxigenador del hornillo.

Dato Calcular Formula Resultado

Velocidad del periférica 30....Pr vientodelesion 15.5 sm

Velocidad del aire vientodelesion ....Pr85,2 8.06 sm

sección útil AIRE

CAUDAL

VelQ

0,000640 2m

Flujo de aire = caudalQ CFM93.10 0.00516M³/s

Diámetro Exterior

VENTILADOR

PERIFERICA

VelVel 60

0.082m

Diámetro Interior ExteriorDiametro68,0 0.056m

Espesor esrodeNDiametroutilSeccion

Esterior det.º.8,0..

0.003099m

Velocidad Ventilador poleaDiametro

poleaDiametroVelMOTOR

....

3600 rpm

Calculando la potencia al freno:

PerifericaVcaudalQfrenoalPotencia .20..... OmmHsm 20.800516,020

3

WatiosfrenoalPotencia .83.0.....

4

...2

InteriorDiametroentradadeArea

mmsalidadeArea 01,007,0... 20007.0 m

entradadeArea

QentradadeAreaairedelVelocidad Caudal

..........

salidadeArea

QsalidadeAreaairedelVelocidad Caudal

..........

132

Área de entrada = 0,0025 2m

Velocidad Aire = 2,10 sm = 414,0 min

ft

Área de salida = 0,0007 2m

Velocidad Aire = 7,37 sm =1450,9 min

ft

Se requiere saber el motor a utilizar con el ventilador calculado; paro lo cual se

cuenta con los siguientes datos:

Voltaje: 220Vol

Velocidad: 3600rpm

Diámetro de polea: 4,0pulg

motor: 0,8%

Factor de servicio: 1,2

El cálculo del motor aparece en la Tabla 38. Tabla 38. Calculo del motor del ventilador oxigenador del hornillo

Amperaje 76,0732,1746

VoltagePotenciaAmperaje 2.58Amp

Potencia eje VENTILADOR

frenoalPotenciaejedelPotencia

176

....... 0.00170HP

Potencia motor

motorserviciodefactorejedelPotenciaPotenciamotor ......

0,0255HP

Como la potencia del eje del motor es muy baja, el ventilador se acoplado directo

al eje del motor. Redondeamos la potencia del motor a HP.HP/ 25041 que es un

valor estándar comercial y cumple con la potencia requerida.

El cálculo del sistema de aletas ventilador oxigenador del hornillo aparece en la

Tabla 39 y Tabla 40.

133

Tabla 39. Formulas cálculo del sistema de aletas ventilador oxigenador del hornillo.

Calculo Formula Diámetro exterior

21000mmDiametroDiametro InteriorExterior

Diámetro interior 501000ventiladorEspesor Área

aletasaletasext iametroDiamtroD int

Peso/u

100085,7 AreaEspesor

Ale

tas

Peso aletasuPeso 8/ Diámetro exterior mmm 2.82082.0 Diámetro interior mmm0 9.55056. Área

4int.... 22

eriorDiametroexteriorDiametro

Plat

o N

o.1

Peso/u

100085,7 AreaEspesor

Diámetro exterior mm2.82

Diámetro interior 1,1...... manzanaladeDiametro Área

4int.... 22

eriorDiametroexteriorDiametro

Plat

o N

o2

Peso/u

100085,7 AreaEspesor

Diámetro exterior mm9.55

Diámetro interior mmmanzanaladeDiametro 77.647,1...... Área

4int.... 22

eriorDiametroexteriorDiametro

Plat

o N

o3

Peso/u

100085,7 AreaEspesor

Diámetro exterior mm60 Diámetro interior mm25,40.5 7.12 Área

4int.... 22

eriorDiametroexteriorDiametro

Man

zana

Peso/u

100085,7 AreaEspesor

134

Tabla 40. Resultados cálculo del sistema de aletas ventilador oxigenador del hornillo.

Calcular Formula Resultado

m 1000

/ uPeso 0,009kg

r

2..int...... ventiladorDiametroventiladorextDiametro 0,069m

60

2 VENTILADORVel 37.0radianes

Fc w² r m N0.86

Ahora la sumatoria de los pesos

gggggmaterialesdePesos 9541301025670....

gmaterialesdePesos 1313....

7.6. CALCULO DEL 88% DEL VOLUMEN DEL CAFÉ CONTENIDO EN EL CILINDRO.

Se busca que el espesor de cilindro del café no sea demasiado grueso para

facilitar el buen paso de aire a través de la superficie de café, por lo cual se

tomará: %Volumen = 0,88; Angulo Alfa = 40,000º = 0.6981317Rad

A raíz de los datos anteriores, ya calculados, se procede a obtener el volumen de

café, el cual asegure va a ocupar un 0.88% de volumen total del cilindro

contenedor de café, para que el café, una vez, contenido dentro del cilindro, tenga

movilidad en el momento en que el cilindro este en rotación. Al calcular el volumen

del café ocupado en el tanque, se toma en cuenta el espacio ocupado por el eje

del cilindro y el espacio, de vació para proporcionar solo un 0.88% de lleno de

135

café, dejando un 0.12% desocupado en el tanque cilíndrico. Por la formula de área

de centro de masa tenemos. Ver (Figura 50):

Ahora se multiplica por la longitud del tanque para hallar el TanqueV :

4

int.... 22 TanqueLongeriorDiametroexteriorDiametroVTanque

Figura 50. Centro de masa

Retomando los datos del cilindro: Diámetro exterior = 0,95m; Diámetro Interior =

0,32m; Longitud tanque = 1,15m

Por lo tanto el volumen del tanque es 3723.0 mVTanque

Hallando el volumen del café seco

Volumen del café seco = Masa

húmedo café

Datos del café: Peso del café a secar = 500kg; Densidad de café Mojado = 0,8173

El volumen del café seco es:

136

33

3

cafe m61177,0dm61177

dmkg8173.0

kg500V

Volumen del tanque = 0,723 m³

Peso del café = 510,0 Kg

Se procede a calcular el centro de masa del cilindro, para verificar a que distancia

esta por encima o por debajo del (NR) nivel de referencia, para calcular la fuerza

que se genera por el descentramiento del eje de rotación y el centro de masa, y

determinar si la carga aplicada por el café en rotación es concéntrica o por el

contrario es excéntrica ec . La ec es la distancia entre el centro de rotación del

cilindro y el centro de masa que genera la carga aplicada cuando esta en rotación.

En la Figura 51, se realiza un corte transversal al cilindro se muestra la distribución

geométrica que se realizó para los cálculos inerciales y en la Tabla 41 aparece los

centros de gravedad de formas geométricas usadas en el cilindro

Figura 51. Distribución Geométrica dentro del cilindro

137

Tabla 41. Centros de gravedad de formas geométricas usadas en el cilindro. Figura Área y

8

2

34 r

2r

322

2 sensen Ext

22cos

4

2

senExt 32

2 sen

De lo anterior calcula el área y el respectivo y para cada elemento (Tabla 42).

Tabla 42. Área y para cada área del cilindro

Área y A y Vol Area 1 0,35441 -0,2016 -0,0714 0,4076 Area 2 0,15752 0,0997 0,0157 0,1811 Area 3 0,11110 0,2035 0,0226 0,1278 Area 4 " vacía " -0,04021 -0,0679 0,0027 -0,0462 Área 5 "vacía" -0,01787 0,0336 -0,0006 -0,0206 Área 6 "vacía" -0,02234 0,0602 -0,0013 -0,0257 Total 0,54260 -0,0323 0,6240

A

Ay y = -0,0596

Al ser negativo el y , este se encuentra por debajo del eje x o NR, lo que indica que la carga del cilindro a analizar es excéntrico.

Ahora

Del cálculo hecho en diseño del horno se tiene:

ricomotorelectVel = 1800rpm;

138

ductornTransmisiolacion ReRe = 60

cadeanTransmisiolacionRe = 5

Velocidad de rotación cilindrocadeaductor

electtricomotor

nTransmisiolacionnTransmisiolacionVel

ReRe Re

rpm833,5

Velocidad angular del cilindro s

cilindrorotacionVel60

2

s

Radianes61086.0

Tomando la excentricidad del cilindro, se halla la aceleración y la fuerza aplicada

en este.

Excentricidad máxima ec = Y

Aceleración del cilindro = dadExcentricicilindro delAngular 2 = 0,0236863 2sm

Fuerza tangencial = cilindro deln Aceleracio cafe del Masa = 11,858N

7.7. CÁLCULOS ESTRUCTURALES

En este punto que corresponde a la Tercera etapa (Figura 50) de realiza los

cálculos estructurales del horno y cálculos estructurales del quemador de

combustible “hornillo”

139

Figura 52. Esquema de estrategia para los cálculos estructurales.

Para realizar el calculo estructural del horno hay que establecer la masa, la inercia

de estas masas (ver Tabla 43), el calculo de relación de transmisión y potencia

para generar el movimiento rotativo del Cilindro.

Tabla 43. Calculo de masa e Inercia del horno

Elementos ext A L t V m or extr I

kg/dm³ m m² m mm dm³ Kg m m kgm² Cilindro interior perforado

7,833 0,956 0,0095 1,11 3,175 10,5 82,4 0,475 0,478 18,715

Tapa lateral perforada

7,833 0,956 0,638 0,003175 3,175 2,0 31,7 0,160 0,478 4,034

Cilindro exterior 7,833 1,056 0,0105 1,21 3,175 12,7 99,3 0,525 0,53 27,527

Tapas lateral 7,833 1,056 0,796 0,003175 3,175 2,5 39,6 0,160 0,53 6,029

Cilindro interior difusor de aire

7,833 0,320 0,0032 1,71 3,175 5,4 42,2 0,157 0,160 1,059

Café 0,8173 0,950 0,628 1,11 695,3 502,9 0,160 0,475 63,170 Eje en acero 0,076 0,00456 1,91 8,7 62,10 0,038

860,24 120,53

HORNO CILINDRO CONTENEDOR DE

CAFE

HORNLLO QUEMADOR DE COMBUSTIBLE

Resistencia De Materiales Espesor

Calculo De Inercias

Relación De Transmisión Y Potencia Para Generar El

Movimiento Rotativo Del Cilindro

Calculo De Pedestal

Calculo De buje

Diseño Del Transportador

Helicoidal

140

L =Longitud, A =área, t =espesor, V = Volumen, m =masa, =Densidad, ext =Diámetro Ext,

I =Inercia = 222oext rrm .

Tabla 44. Calculo de Relación de Transmisión y Potencia Velocidad Relación

transmisión Piñón

g Piñón

p Eficiencia Inercia Potencia Torque

rpm w ratio dientes dientes kgm² vatios N * m Motor eléctrico

1750 183,260 1 0,85 26,40 0,12

Reductor 29,17 60 0,9 6,61 Transmisión cadena

6,02 4,842 92 19 0,95

Cilindro o tanque

6,02 0,631 120,53 19,18 30,41

Potencia: Torque = t totalI = I ; tiempo de arranque 2,5s

seficiencia n trasmisiórelaciónmotor delangular velocidad cilindro Torque =motor Potencia

7.7.1. Transmisión de cadena. El mecanismo que se utilizará para tener un

movimiento de la máquina motriz a la máquina conducida que es el cilindro

contenedor de café se realiza con el fin de tener el movimiento deseado en la

salida que es rotativo producido por el motor y trasmitir la potencia del elemento

motriz a la carga por la cadena.

Para la selección de la cadena es preciso saber:

Potencia requerida en la máquina conducida [HP]

Tipo de máquina motora y máquina conducida

Velocidad de la máquina motora [rpm]

Velocidad de la máquina conducida [rpm]

Distancia tentativa entre ejes

141

Datos para cálculo de cadena:

Velocidad cilindro = 6,00 RPM

Velocidad motor reductor 30 RPM

Inercia máxima cilindro120.53 mKg

Tiempo en máximo arranque2.5 s

Potencia motor a utilizar0.33HP

Relación transmisión = 00.5cilindroVelocidad

reductormotorVelocidad

Potencia cilindro =arranquedeTiempo

cilindroVelocidadI cilindro

2

max 602

Potencia cilindro = HPvatios 0255.003.19

Debido a que el cilindro rotativo conducido puede tener formas particulares de

funcionamiento, se deben prevenir fallas debido a los choques moderados,

violentos. De forma similar, las máquinas motoras tienen formas particulares de

funcionamiento, algunas a sus condiciones de servicio u horas trabajadas. Estas

situaciones se consideran a través de un factor de servicio que aumenta la

potencia a transmitir para obtener la potencia de diseño que considera las

características de la máquina y el motor utilizado.

De la Tabla 45 se selecciona 24 horas diarias de trabajo y por los choques

moderados que se presentan durante el secado, el factor de servicio es 1,3. La

potencia de diseño que debe transmitir la cadena es la potencia nominal del motor

multiplicada por un factor de servicio.

Potencia de motor eléctrico a utilizar HP31

HP de la cadena = acHPserviciodeFactor arg

142

HP de la cadena = HP429.0

Tabla 45.Factores de servicio para cadenas de rodillos Tomada de: Link belt C-5

Tipo de Condiciones de Servicio 10 horas por día 24 horas * día Carga uniforme Normales 1 1,3 Choque moderados Anormales 1,2 1,4 Choques violentos Anormales 1,4 1,7 Carga reversible Anormales 1,5 1,9

Utilizando estos factores de servicio para la selección de la cadena, su duración

promedia será de 15000 horas, se realiza la selección de la cadena con la

potencia, RPM y Número de cadena de la Figura 53 Cadena seleccionada:

Cadena No.:50

Hileras1

143

Figura 53.Selección estándar de la el numero de cadena

Con la potencia de la cadena y la velocidad se selecciona el paso. Ver Tabla 46.

Cadena No 50, Paso 0,625in (5/8in), Lubricación Tipo A

144

Tabla 46. Cadena numero 50 - paso 0.625 in

Se comprueba en la Tabla 47 si el diámetro del eje que se conectará al engrane

tiene un tamaño adecuado, de ser muy grande, debe escogerse un engrane con

más dientes. El diámetro del engrane piñón y de la corona seleccionada satisfacen

las dimensiones solicitadas.

145

Tabla 47. Diámetro del piñón y la corona

piñondientesdeNo dientesNp 16

PIÑ

ÓN

Diametro cmin

P

P

14.8204.3

relacionpiñondientesNocoronadientesdeNo coronadientesdeNo

dientesNg 80

CO

RO

NA

Diametro cmin

g

g

44.40

92.15

Sprockets No 50 Type B

Se busca el numero de dientes del piñón y el numero de dientes de la corona para

saber las dimensiones de cada uno resaltados en la Tabla 48.

Ahora se puede calculara la nueva relación de velocidad con el número de dientes

del piñón y de la corona, ya que la razón entre la velocidad del eje más rápido

dividido por la velocidad del eje más lento, es la relación de transmisión. Con este

valor se obtiene el tamaño de las catalinas a utilizar. La relación de transmisión

debe corresponder a la razón entre la cantidad de dientes de la catalina grande (la

del eje más lento) denominada corona dividida por la cantidad de dientes de la

catalina pequeña (la del eje más rápido) denominada piñón.

5dientes16dientes80

piñondientesdeNocoronadientesdeNovelocidadderelacionNueva

Velocidad que gira el cilindro = (Velocidad motor reductor)/(nueva relación de

velocidad)

RPM65RPM30

locidadción de venueva relactormotor reduVelocidad l cilindroque gira eVelocidad

146

Tabla 48. Sprockets numero 50 paso 0.625 in

12RPMDgcadenadelinealVelocida

12692.15

RPMcadenadelinealVelocida

min01.25 ftcadenadelinealVelocidad

147

Con las dimensiones principales que son el paso, el diámetro de los rodillos y el

ancho dados en la Tabla 49 se puede observar las propiedades de la cadena a

cumplir.

Tabla 49.Propiedades de las cadenas de rodillos

La velocidad lineal de la cadena es menor a la velocidad límite en fpm

BTipoftftcadenadelinealVelocidad min2000min01.25

angularVelocidadcadenaladeHPimoTorque max

inlbfRPM

imoTorque

3.4506

6026

55012429.0max

Fuerza máxima de la cadena lb06.283in92.15

inlbf3.4506piñonDiametro

Torque

148

Fuerza máxima de la cadena lbf6250lbf06.283

Fuerza máxima de la cadena N38.27801N11.1259

Ahora se calcula la distancia entre centros (C):

in522.172

in204,3in92.152

C Pg

Calculando la longitud de la cadena.

C

pNpNgNgNppCL402

22

in

inininL22.1740

625.16802

8016625.522.17222

cminL 1.171366.67

7.7.2. Calculo de Resistencia del árbol del Tanque. Se determina y se trazan

las funciones de corte y de momentos para el árbol apoyado en los cojinetes, con

carga distribuida que es la del cilindro rotativo con el peso del café, que aparece

en la Figura 54. Hay una fuerza adicional que es la de la cadena que ejerce una

tensión que le hace al eje.

Cargas y fuerzas: Las cargas transversales máximas sobre el árbol en los

cojinetes que es la carga distribuida del peso del cilindro más el café, hay una

fuerza que ejerce tensión al eje que es la de la cadena y para esto se debe

determinar el ángulo que produzca la menor fuerza en el eje.

149

Figura 54. Cilindro Rotativo

Se realiza un análisis de falla por fatiga debido a que los esfuerzos son dinámicos,

ya que cambian respecto al tiempo. Se realizan los diagramas de esfuerzos

(Figura 55 y Figura 56) con base en el Angulo de instalación del motor (135º : 2,36

Rad), Fuerza que ejerce la tensión de la cadena (1259,5N); la descomposición de

las fuerzas (Tabla 46).

Tabla 50. Descomposición de Fuerzas Fuerza descompuesta en eje X 36.21259 SenN -890,6N Fuerza descompuesta en eje Y 36.21259 CosN 890,6N

Figura 55. Diagrama Y Z

Sumatoria de fuerzas = 0

150

N Fyf Fyb FyEFbYFy

4.7548

00)7.6681263.1(06.8900

Sumatoria de Momentos = 0

NmFyf

FyfMx5.4336

0542.104.65440500745.1425.1420

Se remplaza Fyf en la siguiente formula para despejar Fyb :

NFybN Fyf Fyb

8.32114.7548

Figura 56. Diagrama X Z

Sumatoria de fuerzas = 0

N Fxf Fxb FxfNmFxbN

FxfNmmFxbNFy

4.754800858.1106.890

00)4.9263.1(06.8900

Sumatoria de Momentos = 0

NmFyf

Fxfmmm

mmmNmNMx

4.860135.0263.1144.0

02

263.1144.0263.14.9006.8900

151

Despejando Fyb :

NFxbN Fxf Fxb

9.9884.7548

Sumatoria de fuerzas = 0

0Fz

N2.15N2.15N8.22Nm41.30Nm41.30Nm41.300bMz

En la Tabla 51 se resume las fuerzas en los diferente ejes x,y,z y se determina la

máxima fuerza cortante en el plano y,z.

Tabla 51. Resumen de fuerzas en los diferentes ejes.

FUERZAS X Y Z Máximo Fuerza cortante en el plano y,z

22 yx

Fuerzas en A -890,6 890,6 0 1259,5 Fuerzas en B 988,9 3211,8 0 3360,6 Fuerzas en C 0,0 0,0 0 0,0 Fuerzas en D 11,9 8439,0 0 8439,0 Fuerzas en E 0,0 0,0 0 0,0 Fuerzas en F -86,4 4336,5 0 4337,4 Sumatorias = 23,7 16878 0

Máximo fuerza cortante en el plano yz = 4337.4N

Se resume en la Tabla 52 los momentos que se aplica en los diferente ejes x,y,z y

se determina el máximo momento flector en el plano y,z.

Reacción de las fuerzas en los apoyos con la variación de posición del motor. En

la Tabla 53 se puede observar en que ángulo se puede ubicar el motor para que

genere una fuerza menor, con un buen análisis al respecto de su ubicación.

152

Tabla 52. Momentos en los ejes x,y,z

MOMENTOS X Y Z Máximo momento flector plano y,z

222 zyx

Momentos en A 0 0 30,4 0,0 Momentos en B 142,501 -142,5 30,4 201,5 Momentos en C 0 0 30,4 0,0 Momentos en D 6506,5 9,1 22,8 6506,5 Momentos en E 0 0 15,2 0,0 Momentos en F 0 0 15,2 0,0

Tabla 53. Ángulos de ubicación para el motor del cilindro rotativo

Nota: de acuerdo a los calculo la mejor posición del motor que ayuda a mejorar la

carga con la tensión de la cadena, es cuando se encentra a 90º esto quiere decir

que la cadena esta en una posición vertical. Pero para el diseño se estimara la

posición del motor en otra oposición que es de 135º con la ventaja que el motor

quedara hacia la parte posterior de la máquina por encima del eje principal del

horno.

En la Tabla 54 aparecen tabulados los datos para realizar los gráficos de Cortante

y Flector y en la aparecen Máxima Fuerza Cortante y Máximos Momentos

Flectores

Grados Máx. F Cortante 0 45 90 135 180 225 270 315

Fuerzas en A 1259,5 1259,5 1259,5 1259,5 1259,5 1259,5 1259,5 1259,5 1259,5 Fuerzas en B 3360,6 4417,4 3357,2 2804,6 3360,6 4421,1 5271,5 5585,1 5269,3 Fuerzas en C 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Fuerzas en D 8439,0 8439,0 8439,0 8439,0 8439,0 8439,0 8439,0 8439,0 8439,0 Fuerzas en E 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Fuerzas en F 4337,4 4246,3 4337,7 4374,8 4337,4 4246,0 4152,6 4113,4 4152,9

153

Tabla 54. Datos para realizar los gráficos de Cortante y Flector

Tabla 55. Máxima Fuerza Cortante y Máximos Momentos Flectores

Max fuerza cortante Max momento flector Nt Nt * m

1259,5 0,0 4103,6 201,5 4103,6 671,7 149,1 1955,9 4337,4 585,5

0,0 0,0

Calculo Del Diámetro Del Árbol por Fatiga. Se diseña el árbol para soportar los

aditamentos que se muestran en la Figura 54, donde se verifica si se cumple con

un factor de seguridad de acuerdo a los criterios de falla por fatiga.

Material del árbol Acero Inoxidable SAE 316:

Dureza Brinell : 165

Resistencia a la tracción SUT: 29.57 mmkg = Pa567999000 = Psi82381

Limite Elástico Sy : 2mmkg135.28 = Pa276004350 = Psi40031

Densidad : 28.7 dmkg

Cortante Momento Distancia x y z x y z

A 0 -890,6 890,6 0,0 0,0 0,0 30,4 B 0,16 98,3 4102,5 0,0 142,5 142,5 30,4 C 0,30 98,3 4102,5 0,0 659,3 128,3 30,4 D 0,94 92,4 -117,0 0,0 1954,7 68,1 22,8 E 1,567 86,4 -4336,5 0,0 585,4 11,7 15,2 F 1,702 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 15,2

154

Figura 57. Diagramas de Cortante y Momento flector del árbol.

Limite de Resistencia a la Fatiga para los aceros:

ute SS 5.0 MpaKsiSut 1400200

MpaKsiS e 700100 MpaKsiSut 1400200

Factores de corrección aplicables a la resistencia a la fatiga o al límite de

resistencia a la fatiga teóricos.

1suparg edadconfiabiliatemperaturerficialtamañoace SCCCCCS

La carga es a flexión por lo que el factor de carga es (Juvinall14): 1arg acC

Factor de tamaño para

mmd 8 1tamañoC

155

mm250dmm8 097.0189.1 dCtamaño

Como el diámetro tendrá aproximadamente mm4,1056 (estimado)

097.0)4,1056(189.1tamañoC 605.0

La siguiente Figura 58 sirve para seleccionar un factor superficial para varios

acabados comunes en acero, también se puede determinar el factor superficial a

partir del acabado superficial con la formula: Buterficiesup SAC , en la Tabla 56

aparecen los datos de los coeficientes.

Como el árbol se encuentra rolado en caliente:

608.0SAC Buterficiesup

Figura 58.Factores superficiales para diversos acabados en acero5

5 NORTON, Robert. Diseño de Máquinas. México: Prentice Hall, 1999. p. 378.

156

Tabla 56 Coeficientes para la ecuación de factor superficial6

Acabado superficial A [MPa] B [MPa] Rectificado 1,58 -0,085 Maquinado o estriado en frió 4,51 -0,265 Rolado en caliente 57,7 -0,718 Forjado 272 -0,995

El factor de temperatura es:

CT º450 1atemperaturC

CTC º550º450 4500058.01 TC atemperatur

Como la temperatura a la que trabaja la máquina es de Cº50 : 1atemperaturC

El factor de confiabilidad se toma de la Tabla 57.

Tabla 57. Factores de confiabilidad para 08.0dS

Confiabilidad dadconfiabiliC

50 1 90 0,897 99 0,814

99,9 0,753 99,99 0,702

99,999 0,659

Para un 99.9% de confiabilidad

753.0dadconfiabiliC

Efectos de corrosión 1corrosionC

6 SHIGLEY; MISCHKE. Mechanical Engineering Design, Coeficientes para la ecuación de factor superficial. 5 ed. Nueva Cork: McGraw-Hill, 1989. p. 283.

157

El límite de resistencia a la fatiga corregido IeS ahora se puede calculara a partir

de los factores definidos en la Tabla 58.

Tabla 58.Factores de Resistencia

Factores de Reducción de Resistencia

acC arg 1

tamañoC 605.0

erficieCsup 608.0

atemperaturC 1

dadconfiabiliC 753.0

corrosionC 1

tk : Factor concentración de esfuerzo teórico

dadconfiabiliatemperaturerficialtamañoact CCCCCK suparg

Factores 277.0tK

eS Resistencia a la fatiga

Ahora se calcula eS

PsiPaSS

SKS

e

e

utte

0.11403786211345679990005.0277.0

5.0

En la Tabla 59 aparecen los cálculos de Ma, Tm y fuerza cortante.

158

Tabla 59. Cálculos de Ma, Tm y fuerza cortante

El máximo momento flector Punto = D

Consiguiente momento flector Punto = C

Ma mN9.1955 mN7.671 Tm mN8.22 mN4.30

Fuerza cortante N1.149 N6.4103

De acuerdo al espesor de la lámina seleccionada y a los datos tomados para el

cilindro exterior (Tabla 60 y Tabla 61) e interior (Tabla 61 y Tabla 62) se verifica si

cumplen con los requerimientos para que no halla fallo por fatiga.

Tabla 60. Datos cilindro Exterior seleccionados.

Diámetro Exterior ext m0564.1 Espesor lamina m0032.0 Diámetro Interior 2int ext m0500.1

Tabla 61. Cálculos Cilindro Exterior.

Cálculo de Inercia

444 0015.064

mI extextcilindro

Distancia entre centros mC ext 5282.02

Esfuerzo Flexión MPaPam

mNmI

MC 709.07092690015.0

5282.09.19554max

Calculo de inercia polar 44444 0029.00500.10564.13232

mmmJ ext

Esfuerzo torsional

MPaPa

m

mNm

JrT

004.09.41100029.0

2050.18.22

4int

Calculo área sección transversal

22

int2 0105.0

4mA ext

Esfuerzo cortante MPa,PamN

AF tecor 01407.14193

0105.01.149

2tan

159

Tabla 62. Datos cilindro Interior seleccionados

Diámetro Exterior ext m3199.0 Espesor lamina m0032.0 Diámetro Interior 2int ext m3136.0

Tabla 63. Cálculos Cilindro Interior

Cálculo de Inercia 444 0,00003962

64mI extIntcilindro

Distancia entre centros mC ext 90,1600,3192

Esfuerzo Flexión MPaPam

mNmI

MC 2,7122711715,00,00003962

160.07.6714max

Calculo de inercia polar 4444int

4 0,00010,31360,31993232

mmmJ ext

Esfuerzo torsional MPaPam

mNm

JrT 0,06161387,1

0,00012

0,319930,44

int

Calculo área sección transversal

2

2int

2

0,00324

mA

A ext

Esfuerzo cortante MPa,PamN

AF tecor 29911298900,7

0,00324103,6

2tan

n Factor de Seguridad

a Esfuerzo alterno

m Esfuerzos Medios

utS Esfuerzo Último Ruptura

PsiMPaSut 82381567

yS Esfuerzo Fluencia

PsiMPaS y 40030276

160

PsiMPaS e 1141067,78

a Para nuestro caso son los esfuerzos a Flexión

m Son los Esfuerzo a Torsión

Los factores de seguridad por esfuerzos Fluctuantes aparecen en la Tabla 64 y en

la Figura 59 aparecen los criterios de falla mas comunes por fatiga.

Tabla 64. Factor de Seguridad debido a esfuerzos Fluctuantes

Formula Para el cilindro Ext. Para el cilindro Int.

Soderberg S

+

1

y

m

e

Sn

a 110,67

28,81

Goodman S

+ 1

ut

m

e

Sn

a 110,8 28,90

Asme 2

y

m

2

e2 S

+ 1

Sn

a 110,8 28,99

Figura 59. Varias curvas de falla para esfuerzos fluctuantes7

7 . NORTON, Robert. Diseño de Máquinas. Varias líneas de falla para esfuerzos fluctuantes. México: Prentice Hall, 1999. p. 410.

161

7.7.3. Diseño del Pedestal Para el Horno. En la Figura 60 aparece el cilindro

contenedor de café y base soporte, en la Figura 61 se muestra el diagrama de

cuerpo libre del soporte o pedestal.

Figura 60. Cilindro contenedor de café distribuido en las dos bases

Base Soporte

Figura 61. Diagrama de cuerpo libre del pedestal

La carga que llevan los soportes, es la masa de todo el sistema del horno secador,

la cual es 860,24Kg.

P= 4219.49N

0.7m Espesor = 0.011m

0.1682m

ec = 0.0596m

162

Hallando el peso que soporta el pedestal, se debe tener en cuenta que este peso

será repartido entre dos soportes como se ve en la Figura 60, se tiene:

2gmP

281.924.860 2smKg

N475.4219

Pero en el análisis del cálculo de la resistencia del cilindro ver Tabla 51. Resumen

de fuerzas en los diferentes ejes., se encuentra que la máxima fuerza cortante a la

que estará expuesto cada soporte, no es la carga del cilindro contenedor de café;

si no que hay una máxima fuerza la cual es:

NP 5,4336

En este caso se analizara los soportes como columnas excéntricas, al hacer girar

el cilindro contenedor de café pieza circular denominada excéntrica debido a que

el contenido de café dentro del cilindro es de un 88% rotando alrededor de un

punto de giro no situado en el centro. El análisis de la carga aplicada se toma

como la carga excéntrica en relación con el eje centroidal de la columna. En este

caso se toma la mayor excentricidad e para saber cual es el máximo momento

generado por la carga.

Datos de la columna

mEXT 168.0 2007417.0 mArea

mINT 1159.0 m0109728.0

NP 475.4219 mec 0596.0

163

Ahora se calcula la inercia y el área de la columna para hallar el radio de giro de la

columna.

nerciaI I = 44

64dD

4510686.1 m

Area A = 22

4dD

22 1159.016827.04

mm 2310427.5 m

columnaladegirodeRadioK ..... 23

45

10427.510686.1

mm

AIK

m210574.5

44 1463.016827.064

mmI

Ahora el momento generado por esta carga es

EAP

KKec

AP

c 41sec1 2

Donde: P carga axial, A Área de la sección transversal, ec Excentricidad de la

columna, K Radio de giro de la columna y E Modulo de young del material.

)10427.5)(10200(4

54.433610574.5

1sec)10574.5(

0596.0110427.554.4336

23922223 mPaN

mmm

mN

c

Mpac 16.16

7.7.4. Calculo de cojinetes para cargas.

Buje en Bronce. Las familias de aleaciones de cobre principalmente los bronces

son una excelente elección para operar contra acero o hierro fundido.

164

Se conoce la carga y la velocidad, como el eje fue diseñado en función de

esfuerzos y deflexiones, su diámetro es conocido. Debe escogerse una longitud de

cojinete o una razón dl , con base en consideraciones de espacio. Debe tenerse

en cuenta las Razones dl mayores darán en la película presiones inferiores.

Razón de Holgura 75,0dl

Temperatura Máxima Cº65.6Fº150

La fuerza se calculo con la máxima fuerza que se genera en los apoyos calculada

en los diagramas del cálculo del cilindro.

Carga del cilindro P= 2

.. hornodelmasa

224.860 Kg Kg12.430 lb26.948

Diámetro de la chumacera de Bronce

bronceChumacera.. 02.0cilindroEspesordel 02.032.0 m m34.0

Diámetro del cojinete

54.2

100... bronceChumaceraCojinete

54.2

10034.0 m in39.13

Velocidad angular del cilindro ( ) = 6,02 RPM

Se convierte la velocidad dada en rpm a rps y se determina la velocidad tangencial

U :

rpsseg

revn 10039251.060

min1min

02.6

ndU rpsin 1003925.039.13 sin22.4

Se determinan las tolerancias diametrales y radiales a partir del diámetro dado y

de la razón supuesta de holguras:

165

Cálculo de la tolerancia diametral (Cd)

in0,0080in13,390,0006 d Rh dC

Cálculo de la tolerancia radial (Cr)

in 0,00402

Cd C r

Se determina la longitud del cojinete a partir de la razón supuesta dl de 0,75.

m102.0in64,0113,390,3.DIl Cojinete

Tomando un valor sugerido de NO =30, se calcula el valor experimental de

excentricidad a partir de la Figura 62 o de siguiente ecuación17:

Figura 62. Relación analítica y experimental entre la razón de excentricidad y el

número de Ocvirk NO

166

0,807)6030(0008.030log38517.021394.0)60(0008.0log38517.021394.0

x

NNx OO

Se determina el parámetro no dimensional K según la siguiente ecuación17

6,168807.014

807.016807.01807.014

161K 22

21

222

22

21

222

Ahora se puede calcular la viscosidad del lubricante de acuerdo a la carga P:

reyn9,3204,0164,226,168

0,0040974,56lUK

CP 2

3

2r

En la siguiente Figura 63 se determinar el tipo de aceite SAE de acuerdo a la

viscosidad y la temperatura, el tipo de lubricante es W 140 o SAE 60.

La presión promedio en la película del aceite se calcula de acuerdo a la siguiente

ecuación:

psi1,1813,394,016

974,56dl

PPprom

El Angulo en la cual la presión es máxima se puede determinar ya sea a partir de

la siguiente ecuación mediante el valor experimental de 0,807

162,5º2,84rad0,8074

0,8072411cos4

2411cos2

12

1max

Se puede leer de la curva experimental de la Figura 64 siguiente para NO =30,

como 162,5ºmax .

167

Figura 63. Viscosidad absoluta en función de la temperatura de aceites lubricantes

de petróleo en grados.

Figura 64. Ángulos max y como función del numero de ocvirk

Ahora se puede calcular la presión máxima de acuerdo al ángulo hallado

168

psi65,4

cos1sen3z

4l

rcUp 3

22

2r

Ahora se puede calcular la presión máxima de acuerdo al ángulo hallado

29,9rad 522,00,80740,8071tan

41tan

21

21

Ya se puede calcular los pares de torsión estacionario y en rotación de los ejes

según el ángulo

in - 18,7470lb1c

nnldT2

12

2

d

123

s

lb - in9268,18522,0sen00037.056,9747470,18senPTT sr

Las pérdidas de potencia en el cojinete se determinan a partir:

HP001,0 slbin - 94,11)00,10039251(18,92682)nn(Tr2 12

Calculo del coeficiente de fricción en el cojinete

0,608313,394,65

18,92682PdT2 r

Se determina el espesor mínimo de la película de aceite

µin775,5in00077551,00,807-10,00401ch rmin

Nota: este valor es razonable debido a que los materiales tienen una aspereza

aproximadamente de 30-40 micras in

169

7.7.5. Diseño Del Transportador Helicoidal. El transportador helicoidal

aparece en la Figura 65

Figura 65. Transportador Helicoidal

El volumen por una vuelta del transportador helicoidal es:

l4

dDV22

05,0

4025,01,0 22

3m0036,0 3dm67,3

Por medio de los cálculos térmicos la cantidad de biomasa total ( cV = Volumen de

cascarilla) necesaria para generar la energía necesaria para calentar el horno

necesario es hdm6,86V

3c durante todo el proceso del secado del café, su

tiempo de duración calculado es de 18 h.

La cantidad de biomasa requerida para mantener el horno caliente durante 18 h de

manera que la alimentación del hornillo nunca le falte combustible es

170

Numero de vueltas por hora: vuelta

dm67,3h

dm6,86N 3

3

c hvuela69,23

cN min3932.0min60

169.23 vueltashh

vueltas

La velocidad en rpm es:

rpm96,1minvueltasvueltas5min

vueltas39,0nr

Velocidad del tornillo 600rpm96,1rpm1200

Velocidad motor reductor 1060

600

srad

srevrev 6283.0min

6012

min10

Relación de transmisión 6010

600

Requisitos de caballos de fuerza de la transmisión

1256,06283,0 22

Ver. Anexo 3. Selección de Transportador Helicoidal Catalogo Martin.

171

8. DISEÑO A NIVEL DE SISTEMAS

8.1. ANÁLISIS DE LA ARQUITECTURA DEL PRODUCTO

La arquitectura de productos es el arreglo de elementos funcionales en conjuntos

físicos (chunks) que constituirán los elementos básicos del producto o de la familia

de productos y el análisis de sus interacciones.

La selección de la arquitectura del proyecto es modular, ya que busca ser un

producto para ser difundido entre los clientes y para el servicio de las personas

que tengan la posibilidad de adquirir todo el equipo de secado o armarlo por

módulos.

La interacción entre los conjuntos esta bien definida. La arquitectura modular tiene

la ventaja de la simplicidad y reutilización para la familia de productos de esta

manera se esta proporcionando la capacidad de actualizaciones en el hardware o

software, flexibilidad en los componentes.

En la Figura 66 se observa el esquema de la arquitectura empleada, de los

elementos funcionales y físicos organizados en Conjuntos que componen el

producto.

En la Figura 67 y en la Figura 68 se puede observar las interacciones incidentales

existentes entre los conjuntos funcionales.

En la Figura 69 y Figura 70 se aprecian las Interacciones Fundamentales.

172

Figura 66.Arquitectura Modular

173

Figura 67. Esquema del conjunto del sistema de interacciones entre elementos físicos y funcionales (A).

174

Figura 68. Esquema del conjunto del sistema de interacciones entre elementos físicos y funcionales (B).

175

Figura 69.Interacciones Fundamentales (A)

176

Figura 70. Interacciones Fundamentales (A)

177

8.1.1. Distribución geométrica (Layout). Se puede ver en la Figura 71 como

es la distribución de los conjuntos. En este caso, la ubicación de los componentes

del diseño de la máquina juega un papel muy importante, ya que el horno-cilindro

contenedor de café y el hornillo donde se realiza la combustión para generar el

calor, están comunicados por un ducto para que viaje el aire caliente, depende de

las propiedades del ventilador empleado, la longitud de la tubería y factores que

pueden variar de acuerdo a la ubicación del equipo de tal manera que la

distribución del espacio puede causar variaciones en su funcionamiento, y otros

factores como la ubicación de los motores, componentes de control e

instrumentación.

Figura 71.Distribución Geométrica

178

8.1.2. Sistema Electrónico. El sistema electrónico es modular, de tal manera

que se tiene como objetivo facilitar el ensamblé, mantenimiento y expandible para

que se pueda actualizar, debe:

Sensar las variables relativas al proceso (Temperatura y peso del tanque).

En el Modulo de Control debe adquirir las señales de los sensores, actuadores

y generar las acciones correctivas necesarias para el correcto funcionamiento del

proceso, además de proporcionar la información del estado de la máquina al

usuario.

Controlar la potencia requerida para los motores

Controlar la alimentación energía eléctrica que se entrega al sistema.

179

9. DISEÑO INDUSTRIAL

Se realizo una valoración industrial del producto teniendo en cuenta que es un

equipo muy útil en la agroindustria cafetera. En el diseño industrial es muy

importante analizar las necesidades ergonómicas y estéticas del producto

asumiendo la posición del diseñador, ver Figura 72. Aunque hay muchas

secadoras de café en el mercado tienen grandes diferencias, en cuanto a su

diseño industrial, además se debe tener presente que esta tendrá interacción con

el usuario, aspecto muy importante, por ello se da una importancia de cómo se

quiere que el dispositivo responda a cada ítem:

Figura 72. Valoración el Diseño Industrial

180

Calidad de las Interfaces del Usuario

• El dispositivo es seguro para todo tipo de usuario.

• Las funciones del dispositivo correspondientes a cada una de sus partes, bien

definidas.

• El dispositivo esta diseñado para un sector muy amplio del mercado.

Requerimientos Emocionales

• El dispositivo es atractivo al usuario.

• El producto refleja robustez.

• La forma de hacer trabajar el equipo es agradable al usuario.

• El dispositivo inspira orgullo de posesión.

Facilidad De Mantenimiento Y Reparación

• Dispone de opciones de mantenimiento para el usuario; pero es necesario

conocer el funcionamiento del sistema electromecánico del dispositivo.

• Es relativamente complejo de limpiar.

• El cable de conexión es de fácil reemplazo.

• El procedimiento de ensamble y desensamble es un tanto complejo.

Uso Apropiado De Los Recursos

• El material del dispositivo es resistente a impactos.

• El material es durable.

• El dispositivo tiene características de sobre-diseño.

Diferenciación Del Producto

• Debido a su complejidad de funcionamiento y efectividad en el proceso de

secado es fácil de recordar.

• Por su necesidad en el área cafetera dispondrá de alta publicidad.

• Hay pocas secadoras de café similares en el mercado.

181

Valoración Del Diseño Industrial

Se puede observar los conceptos que se tuvieron en cuenta para valorar el diseño

industrial en la Figura 73.

Figura 73. Evaluación de la Calidad del Diseño Industrial

La calidad de la interfaces de este producto es muy alta, debido a que la

interacción hombre-máquina es intuitiva. El sistema de manufactura de este

producto esta ligado la estética vs. Servicio, dado que se busca que el producto

sea difundido por los usuarios y clientes, por este motivo requiere de un impacto

de tipo emocional y su nivel de diferenciación del producto sea medio alto, que en

su medida expresa calidad, seguridad y confiabilidad. En cuanto al mantenimiento

y reparación es de medio impacto, debido a que es un dispositivo que se rige por

gran contenido técnico pero que a nivel industrial su mantenimiento es fácil.

Teniendo en cuenta la valoración que se le a dado al diseño industrial, se observa

que el producto requiere un diseño industrial; lo cual quiere decir que el como luce

Calidad de las interfas

Facilidad de uso

Facilidad de mantenimiento y reparación.

Uso apropiado de los recursos.

Bajo Medio Alto

Diferenciación del producto.

182

el dispositivo dentro de su espacio de trabajo es importante pero no tanto como su

servicio que es de mayor importancia.

Máquina para Secar Café, es una máquina que va a contar con las dos

naturalezas: el beneficio principal está basado su habilidad de acometer una tarea

técnica específica que es la de secar café, pero también es importante la

ergonomía de la máquina y que está sea estéticamente agradable a la vista, sin

afectar la ingeniería del producto (ver Figura 74).

Figura 74. Naturaleza del Producto

183

10. DISEÑO PARA LA MANUFACTURA (DPM)

10.1. ASPECTOS DE MANUFACTURA

El diseño para manufactura (DPM) es una práctica de desarrollo que se utilizo

para enfatizar en los aspectos de manufactura (producción) a través de todo el

proceso de desarrollo, dado que se debe tener en cuenta en el diseño conceptual

para ahorrar costos; en la Figura 75 se plantea el modelo del sistema de

manufactura para cuando se desarrolle el producto.

Figura 75. Modelo del Sistema de Manufactura

Las herramientas necesarias para la construcción de las partes mecánicas del

producto son: Torno, Fresadora. Taladro, Máquina Fresadora CNC y Equipo de

Soldadura entre otros. Con respeto a la Mano de Obra las empresas que se

pensado contratar (se han establecido contactos) para la elaboración del

maquinado de las piezas es: Láminas y cortes industriales, Taller Victoria,

Representaciones industriales, Ing. Y Filtraciones Ltda.

184

La lista preliminar de Componentes aparece en Tabla 65, preliminar de las Partes

Propias aparece se aprecia en la Tabla 66 y la lista preliminar de la Materia Prima

muestra en la Tabla 67

Tabla 65. Lista de partes estándares preliminares.

CANTIDAD DESCRIPCION 1 Ventilador del cilindro 1 Reductor de velocidad del cilindro 1 Motor eléctrico del Reductor de velocidad del cilindro 1 Guarda motor 1 Ventilador del hornillo 1 Variador de velocidad 1 Reductor de velocidad del tornillo sin fin 1 Motor eléctrico del Reductor de velocidad del tornillo sin fin 2 Celdas de carga 1 Caja sumatoria 2 Termocuplas 1 Controlador Lógico Programable con Panel Integrado de Operación. HMI 1 Modulo de entrada y salida digital 1 Modulo para expansión de celda de carga 1 Modulo de expansión de termocupla

Tabla 66. Lista de Partes Propias (Preliminar)

CANTIDAD DESCRIPCION 1 Cilindro Exterior 2 Tapa lateral 1 Cilindro Interior 2 Tapa lateral 1 Cilindro interior difusor de aire 1 Eje en acero 1 Aislante térmico 1 Engrane 1 Piñón 1 Cadena 2 Buje

185

Tabla 67.Materia Prima (Preliminar)

DESCRIPCION Acero inoxidable “A36” Poliuretano expandido

Acero 10-40 Acero inoxidable “A36”

Se debe tener presente el costo de los componentes los cuales se subdividen en

partes o componentes estándares y partes o componentes propios para saber el

costo de manufactura, los elementos del costo de manufactura aparecen en la

Figura 76.

Figura 76. Elementos del costo de manufactura

10.2. PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DEL DISEÑO PARA MANUFACTURA

A continuación para cada pieza (ver Tabla 68 y Tabla 69) se describe el Proceso

de manufactura utilizado (Proceso), el costo de maquinado y material (Costo),

otras características (Detalles).

186

Tabla 68. Elementos utilizados (A).

Nombre Material Proceso Costo Detalles

Lamina sin perforar $1 221 259 Espesor 1,9. Calibre 14, 1,2m x 3,3186m

Curvado $59 598 Cilindro Exterior Acero inoxidable “A36”

Soldado $400 000

Lamina sin perforar $272 00 + IVA Espesor 1,9; Calibre 14, 1,056m x 1,056m Tapa lateral Acero inoxidable

“316” Corte del disco $20 000

Lamina perforada $480 000 + IVA Agujero de 3mm, Espesor 4mm 1,71m x 1,005312m

Curvado $55 000 Cilindro Interior Acero inoxidable “316”

Soldado $375 000

Tapa lateral Acero inoxidable “316” Lamina sin perforar $250 000 + IVA Diámetro 0,956mts.

Cilindro interior difusor de aire

Acero inoxidable “A36”

Filtro circular Lamina perforada

$865 000+ IVA.

Diámetro 0,32m Longitud 1,71mts Agujeros 4mm.

Lamina sin perforar $445 000 Curvado $30 000 Eje en acero Acero inoxidable

“A36” Soldado $35 000

Espesor 3/2” o 1,5cm Longitud 1,8m Diámetro 35cm

1,09956m x 1,8m

Aislante térmico Poliuretano expandido $350 000 Espesor 4cm

Engrane Acero 10-40 $261 219+IVA con tratamiento térmico Piñón Acero 10-40 $32 035+IVA. Tratamiento térmico. Cadena Acero $26 730 + IVA 1,62m

Unión Cadena $1 500 + IVA

Buje Bronce Diámetro 0,32mts

187

Tabla 69. Elementos utilizados (B)

NOMBRE COSTO DETALLES Nº Ventilador oxigenador hornillo $230 000 + IVA. Diámetro 10” 766CFM 110Volt 1 Reductor de velocidad del cilindro $1 237 000 + IVA Velocidad salida 29RPM 0,4HP 1 Motor eléctrico del Reductor de velocidad del cilindro $272.000 + IVA 1/3Hp 1800RPM 110-220Volt marca Siemens 1

Guarda motor $384 563 Monofásico Siemens. Cerrado. Norma IP 55 (protegidos contra el polvo) de 110 a 230Volt. 1

Ventilador del hornillo $2 000 000+ IVA 900 CFM , 4.3H2O, 1588RPM 1 Variador de velocidad ventilador oxigenador 1

Reductor de velocidad del tornillo sin fin $980 000+IVA Velocidad salida 1,96RPM 0.4HP 1

Motor eléctrico del Reductor de velocidad del tornillo sin fin 1/3Hp 1200RPM 110-220Volt marca Siemens

Celdas de carga $1 956 000 compresión 1500lb para tanques 2

Caja sumatoria $434 000 Para 4 celdas de carga 1 Termocuplas $60 000 Tipo J 2 Controlador Lógico Programable con Panel Integrado de Operación. HMI $1.196.000 Graphic 64128 ,CAN

2 RS232

Modulo de entrada y salida digital $450.000 18 Digital Inputs, 15 Relay Output, 2 transistor output,4 analog input, 4 analog output

Modulo para expansión de celda de carga $596.000 1 celda de carga , 1 digital input / 1 setpoint digital output

Modulo de expansión de termocupla $706.000 8 termocuplas /Analog Inputs

Modulo de expansión $150.000 Expansión adaptador 12/24 VDC

188

10.2.1. Reducción Del Costo De Los Componentes. La mayoría de las

partes que lo conforman el diseño del producto son propias, ya que son diseñadas

por el grupo de trabajo, el uso de partes estándares esta un poco restringido, ya

que todas estas piezas deben ser maquinadas. Sin embargo en el diseño de las

piezas propias se buscó minimizar el tiempo de maquinado, utilizando formas poco

complejas que permitieran un maquinado más fácil y rápido.

10.2.2. Reducción De Costos Para Ensamblaje. La integración de partes

permite reducir el número de las mismas, reduciendo tiempo estimado del

Ensamblaje:

Tiempo Estimado de Ensamble: 48 horas

ensamble para estimado total Tiempo segundos3 (teórico) partes de mínimo #DPEIndice

Para reducir el tiempo de ensamble se debe tener en cuenta:

• Minimizar el numero de partes

• Valorar uma arquitetura modular

• Apilar los ensambles

• Eliminar ajustes

• Eliminar cables

• Usar partes auto ajustables

• Usar partes auto localizables

• Eliminar la reorientación

• Facilitar la manipulación

• Especificar partes estándares

189

11. DISEÑO DETALLADO

Dentro de este se determina los elementos, piezas y dispositivos que finalmente

serán desarrollados. Este proyecto por ser de carácter mecatrónico consta de

diferentes áreas del conocimiento como son la ingeniería mecánica, electrónica y

de software.

11.1. SISTEMA MECÁNICO El sistema mecánico esta compuesto por la parte térmica y estructural del equipo

(horno- cilindro contenedor de café y el hornillo que genera la combustión para

suministrar el aire caliente al sistema.

Es fundamental tener un sistema de diseño mecánico estable estructuralmente,

buena relación resistencia-costo de materiales y alta precisión; cumpliendo estas

características se le brinda mayor robustez a los demás sistemas permitiéndole un

mejor funcionamiento en conjunto y una disminución en el error de las variables

involucradas en el proceso Ver Figura 77 y Figura 78.

11.2. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO CONTROL.

Se describe el sistema de control del equipo, en especial aquellas que van a ser

utilizadas en la etapa de control, se ilustran sus partes, se da una breve inducción

sobre el manejo de su programación, además de todo sobre la funcionalidad del

190

equipo a operar. Se tomo como equipo de control el autómata: Unitronics Visión

OPLC-230 (Grafico Operador Lógico Programable). Ver Anexo 5. Descripción

Equipo De Control.

191

Figura 77.Horno Cilindro Contenedor de Café

HORNO CILINDRICO CONTENEDOR DE CAFÉ

Horno Contenedor de Café rotativo: este es el deposito de para 40@

de café

Pedestal : Soporte del Horno

Figura 78. Hornillo

HORNILLO

Ventilador Pequeño: Oxigena el hornillo

Hornillo : quemador de combustible

Alimentador de Combustible: proporciona la

cascarilla al hornillo.

Ducto: permite viajar el aire

caliente a través de su interior

Ventilador Grande: Proporciona el flujo de aire necesario para secar el café

192

Tabla 70. Descripción de partes principales.

CLAVE NOMBRE DE LA PARTE C-CC Contenedor de combustible TS-01 Tornillo sin fin alimentador. Mot1 Motor del TS-01 H-01 Hornillo

CH-01 Chimenea Ce-01 Cenicero (Zona de descarga de cenizas.) V-H01 Ventilador – hornillo Mot4 Motor del V-H01

V-C02 Ventilador del cilindro Mot2 Motor del Ventilador del Cilindro

D-EAC Ducto de entrada del aire al Cilindro C-S01 Cilindro Secador de Café. Z-C01 Compuerta del Cilindro

B-DC01 Bandeja de descarga del café E-01 Engrane del sistema de transmisión de potencia P-01 Piñón del Cilindro de transmisión de potencia Mot3 Motor del sistema de transmisión de potencia T-C01 Tolva contenedora de café.

193

Figura 79. Partes principales

194

Tabla 71. Descripción de instrumentación y control.

Clave Nombre T-01 Termocupla No 1 T-02 Termocupla No 2

CC-01 Celda De Carga No1 CC-02 Celda De Carga No2 C-Z01 Caja Sumatoria VV-01 Variador De Velocidad PC-01 Pantalla De Control (HMI) ZC-01 Zona De Control Del O’PLC

TKP-01 Teclas De Mando Del O’PLC STA Star. ST Stop #0 Automático #1 Manual #2 Manual encender Mot1 #3 Manual encender Mot2 #4 Manual encender Mot3 #5 Velocidad Mot4 (velocidad. Alta) #6 Velocidad Mot4 (velocidad. Media) #7 Velocidad Mot4 (Velocidad. Baja) #8 Reset de Alarmas TA Temperatura ambiente y final del proceso Tpe Temperatura por encima de 55ºC Ce Alarma Para Apertura de compuerta para enfriamiento Fm Fallo de Alguno de los motores

Figura 80. Ubicación de la parte de Instrumentación y control

195

Figura 81. Pantalla de control HMI (PC-01)

Tabla 72. Descripción de corrientes principales.

CLAVE CORRIENTE Aire de proceso Café Cascarilla de café Aire de descarga (co2)

196

Figura 82. Corrientes principales.

11.3. DISEÑO DE CONTROL DEL SISTEMA

Constituye una parte muy importante en el sistema de control de manejo del

proceso de secado del café, por esto el análisis se da en:

Análisis de las diferentes partes del sistema de secado del café.

Funcionamiento global del sistema

Diseño lógico de control.

Funcionamiento detallado del sistema.

Diseño de control en Grafcet.

En esta parte se proporciona una descripción del equipo y su funcionamiento,

donde se analizan las diferentes etapas por las cuales atraviesa el proceso de

197

secado en la máquina. A raíz de esto se expone el flujo de control y del equipo a

funcionar, para una mejor compresión se presenta una vista de la secadora de

café en la Figura 83.

El sistema de secado consta de las siguientes partes:

Contenedor de combustible

PRE-secadora y suministradora (tolva de café)

Hornillo

Secadora de café (Cilindro contenedor de café)

La instrumentación y control(PLC)

Contenedor de combustible: incluye un depósito contenedor del combustible

(cascarilla de café), un tornillo sin fin, un motor de accionamiento del tornillo sin fin.

(Ver Figura 83)

Figura 83. Vista física de la secadora de café.

198

Presecadora y suministradora: incluye un recipiente contenedor de café, cilindros

de inyección de calor.

Hornillo: incluye un cenicero, un sistema de intercambiador de café, un ventilador

de oxigenación del hornillo. (Ver Figura 83)

Cilindro contenedor de café: incluye tres cilindros, poliueretano expandido (sistema

de aislamiento de calor), un ventilador, un sistema de transmisión de cadena

compuesta por una catalina, un piñón y su respectiva cadena. (Ver Figura 83)

Instrumentación: incluye dos celdas de carga, una caja sumatoria, dos

termocuplas, un variador de velocidad para el ventilador del hornillo.

11.3.1. Funcionamiento global del sistema. Se describe de manera global el

funcionamiento del sistema. Antes de dar accionamiento al autómata se debe

llenar la tolva, en forma manual esta proporcionara la medida exacta de un 88%

del volumen que se debe suministrar al cilindro contenedor de café ya presecado.

Lleno el cilindro de café, se da paso a llenar de nuevo la tolva, que aprovechando

el aire caliente que sale del cilindro, presecara el café contenido en ella. Una vez

se lleno el cilindro de café, se debe tapar, previamente se prendera una hoguera

dentro del hornillo en forma manual para dar inicio al sistema de combustión de la

cascarilla de café. ; Luego se da arranque al autómata, continuación la celda de

carga sensa el peso total del cilindro, en el cual por programación interna del

autómata, se dan los parámetros del peso inicial y final del café.

Rápidamente, se da arranque inicial al ventilador del hornillo, este proporciona aire

caliente (proveniente del hornillo) al cilindro, al tiempo se activa el motor que hace

rotar el cilindro contenedor de café; inmediatamente el sensor de temperatura

199

registra la temperatura del cilindro, dependiendo de la temperatura registrada, el

ventilador oxigenador logra tres rangos de flujo de aire (mayor, media o baja)

cantidad de oxigeno, al tiempo que activara o desactivara la alimentación del

hornillo dependiendo del registro de temperatura entregada.

Como se sabe que la variable de temperatura es una señal difícil de controlar

entonces esta controlada por la velocidad del ventilador del hornillo, manejado a

través de un PWM, el cual si es mayor de la temperatura ambiente y menor que

los 45ºC esta activara una velocidad del ventilador del hornillo a alta velocidad,

proporcionando mayor cantidad de aire al cilindro, al mismo tiempo el tornillo sin

fin dosifica combustible al hornillo en proporción constante.

Si la temperatura registrada se encuentra entre los 45ºC y es menor de 49ºC

mantendrá una velocidad media, aquí también el tornillo sin fin dosifica

combustible al hornillo en proporción constante, para cuando esta entre los 49 y

los 52ºC este bajara la cantidad de aire proporcionado al hornillo, mientras el

tornillo sin fin se detiene y deja de dosificar combustible al hornillo. Ya cuando la

temperatura es mayor de los 52ºC, no se modificara la velocidad, al igual el tornillo

sin fin no dosifica combustible al hornillo, para disminuir la cantidad de calor

presente en el hornillo.

Una vez se llega al peso deseado, se apagara el ventilador del cilindro, el motor

que da movimiento al cilindro. El ventilador del hornillo debe mantenerse

encendido proporcionando una velocidad baja para mantenerlo caliente, luego se

debe ubicar el cilindro con la tapa hacia la parte superior para abrir la compuerta

permitiéndole a este sacar el calor contenido en el hacia el exterior. Una vez el

cilindro llegue a temperatura ambiente, se debe cerrar la tapa del cilindro para

ubicar de nuevo la tapa en posición para sacar el café.

200

11.3.2. Diseño lógico de control. Las variables que se usaran en el diseño lógico de control son: Variables de entrada: Se presentan en la Tabla 73, Variables de salida: Se presentan en la Tabla 74, Variables usadas en el HMI: Se presentan en la Tabla 75, Variables para Fallo peso y Temperatura: Se presentan en la

11.3.3. Tabla 76.

El sistema de modo manual o automático aparece en la Figura 84, en la Figura 85

el diseño lógico del manual, en la Figura 86 el diseño lógico de automático, en la

Figura 87 diseño lógico para fallo térmico de motores o alarma de temperatura, en

la Figura 88 el diseño lógico de guarda variable PesF si ocurre algún fallo y en la

Figura 89 el diseño lógico de llamada de verificación si existe algún dato en la

variable de proceso PesF

Tabla 73. Entradas en la secuencia lógica de control.

Nombre de variable Descripción Te0 Señal Térmico del motor Tornillo sin fin Te1 Señal Térmico del motor Ventilador Cilindro Te2 Señal Térmico del motor Giro del Cilindro Te3 Señal Térmico del motor Ventilador Hornillo STA Start ST Stop Pe1 Señal de Peso proveniente de la caja sumatoria T1 Señal 1 de Temperatura T2 Señal 2 de Temperatura

201

Tabla 74. Salidas en la secuencia lógica de control. Nombre de

variable Descripción

Mot1 Motor tornillo sin fin (dosificador de combustible) Mot2 Motor del hornillo Mot3 Motor Giro del Cilindro M4Va Motor ventilador Oxigenador(proporciona aire al hornillo mayor flujo de aire) M4Vm Motor ventilador oxigenador(proporciona aire al hornillo mediano flujo de aire) M4Vb Motor Ventilador oxigenador(Proporciona aire al hornillo bajo flujo de aire)

TA Temperatura ambiente y final del proceso Tpe Temperatura por encima de 55ºC Fm Fallo de Alguno de los motores Ce Alarma de aviso de Apertura de compuerta para enfriamiento

Tabla 75. Teclas a usar del HMI en la secuencia lógica de control

Nombre de variable Descripción A Seleccione el Control del PLC “Automático” M Seleccione el Control del PLC “Manual” M1 Manual encender Mot1 M2 Manual encender Mot2 M3 Manual encender Mot3 Va Vent oxigenador (vel. Alta) Vm Vent oxigenador (vel. Media) Vb Vent oxigenador (vel. Baja) RA Reset de Alarmas

Tabla 76. Memorias para fallo, peso y temperatura.

Nombre de variable Descripción Pes Guarda el peso

PesF Guarda el Peso Final Tp Señal Temperatura Ambiente

Ter0 Memo interna para fallo en Térmico 1 Ter1 Memo interna para fallo en Térmico 2 Ter2 Memo interna para fallo en Térmico 3 Ter3 Memo interna para fallo en Térmico 4

202

Figura 84. Modo Manual o Automático

203

Figura 85. Diseño lógico del Manual

204

Figura 86. Diseño lógico de Automático

205

Figura 87. Diseño lógico para fallo térmico de motores o alarma de temperatura.

Figura 88. Diseño lógico de Guarda variable PesF si ocurre algún fallo.

206

Figura 89. Diseño lógico de llamada de verificación si existe algún dato en la

variable de proceso PesF.

11.3.4. Funcionamiento detallado del sistema control. Al dar Inicio el PLC le

pregunta al usuario si desea dar funcionamiento al sistema en forma manual o

automática ver (Figura 84, Figura 90 y Figura 97, del Manual de HMI). El usuario

podrá escoger por medio del Keypad la opción de automático o manual a través

de las teclas #0 me da al modo automático o #1 que da al modo manual.

Modo Automático Ver (Figura 86, Figura 92, y Figura 99): Si el usuario escoge la

opción de automático por medio del Keypad #0, una vez activada la forma

automático se da paso a la lectura del peso del café, el programa internamente

toma la señal de la celda de carga, la procesa y la guarda en la memoria M1

(“Pes”), por procesamiento de datos obtiene el peso final, el dato obtenido es

guardado en la memoria M2 llamada “PesF”, luego compara el peso actual con el

peso al cual tiene que llevar el café, si este “Pes” es mayor que “PesF” entonces

207

se activa la salida O2 (“Mot2”), esta salida “Mot2” energiza un temporizador T1 el

cual después de 10s, activa la salida O3 (“Mot3”).

Una vez es activada el Mot3 se da paso a la lectura de temperatura, el programa

internamente toma la señal procedente de las dos Termocuplas, procesa las dos

señales, las promedia, y guarda el dato obtenido en la memoria M3 (“Tp)”, este

dato de la memoria entra en un ciclo AND donde dependiendo de la temperatura

registrada podrá actuar de cuatro formas:

Si el dato registrado Tp es mayor o igual a 26ºC y menor que 45ºC si se

activa, este activara la señal del PWM el cual energiza una señal de salida OA

(M4Va), esta aumentara la velocidad del ventilador del hornillo proporcionando

mayor porcentaje de oxigeno al hornillo para una buena combustión y así

incrementar la temperatura. En este caso se activa la señal O1 (“M1”) que es el

motor del tornillo sin fin el cual proporciona combustible al hornillo.

Si el dato registrado Tp es mayor o igual a 45ºC y menor que 49ºC si se

activa, este energizara la señal del PWM el cual activa una señal de salida OA

(M4Vm) la cual proporciona una mediana cantidad de aire, oxigenando al hornillo

para mantener una buena combustión y así tratar de aumentar en poca cantidad

esta temperatura. Aquí también activa la señal O1 (“M1”) que es el motor del

tornillo sin fin el cual proporciona combustible al hornillo.

Si el dato registrado Tp es mayor o igual a 49ºC y menor que 52ºC si se

activa, este energizara la señal del PWM el cual activa la señal de salida OA

(M4Vb), donde esta señal proporciona en baja cantidad aire, oxigenando al

hornillo para mantener la temperatura en este rango que es la optima para un

secado de café. De igual forma se desactiva la señal OD1 llamada “M1” que es el

motor del tornillo sin fin el cual proporciona combustible al hornillo.

208

Si el dato registrado Tp es mayor a 52ºC se activa, este des-activa la salida

OA des-energizando las opciones del PWM llamadas M4Va, M4Vm y M4Vb, los

cuales desactivadas no proporcionan aire, des-oxigenando al hornillo logrando así

bajar la temperatura de este. Aquí también se desactiva O1.

Una vez el peso actual que esta siendo actualizado en la variable “Pes”, es menor

o igual que “PesF” se energiza la salida OA (M4Vb), y se desactivan las salidas

O1, O2, O3, al tiempo que se activa la salida O10 llamada Ce que es la alarma de

aviso de abrir la compuerta para enfriamiento, en este momento se debe ubicar el

cilindro de modo que la tapa que sella el cilindro, quede en la parte de arriba, así

lograr que el calor contenido en el salga al exterior, así lograr mas rápidamente

que la temperatura del cilindro llegue a temperatura ambiente.

Ahora una vez el dato registrado Tp es menor o igual a 26ºC, entonces se

energiza la señal de salida de temperatura ambiente y final del proceso llamada

TA, de igual forma se tapa la compuerta para ubicar cilindro contenedor de café a

la posición en la cual sea más viable sacar el café. Ahora estará en el usuario la

decisión de alimentar o no de nuevo el cilindro de café, para así seguir con el

proceso de secado, de un nuevo suministro de café.

Si el usuario quiere seguir con el proceso de secado, entonces llena de nuevo

tanto el cilindro contenedor de café, así como también el dosificador de café (ver

Figura 83); luego tapa el cilindro contenedor de café, pulsa la tecla # 4 del Keypad,

esta tecla energiza las salidas de TA, al tiempo que se energizan las salidas O2

llamada Mot2 que es el motor del ventilador del cilindro, una vez energizado la

salida Mot2 se energiza un temporizador T2 de 10s, pasado este tiempo, se

energiza la salida O3, (Mot3), que se encarga de darle movimiento al cilindro

contenedor de café, y así de nuevo continuar con el inicio del proceso. Es

importante saber que no se desaprovecha la energía contenida en el hornillo, dado

209

que la salida del ventilador OA (M4Vb), continúa energizada para igualmente no

apagar el ardor contenido en el hornillo y esta energía sea reutilizada de nuevo,

una vez el usuario halla tomado la decisión de volver a depositar una nueva

cantidad de café.

Modo manual: Ver (Figura 85, y Figura 98). Si el usuario escoge la opción de

manual por medio del Keypad #1, una vez activado de modo automático se da

paso a la lectura del peso del café; el programa internamente toma la señal de la

celda de carga, la procesa y la guarda en la memoria M1 (Pes), por procesamiento

de datos obtiene el peso final; el dato obtenido es guardado en la memoria M2

(PesF), luego compara el peso actual con el peso al cual tiene que llevar el café, si

este Peso es mayor que PesF, entonces el usuario por medio del keypad debe

pulsar la tecla #3 (llamada M2), energiza OD2 (Mot2), de igual forma esta salida

Mot2 energiza un temporizador T1 el cual después de 10s, el usuario debe pulsar

la tecla #4, llamada M3, que energiza la salida OD3 (Mot3).

Una vez es activada el Mot3 se da paso a la lectura de temperatura, el programa

internamente toma la señal procedente de las dos Termocuplas, procesa las dos

señales, las promedia, y guarda el dato obtenido en la memoria M3 (Tp). Si el dato

de temperatura registrado es menor que 50ºC, entonces el usuario estará en

disponibilidad de usar las teclas del Keypad, para aumentar en mayor o menor

grado la temperatura del cilindro dependiendo de la velocidad del ventilador del

hornillo, usando las teclas #5, #6 o #7 que energiza la salida del ventilador del

hornillo para una mayor, mediana o baja velocidad respectivamente. Al igual se

activa la salida OD1 (Mot1) solo para cuando la temperatura del cilindro esté por

debajo de los 50ºC, de lo contrario este se desactivará. Una vez éste llegue a los

48ºC por la inercia del sistema, es muy probable que ella siga aumentando, si el

usuario tiene una velocidad alta o media en el ventilador del hornillo, de pronto

puede llegar a obtener una temperatura inadecuada, la cual puede quemar el café,

210

entonces el programa automáticamente energiza la opción M4Vb activando la

salida OA, y desenergiza las demás opciones de velocidad M4Va y M4Vm, para

mantener esta temperatura, dándole opción al usuario de manejar esta velocidad

de nuevo, solo si ésta baja de los 48ºC.

Una vez el peso actual que está siendo actualizado en la variable Pes es menor o

igual que PesF se energiza la salida OA (M4Vb); ésto para que no se apague el

hornillo y siga ardiendo, para mantener el calor dentro de éste, al tiempo que se

activa la salida O10 (Ce) que es la alarma de aviso de abrir la compuerta del

cilindro para enfriamiento. Ver Figura 104 del Manual de HMI.

Para lograr más rápidamente que la temperatura del cilindro llegue a temperatura

ambiente, aquí también se desenergiza la salida del motor del ventilador del

cilindro O2 (Mot2) y del motor del giro del cilindro O3 (mot3), para así poder abrir

la compuerta del cilindro para enfriamiento. Ver Figura 83.

.

Ahora una vez el dato registrado Tp es menor o igual a 26ºC, entonces se des-

energiza la señal de salida de temperatura ambiente y final del proceso (TA), al

tiempo que se des-energiza la salida del motor del ventilador del cilindro O2 (Mot2)

y del motor del giro del cilindro O3 (mot3), para así poder sacar el café.

Ahora estará en el usuario la decisión de alimentar o no de nuevo el cilindro de

café, para continuar con el proceso de secado, de un nuevo suministro de café. Si

el usuario quiere seguir con el proceso de secado, llena de nuevo el cilindro

contenedor de café, lo tapa, llena de igual forma el dosificador de café y pulsa la

tecla # 4 del Keypad; esta tecla, energiza las salidas de TA, para volver al estado

inicial de ella, al tiempo que se energiza O2 (Mot2), que es el motor del ventilador

del cilindro. Luego se energiza un temporizador T2 de 10s, pasado este tiempo se

energiza la salida O3 (Mt3), que es la encargada de darle movimiento al cilindro

211

contenedor de café, y continuar con el inicio del proceso. Cabe notar que no se

desaprovecha la energía contenida en el hornillo, ya que la salida del ventilador

OA (M4Vb) continúa energizada, para igualmente no apagar el ardor contenido en

el hornillo y esta energía sea reutilizada una vez se halla depositado la nueva

cantidad de café.

Interrupciones. La interrupción guarda el peso final si ocurre algún fallo. Si de

alguna forma ocurre alguna falla, se desenergizan todos los motores, pero antes,

una subrutina de fallo. Ver (Figura 88 y Figura 94) verifica si el dato de peso actual

de la variable Pes, es mayor o igual, que el peso al cual tiene que llevar el café. Si

Pes, es mayor que PesF, entonces el proceso guarda el dato del peso, al cual

tiene que llevar el café “PesF”, en una memoria protegida (No volátil) “PesF1”. Si

el sistema, de nuevo se enciende, este peso guardado, es de nuevo llamado Ver

(Figura 89 y Figura 95) y lo que había en “PesF1”, es dado a la variable “PesF” y

así continúa con el proceso.

A modo de fallo Tanto en el modo automático como a modo manual verifican a

modo de fallo.

Para fallo en motores: La subrutina a modo de fallo (Ver Figura 86, Figura 93 y

Figura 103), se inicia en un ciclo AND donde recorre todas las entradas de los

térmicos. Si se desenergiza alguna de las entradas de los térmicos de los cuatro

motores (Te0, Te1, Te2, Te3), esto activará, dependiendo del térmico y la

memoria correspondiente, el Ter0, Ter1, Ter2 o Ter3 respectivamente. Al tiempo

ésta desenergizará la alarma de fallo Fm, dando alerta de fallo de alguno de los

motores; entonces el programa guarda la variable PesF en una memoria no volátil

PesF1, para no perder el dato, y así, si desea seguir con el proceso este dato se

mantenga; inmediatamente, el programa, se queda esperando que el usuario

resetee (reset) las alarmas por medio del Keypad usando la tecla #8 (Ra), como

212

se aprecia en la Figura 129, esta desenergiza las memorias internas para fallo en

los térmicos, al mismo tiempo que energiza la salida Q9 (Fm).

Cuando la temperatura es mayor a 55ºC y ninguno de estos térmicos se

encuentra activo y que la temperatura dentro del cilindro sea igual o mayor a 55ºC,

entonces se desenergiza la salida O3 (Tpe), que indica que el cilindro esta por

encima de esta temperatura, la cual no es deseable para el café, dado que lo

puede quemar. Luego cualquiera que sea el caso, el usuario debe dar click a la

señal de reset por medio del Keypad, pulsando la tecla #8, que es (Ra) ver Figura

129, al darse esta señal, resetea los térmicos y la señal de salida Tpe se

energiza. Ver Figura 104. Si por el contrario esto no ocurre el programa debe

continuar con el proceso normal.

11.3.5. Diseño de control en grafcet. A continuación se modela por medio de

Grafcet el cual es un programa estándar.

Variables de entrada: se presentan en la Tabla 7

Variables de salida: Se presentan en la Tabla 78

Teclas usadas del HMI: Se presentan en la Tabla 79

Memorias usadas en el sistema: Se presentan en la Tabla 80.

213

Tabla 77. Variables de entrada del sistema.

Tipo Dirección PLC

Nombre de variable Descripción

Entrada Digital I1 STA Start Na Entrada Digital I1 ST Stop Nc

Entrada Análoga OA3 Pe1 Señal de Peso proveniente de la caja sumatoria X

Entrada Análoga OA0 T1 Señal 1 de Temperatura X Entrada Análoga OA1 T2 Señal 2 de Temperatura X

Tabla 78. Salidas del sistema.

Tipo Dirección PLC

Nombre de variable Descripción

Salida Digital OD0 Mot1 Motor tornillo sin fin Na Salida Digital OD1 Mot2 Motor del cilindro Na Salida Digital OD2 Mot3 Motor Giro del Cilindro Na

M4Va Motor ventilador oxigenador(proporciona aire al hornillo a mayor flujo de aire) Na

M4Vm Motor ventilador oxigenador (proporciona aire al hornillo a mediano flujo de aire) Na Salida

análoga OA

M4Vb Motor Ventilador oxigenadro (Proporciona aire al hornillo a bajo flujo de aire) Na

Salida Digital OD3 TA Temperatura ambiente y final del proceso Nc Salida Digital OD4 Tpe Temperatura por encima de 55ºC Nc

Salida Digital OD5 Ce Alarma de aviso de Apertura de compuerta para enfriamiento Nc

Salida Digital OD6 Fm Fallo de Alguno de los motores Nc

Tabla 79. Teclas usadas del HMI en el sistema

Tipo Dirección PLC

Nº de la tecla.

Nombre de variable Descripción

Key Pad SB40 Key #0 A Seleccione el Control del PLC “Automático” Na

Key Pad SB41 Key #1 M Seleccione el Control del PLC “Manual” Na Key Pad SB43 Key #2 M2 Manual encender Mot1 Na Key Pad SB43 Key #3 M2 Manual encender Mot2 Na Key Pad SB44 Key #4 M3 Manual encender Mot3 Na Key Pad SB45 Key #5 Va Vent oxigenador (vel. Alta) Na Key Pad SB46 Key #6 Vm Vent oxigenador (vel. Media) Na Key Pad SB47 Key #7 Vb Vent oxigenador (vel. Baja) Na Key Pad SB48 Key #8 RA Reset de Alarmas

214

Tabla 80. Memorias usadas en el sistema.

Tipo Dirección PLC

Nombre de variable Descripción Tipo

Memoria M1 Pes Guarda el peso X Memoria M2 PesF Guarda el Peso Final X Memoria M3 Tp SeñalTemperatura Ambiente X Memoria M4 Ter0 Memo interna para fallo en Térmico 1 X Memoria M5 Ter1 Memo interna para fallo en Térmico 2 X Memoria M6 Ter2 Memo interna para fallo en Térmico 3 X Memoria M7 Ter3 Memo interna para fallo en Térmico 4 X

11.3.6. Funcionamiento de grafcet. El funcionamiento Grafcet se plantea mediante: la etapa de escoger entre modo Manual y Automático (Figura 90), subrutina de manual Grafcet (Figura 91), subrutina de automática Grafcet (Figura 92), subrutina de interrupciones para fallo de motores o fallo de temperatura (Figura 93), subrutina de Fallo (Figura 94) y llamada a subrutina de toma de dato (Figura 95),

11.3.7. Figura 92.

Figura 90. Etapa de escoger entre modo Manual y Automático

215

Figura 91. Subrutina de Manual en Grafcet.

216

Figura 92. Subrutina de Automático en Grafcet.

217

Figura 93. Subrutina de interrupciones para fallo de motores o fallo de temperatura

Figura 94. Subrutina de Fallo. Guarda el Dato de PesF en PesF1 hasta volver a

iniciar el proceso.

218

Figura 95. Llamada a subrutina de toma de dato PesF1 y lo asigna a la variable de

proceso PesF

11.3.8. El HMI de Planta de Secafé. Una de las herramienta dadas por el PLC

a operar es el de poseer interfaz grafica con el usuario, para esto se dan los

diferentes pantallas, con las que el usuario sabrá la situación actual del equipo

cuando este operando y además podrá estar en contacto con el equipo, por medio

del teclado.

Manual HMI versión.

La Figura 96 es de aviso de entrada al logo.

La Figura 97 Figura 98 y Figura 99 son de selección de control.

La Figura 100, Figura 101 y Figura 102 son de mando, operación y monitoreo

de dispositivos de campo

La Figura 103 muestra el estado de avisos y alarmas de los motores, al tiempo

que le da la opción al usuario de reset desde la pantalla para reiniciar el proceso si

aun no ha terminado el proceso.

219

La Figura 104 muestra el estado de avisos y alarmas de Proceso, y como en

la anterior le da la opción al usuario de reset desde la pantalla para reiniciar el

proceso si aun no ha terminado el proceso.

Diferentes visualizaciones del HMI. Una de las características ofrecidas por el

equipo, es la interfaz grafica. Con esta se logra un mejor manejo del sistema de

control ya que el usuario interactúa con la máquina.

11.3.9. Descripción de las pantallas. Aparece un aviso general de entrada al

proceso en la Figura 96.

Figura 96. Aviso de Logo de la empresa

En la Figura 97 el usuario escoge el modo de entrar en el sistema si de forma

automática o manual.

220

Figura 97. Tipo de control

En la Figura 98 se puede ver el HMI confirma de nuevo la opción registrada por el

usuario si lo desea de forma manual lo confirmara oprimiendo la tecla Star dando

arranque al programa en forma manual, si por el contrario tomar la opción de

automático oprimirá la tecla stop

Figura 98. Modo Manual

En la Figura 99 el HMI confirma de nuevo la opción registrada por el usuario, si lo

desea de forma Automático, lo confirmara oprimiendo la tecla Star, dando

arranque al programa en modo Automático, si por el contrario toma la opción de

manual oprimirá la tecla stop

221

Figura 99. Modo Automático

El HMI dará un ON en caso de energizarse algún motor del sistema de secado de

café o un OFF en caso de estar apagado, alguno de estos motores como se

puede ver en la Figura 100.

Figura 100. Motores en modo Automático

Al igual que en el caso anterior el usuario podrá darse cuenta a través del interfaz

del HMI, que motor será energizado dando como señal un ON o cual esta des-

energizado apagado recibiendo como señal de OFF esto para cada motor (Figura

100).

222

Figura 101. Motores en modo Manual.

En la Figura 102, el usuario podrá observar a través del interfaz del HMI que dato

arroja las dos termocuplas y la celda de carga para mirar la temperatura y el peso

respectivamente, este es importante, dado que si se encuentra en forma manual

garantizara un mejor control del proceso de acuerdo a los datos suministrados en

la pantalla.

Figura 102. Estado de las variables

El usuario podrá observar a través del interfaz del HMI que dato que arroja las

alarmas para cada uno de los motores en caso de falla de alguno de los térmicos,

al tiempo que da aviso para reiniciar las variables del sistema, ver Figura 103.

223

Figura 103. Estado de los Motores

En la Figura 104 el usuario podrá observar si se ha finalizado el proceso de

secado de café a través de la activación del aviso “Tem Amb y Fin Proceso” el

cual le indicara que ya es hora de sacar el café.

Figura 104. Alarmas

Otra de las alarmas que se puede observar en caso de encendida es “Tem

Excedió 55ºC” en este caso se encenderá al lado izquierdo el botón de cuadro.

224

El sistema da aviso por medio de la interfaz de abrir la compuerta una vez el peso

halla alcanzado el peso ideal, para que el sistema tome la temperatura ambiente y

así poder sacar el café mas rápidamente.

11.4. PLANOS DE ENTRADAS Y SALIDAS

Se suministra la distribución a la conexión de las diferentes entradas y salidas

usadas dependiendo del equipo escogido. Ver Anexo 30, Anexo 31, Anexo 32,

Anexo 33).

11.5. PLANOS DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA.

Se muestra la distribución eléctrica de los diferentes motores, que va a manejar el

proyecto. Ver Figura 105.

Figura 105. Esquema de Fuerza

225

12. PROTOTIPO

12.1. PROTOTIPO ANALÍTICO: SISTEMA MECÁNICO

Usando el software de SOLI EDGE, que es un sistema de diseño asistido por

ordenador (CAD) para el modelo de conjuntos y de piezas mecánicas y la

producción de planos, se detalló cada uno de los elementos planteados del diseño

de la máquina, para tener clara la ubicación del dispositivo dentro de un espacio y

para tener una ilustración clara de su apariencia real.

Estas observaciones contribuyeron a realizar cambios de carácter estético y

funcional al proyecto. Tal es el caso de la ubicación del cilindro contenedor de

café, el ducto que requiere para el suministro de aire caliente, la ubicación del

sistema de control que debe de estar a una cierta distancia del hornillo y el horno-

contenedor de café debido a la temperatura por cuestiones de precaución. Al

observar todo el modelo planteado se puede hacer un mejor aprovechamiento del

espacio con componentes anexos como motor, ventilador, tolva descarga de café,

tolva de combustible, etc.

El desarrollo de los planos se realizó utilizando herramientas Solid Edge (Planos

Mecánicos del diseño de la máquina). En la Figura 106 aparece el prototipo virtual

modelado en Solid Edge.

226

Figura 106. Prototipo virtual modelado en Solid Edge

227

13. CONCLUSIONES

En el proyecto se logro reforzar y ampliar nuestros conocimientos, adquiridos

en el desarrollo de la parte académica recibida en la Universidad.

Se compacta un buen desarrollo a nivel de diseño de ingeniería de equipo,

dado que se trabajo en forma interdisciplinaria entre estudiantes de Ingeniería

Mecatrónica e Ingeniería Mecánica, al igual, se complementa o se tiene muy en

cuenta el factor ergonómico y económico.

Se logró que todos sus componentes a nivel estructural, sean totalmente de

consecución y fabricación nacional.

Los componentes electrónicos y eléctricos de la máquina, se seleccionaron

dependiendo de su funcionalidad, calidad, economía y fácil adquisición nacional.

En el momento de cotizar y seleccionar elementos, funcionales del equipo

secador, se aprende a manejar el tipo de exigencias que se tratan y requieren

dependiendo del componente a evaluar.

Se tiene en cuenta que el sector cafetero aunque es un sector líder en el país

y que se caracteriza por su excelencia, necesita que se desarrollen nuevas

tecnologías para aumentar su producción, mejorar la calidad y la cantidad del

producto a exportar. En la manera en que se tecnifique el sector no solo cafetero

si no la agricultura será mayor las entradas económicas sustanciales para el país.

228

14. POSIBLES MEJORAS DEL PROYECTO

Lo mas importante seria reutilizar el aire caliente que sale del hornillo, pero el

problema es que este tiene alta humedad debido a que fue extraído del café. Para

poder reutilizar este aire caliente se debe deshumedificarlo, para llevarlo

nuevamente al hornillo y calentarlo un poco mas para su reutilización, de esta

manera se bajara los cotos por consumo de combustible dado que se esta

utilizando un aire caliente .

229

BIBLIOGRAFÍA

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230

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231

ANEXOS Anexo 1. Casa de las calidades QFD

232

Anexo 2. Ventilador para la circulación de aire.

233

Continuación Anexo 2. Ventilador para la circulación de aire

234

Anexo 3. Selección de Transportador Helicoidal Catalogo Martin

235

Anexo 4. Calibres Estándar De Tubos Para Intercambiadores

Item Diámetro Exterior Calibre B.W.G

Espesor de la Pared (pulg)

Diámetro Interior (pulg)

Sección Transversal (pulg²)

Area transversal Interior (pulg²) I (pulg)

Peso por pie , lb/pie

1 1/2 12 0,109 0,282 0,1339 0,06246 0,00276 0,46 2 1/2 14 0,083 0,334 0,1087 0,08762 0,00246 0,37 3 1/2 16 0,065 0,370 0,0888 0,10752 0,00215 0,30 4 1/2 18 0,049 0,402 0,0694 0,12692 0,00179 0,24 5 1/2 20 0,035 0,430 0,0511 0,14522 0,00139 0,17 6 3/4 12 0,109 0,532 0,2195 0,22229 0,01160 0,75 7 3/4 13 0,095 0,560 0,1955 0,24630 0,01070 0,66 8 3/4 14 0,083 0,584 0,1739 0,26786 0,00982 0,59 9 3/4 15 0,072 0,606 0,1534 0,28843 0,00891 0,52 10 3/4 16 0,065 0,620 0,1399 0,30191 0,00828 0,48 11 3/4 17 0,058 0,634 0,1261 0,31570 0,00760 0,43 12 3/4 18 0,049 0,652 0,1079 0,33388 0,00666 0,37 13 1 12 0,109 0,782 0,3051 0,48029 0,0307 1,04 14 1 13 0,095 0,810 0,2701 0,51530 0,0280 0,92 15 1 14 0,083 0,834 0,2391 0,54629 0,0253 0,81 16 1 15 0,072 0,856 0,2099 0,57549 0,0227 0,71 17 1 16 0,065 0,870 0,1909 0,59447 0,0210 0,65 18 1 17 0,058 0,884 0,1716 0,61375 0,0191 0,58 19 1 18 0,049 0,902 0,1464 0,63900 0,0166 0,50 20 1 1/4 12 0,109 1,032 0,3907 0,83647 0,0642 1,33 21 1 1/4 13 0,095 1,060 0,3447 0,88247 0,0579 1,17 22 1 1/4 14 0,083 1,084 0,3043 0,92289 0,0521 1,03 23 1 1/4 15 0,072 1,106 0,2665 0,9607 0,0464 0,91 24 1 1/4 16 0,065 1,120 0,2420 0,9852 0,0426 0,82 25 1 1/4 17 0,058 1,134 0,2172 1,0100 0,0387 0,74 26 1 1/4 18 0,049 1,152 0,1849 1,0423 0,0334 0,63

236

Continuación Anexo 4. Calibres Estándar De Tubos Para Intercambiadores

Item Diámetro Exterior Calibre B.W.G

Espesor de la Pared (pulg)

Diámetro Interior (pulg)

Sección Transversal (pulg²)

Area transversal Interior (pulg²) I (pulg)

Peso por pie , lb/pie

27 1 1/2 12 0,109 1,282 0,4763 1,2908 0,1159 1,62 28 1 1/2 13 0,095 1,310 0,4193 1,3478 0,1039 1,43 29 1 1/2 14 0,083 1,334 0,3695 1,3977 0,0931 1,26 30 1 1/2 15 0,072 1,356 0,3230 1,4441 0,0825 1,10 31 1 1/2 16 0,065 1,370 0,2930 1,4741 0,0756 1,00 32 1 1/2 17 0,058 1,384 0,2628 1,5044 0,0684 0,89 33 1 1/2 18 0,049 1,402 0,2234 1,5438 0,0589 0,76 34 1 3/4 10 0,134 1,482 0,6803 1,7250 0,224 2,31 35 1 3/4 11 0,120 1,510 0,6145 1,7908 0,205 2,09 36 1 3/4 12 0,109 1,532 0,5619 1,8433 0,190 1,91 37 1 3/4 13 0,095 1,560 0,4939 1,9113 0,170 1,68 38 1 3/4 14 0,083 1,584 0,4347 1,9706 0,151 1,48 39 1 3/4 15 0,072 1,606 0,3796 2,0257 0,134 1,29 40 1 3/4 16 0,065 1,620 0,3441 2,0612 0,122 1,17 41 2 10 0,134 1,732 0,7855 2,3561 0,344 2,67 42 2 11 0,120 1,760 0,7087 2,4328 0,314 2,41 43 2 12 0,109 1,782 0,6475 2,4941 0,290 2,20 44 2 13 0,095 1,810 0,5685 2,5730 0,259 1,93 45 2 14 0,083 1,834 0,4999 2,6417 0,230 1,70 46 2 15 0,072 1,856 0,4361 2,7055 0,203 1,48 47 2 16 0,065 1,870 0,3951 2,7465 0,185 1,34

237

Anexo 5. Descripción Equipo De Control

Figura 107.El sistema visión

AUTÓMATA: Visión OPLC (Grafico Operador Lógico Programable) Características y generalidades

• Controlador Lógico Programable. • Panel Integrado de Operación. HMI • Diseño compacto. • Módulos I/O. • Comunicación RS232. • CANbus NetWork. • RTClock. • Pantalla LCD gráfica. • Teclado. • 6 Softkeys(teclas programable)

238

Continuación Anexo 5. Descripción Equipo De Control

VISION OPLC: COMPONENTES

Figura 108. Control del OPLC

Aplicación de Voltaje: El Controlador requiere una fuente de alimentación externa 12 o 24VDC. CANbus: Habilita al PLC a conectarse a una red de computadoras para intercambiar los datos con otros 60 PLCs conectados. 2 puertos RS232 1 Puerto Opcional

Figura 109. Vista posterior del Tablero

PUERTO SERIE 1 Selecciona el cambio o quema la nueva configuración. PUERTO SERIE 2 Inspecciona y revisa las escenas de comunicación.

239

Continuación Anexo 5. Descripción Equipo De Control

Expansión del puerto.

Figura 110. Adaptador del Modulo de expansión.

Entradas/Salidas.

• 171 I/Os Digitales, Análogas y de Alta Velocidad. • Módulo Snap-in I/O (V200-18-E2B)

• Fácil Conexión. • I/O Digitales y Análogas. • 16 Entradas Digitales, 10 reles de Salida, 4 Transistores de

salida, 2 entradas análogas y dos salidas análogas. • Adaptador

• Fácil Conexión. Adaptador puede ser conectado para 8 módulos.

240

Continuación Anexo 5. Descripción Equipo De Control

Forma de conexión del Adaptador y los módulos de expansión

Figura 111. Conexión del OPLC para el adaptador EX – A1

El suministro de Power 12VDC o 24VDC El rango permisible 10.2 a 28.8VDC El consumo máximo 4Watt típico. El suministro actual para Los módulos del E/S 1A máximo. de 5V Los indicadores de estado LEDs.

241

Continuación Anexo 5. Descripción Equipo De Control

Figura 112. Conexión del adaptador al modulo de Expansión.

Módulo de Expansión I/O Conexión a través del Puerto de Expansión. 8 I/O Módulos de Expansión por Controlador.

Vista Física y Planos de I/O de Módulos de Expansión.

Figura 113. Visión física del HMI, el modulo de I/O, el adaptador y los módulos de

Expansión.

El número indica la situación del E/S en el sistema. El Número relaciona la posición de posición del módulo de expansión en el sistema y a la posición del E/S en ese módulo.

242

Continuación Anexo 5. Descripción Equipo De Control

Figura 114. Modulo de Expansión para celda de carga

El módulo E/S-LC3 ofrece 3 entradas de Celdas de Carga. La interfaz entre el módulo y el OPLC se proporciona por un adaptador. Suministro de voltaje. El voltaje de operación nominal 12 / 24VDC Máx. el consumo de corriente Es 5VDC 60mA El Conversor de A/D Método de conversión: Sigma-Delta Resolución: De 24 bits. Conversión período: 12.5mseg (80Hz) Máximo Error lineal 0.01% de full escala. Calibración y cero —2 a 12 puntos de calibración (el punto-cero no es usado) La polaridad del funcionamiento: puede ser bipolar, valores de tensión positivos o negativos. Temperatura de funcionamiento de 0°a 50°C (32 a 122° F)

243

Continuación Anexo 5. Descripción Equipo De Control

Figura 115. Modulo de Expansión para termocupla.

I/O Expansion Module 8 Analog/Thermocouple Inputs Máximo. Consumo de corriente 40mA. Numero de entradas. 8 Tipo de entrada: Termocupla. Método de conversión: voltaje a frecuencia Resolución: 0.1ªC. Compensación de la unión fría: Local, automático El error de compensación de unión frío: +/-1.5ªC el máximo

244

Continuación Anexo 5. Descripción Equipo De Control

VISION OPLC: COMUNICACIONES.

Figura 116. Comunicaciones con diferentes dispositivos.

• CANbus: 1 Puerto.

• Redes CAN.

• Otras: • Ethernet • RS485

Figura 117. Pines del puerto RS232

• RS232: 2 COM.

• Descarga de programas desde el PC. • Comunicación con dispositivos. • Los datos la Lectura Terminal

245

Continuación Anexo 5. Descripción Equipo De Control

Figura 118. Adaptador de conexión.

Conecte su PC a cualquier controlador en la red. Use el cable de la programación proporcionada con el equipo del controlador. Diferentes PCs pueden acceder a la red al mismo tiempo.

Figura 119. Carga y Descarga de Programa.

Use este icono Download para descargar los proyectos transmitidos desde su PC al Controlador. Seleccione Upload para cargar por medio de el icono del menú de Conexión; la Comunicación al PC la configuración de la ventana de visión se abre.

246

Continuación Anexo 5. Descripción Equipo De Control

CÓMO TRABAJA EL PLCS

Ciclo del PLC. El ciclo se realiza continuamente.

Figura 120. Secuencia lógica de control del OPLC

Cómo Trabajan los PLCs En la figura arriba da las muestras el ciclo de PLC. Este ciclo se llama Scan. El ciclo Scan es realiza continuamente. Lee los datos de entrada. Procesa los datos Transmite datos.

247

Continuación Anexo 5. Descripción Equipo De Control

Figura 121. Vista del programa del OPLC

Cuando el programa encuentra la Entrada Física Leída, el programa lee inmediatamente la entrada física que entro en el PLC, pone al día la memoria de PLC, y ejecuta el resto del programa usando el nuevo dato de entrada. Entradas Las entradas reciben los signos de los dispositivos externos como los interruptores, botones de pulso y el voltaje inconstante señala de los dispositivos analógicos. Las entradas convierten el voltaje a señales que el PLC puede procesar. Panel de operación El panel de operación proporciona lo que se llama el HMI, o Interfaz entre Máquina y Humano, entre usted y el PLC. El panel está compuesto de una pantalla de LCD y un teclado pequeño personalizable. El dato tiene dos fuentes den entrada: Las entradas físicas del PLC Datos que se entran vía el teclado pequeño del PLC. Luego, el programa se ejecuta. El programa está compuesto de instrucciones, que están escritas en Ladder y este se escribe usando el software de propiedad del PLC. Todas las instrucciones del programa son ejecutadas en cada ciclo.

248

Continuación Anexo 5. Descripción Equipo De Control

Entrada Al Software Para Configurar De Hardware

Figura 122. Entrada al software (VisiLogic para configurar el Hardware.

Configuración de hardware: Cree un nuevo proyecto, automáticamente se habré la opción para configurarlo. Haga clic en el icono apropiado para seleccionar: Tipo de PLc. Módulo del E/S. Módulo de Expansión de E/S requerido por su aplicación.

249

Continuación Anexo 5. Descripción Equipo De Control

Figura 123. Señales análogas. (Celda de carga y termocupla.)

Convierte valores analógicos a valores físicos Los valores análogos de I/O son contenidos en el registro que se une a la E/S en la

Configuración del Hardware. Seleccione el rango (0 a 20 mA) o de (0 a 10V) Seleccione el tipo de operando.

250

Continuación Anexo 5. Descripción Equipo De Control

Figura 124. Señal para manejo de PWM

Si los valores se encuentran fuera del rango del “ON”, sus valores permanecen inalterados. Ya que los operando retienen los últimos valores guardados.

Como F=1/T dónde el T es el tiempo de duración de un ciclo completo. Valores de Frecuencia: Varían según la salida tipo npn a pnp. npn: Usted puede usar un valor de 0, o un valor de 8-50000Hz (50kHz). pnp: Usted puede usar un valor de 0, o un valor de 8-2000HZ. Otros valores de frecuencia no son soportados. Pueden usarse ciertas entradas digitales en ambos Snap en E/S y módulos de Expansión de E/S como: Medidor de frecuencia

251

Continuación Anexo 5. Descripción Equipo De Control

Configuración Para Manejo De Señal Analoga (PWM).

Figura 125 Configuración de señal PWM

1

2

3

4

5

6

Se hace un despliegue del manejo de algunos parámetros de entrada a la Configuración de software para manejo de PWM.

252

Continuación Anexo 5. Descripción Equipo De Control

Manejo De Elementos Del Software

Figura 126. Editor del Ladder.

Lenguaje para Aplicación de mando: LADDER. Los diagramas de Ladder están

compuestos de contactos, bobinas, y elementos en función de bloques colocados

en red.

Contactos: representan las condiciones de la entrada Pueden arrastrarse

elementos de Ladder, las funciones y pueden dejarse caer entre la red. Las teclas

directas también están disponibles para la programación fácil.

253

Para empezar al Editor de Ladder

Pulse el botón el botón de la Escalera de mano en la barra de herramientas.

Pulse el botón los elementos perfilados en el azul para más información.

Los Comentarios se colocan en el lugar de la red de Ladder

Tiene Aplicaciones como: Comparación, Aplicaciones Matemáticas, Lógica, Timer,

guardar datos (memoria RAM), y funciones vectorial.

Figura 127. Selección de dispositivos a usar en programación.

Se hace una acción de despliegue de uso de un contacto, colocado en el editor para especificar el manejo del programa.

254

Figura 128. Modo de supervisión en línea.

“Online” a modo de Prueba, usted puede ver el flujo de voltage, y ver el valor

del operando de fuerza y estado del elemento. El controlador puede enviar y recibe mensajes de SMS cuando el

controlador está a modo de Prueba. Abra el acceso remoto para depurar los controladores remotos vía red o

conexiones del módem.

255

Continuación Anexo 5. Descripción Equipo De Control

HMI.

Figura 129. Panel de operación de Visión OPLC-230

Panel de operación. 255 Pantallas. Asignación de funciones para teclas. Configuración para Entradas de Usuario. Despliegue de texto, gráficos y variables.

256

Anexo 6.Plano Hornillo

257

Anexo 7. Cubierta de suministro de aire limpio caliente

258

Anexo 8. Intercambiador

259

Anexo 9.Cascaron Cilindrico

260

Anexo 10.Cilindro Espiral

261

Anexo 11. Deposito de ceniza

262

Anexo 12. Alimentador de Combustible

263

Anexo 13. Tolva

264

Anexo 14.Caja de alimentación

265

Anexo 15. Cañón

266

Anexo 16. Tornillo Sin Fin

267

Anexo 17. Plano Ducto

268

Anexo 18.Interior perforado

269

Anexo 19. Cilindro Exterior

270

Anexo 20. Soporte

271

Anexo 21.Chumacera

272

Anexo 22.Buje en Bronce

273

Anexo 23 Chumacera Parte Inferior

274

Anexo 24. Chumacera Base Superior

275

Anexo 25. Ensamble Ducto

LISTADO DE PARTES DUCTO

1. Codo 1 (90º)

2. Codo2 (90º)

3. Codo3 (90º)

4. Tubo

276

Anexo 26. Ensamble Pedestal

LISTADO DE PARTES PEDESTAL

1. Buje Bronce Parte 1

2. Buje Bronce Parte 2

3. Chumacera Parte Superior

4. Chumacera Parte Inferior

5. Pista Interior

6. Platina

7. Soporte1 Celda de Carga

8. Soporte2 Celda de Carga

9. Celda de carga

10. Pata1

277

Anexo 27. Cilindro rotativo

LISTADO DE PARTES CILINDRO ROTATIVO

1. Tubo1

2. Tapa

3. Cilindro Interior

4. Eje Difusor de aire

5. Cilindro exterior

6. Compuerta de Carga

7. Bisagra1

8. Bisagra2

9. Bisagra3

10. Tubo2

278

Anexo 28. Hornillo

LISTADO DE PARTES HORNILLO

1. Depósito de ceniza

2. Cascaron Cilíndrico Exterior

3. Cilindro Interior con Espiral

4. Intercambiador

5. Cubierta para Suministro de Aire Limpio Caliente

6. Chimenea

279

Anexo 29.Alimentador de Combustible.

LISTADO DE PARTES ALIMENTADOR DE COMBUSTIBLE

1. Cañón

2. Tornillo Sin Fin

3. Cajá Alimentación

4. Cajá superior

280

Anexo 30.Conexión de Entradas y Salidas Módulos de Expansión del PLC Celdas de Carga y Termocupla

281

Anexo 31. Plano de Entradas y Salidas Digitales PLC (Unitronics)

282

Anexo 32. Entradas Análogas (Termocuplas y celdas de carga)

283

Anexo 33.Conexión de Salida Análoga con PWM

DISEÑO DE SECADORA DE CAFÉ ROTATIVA CON APROVECHAMIENTO DE LA ENERGIA BIOMASA

Sandra Milena Viva Carmona Gabriela Paz Torres

Álvaro Hernán Rojas Carvajal

Universidad Autónoma de Occidente

Facultad De Ingeniería Programa De Ingeniería Mecatronica

Programa De Ingeniería Mecánica

samivica43@gmail.com gabriellepaz7@gmail.com

alvarohrojasc@hotmail.com

Abstract: En la primera etapa se enfoca en el proceso de secado de café donde realiza un estudio de diferentes maquinas secadoras de café para tener un panorama mas amplio sobre este y realizar conceptos viables para el diseño de la secadora de café; el proyecto esta dirigido a cubrir las necesidades en cuanto a secado del grano del mediano y alto caficultor, preocupados por tecnificar sus procesos para ser mas competitivos a nivel nacional e internacional. En la segunda etapa, entramos en el diseño del equipo, se desarrolla el mejor concepto teniendo en cuenta todos los objetivos planteados en la primera etapa, logrando así un sistema mecatronico de alta calidad.

Hornillo. Quema de combustible. Cascarilla: Se utiliza como combustible. Presecadora: se desarrolla solo en la etapa 3. Recibe café recién lavado. Aprovecha el aire caliente que sale de la secadora. . Secadora: máquina que seca el café hasta un 12% de humedad. OPLC (Controlador Lógico Programable con HMI y panel operador).

1. INTRODUCCIÓN La industria cafetera colombiana a través de los años ha sido factor fundamental del desarrollo económico y social del país. Los dirigentes cafeteros de todas las épocas han demostrado su compromiso con la Nación y no han escatimado esfuerzos para hacer del café el principal producto. En los últimos años, Colombia ha registrado una

producción cafetera que oscila entre los 10 y los 12 millones de sacos de café verde por año. De otro lado, se ha registrado una reducción del área sembrada equivalente a unas 300.000 hectáreas. Debido a esto para mantener la producción global con una menor área, los caficultores, adoptaron nuevas prácticas de cultivo, generadas por Cenicafé y divulgadas por el Servicio de Extensión de la Federación.

En nuestro territorio Nacional, la industria cafetera a logrado posesionar este producto a través de los años como un sector muy importante dentro de las cadenas agrícolas productivas del País, siendo uno de los productos abanderados para exportación de Colombia. Por lo tanto es muy importante desarrollar sistemas que no solo mejoren sus procesos en cuanto a cantidad de producción si no también en la calidad del producto En el café para obtener una buena calidad en el grano, este tiene que atravesar por una serie de etapas entre las cuales tenemos: Recolección, despulpado, lavado y secado. Todas estas etapas tienen que darse de manera continua, ya que se trata de una semilla, la cual pierde sus cualidades físicas y químicas, si se dan lapsos de tiempo largo entre una y otra etapa. De las diferentes etapas, por las que atraviesa el proceso de café, en este proyecto, se enfoca en la dificultad que presenta, la etapa de secado, dado a que generalmente en esta época prevalece el tiempo húmedo y hay mayor recolección de granos. En fincas cafeteras, donde no exista algún mecanismo, el cual proporcione un secado inmediato, una vez este lavado, el caficultor no debe dejar pasar un lapso de tiempo largo, para secarlo, ya que si esto ocurre, el grano pierde calidad, debido a que surge respiración en los granos (le salen poros), aparecen hongos y prolifera la broca. Es por esto que al caficultor se le desvaloriza su producto, perdiendo a si rentabilidad. Una mínima cantidad de pequeños y medianos caficultores poseen máquinas secadoras de café, pero estas no son lo suficientemente eficientes por que algunas de ellas no secan uniformemente el grano, son complicadas de manejar, requieren de gran consumo de combustible, dan olor y sabor de combustible al grano; Además son muy pocas las empresas que producen este tipo de máquinas a nivel nacional. Adicionalmente los caficultores que producen a mediana y gran escala, exigen procesos más eficientes que puedan brindar mayor productividad y calidad para los clientes. Aprovechando esta necesidad que hay en el sector caficultor en el proceso de secado de grano, se optó por dar solución a este problema con el diseño de una máquina secadora de café que cumpla los estándares de calidad en su diseño basados en los requerimientos de este importante sector de la economía Nacional.

2. DESARROLLO DEL CONCEPTO Se tiene un conocimiento del panorama actual, los problemas y las posibles soluciones que se han dado a este tipo de equipos. Con base en esto, se presenta la etapa donde se han identificado las necesidades. Con base a las necesidades planteadas, se esbozan diferentes conceptos, del cual se escoge y desarrolla el mejor, con una arquitectura integral, en el cual el equipo sea totalmente confiable, eficiente y cumpla los requerimientos a nivel de secado del grano. Ver Figura 1.

Figura 1. Concepto seleccionado.

2.1. Esquema De Diseño Mecánico Del Horno Teniendo ya el concepto totalmente claro, se procede a la etapa de desarrollo del producto, basándonos en un diseño concurrente del equipo, optimizando así el diseño total de la máquina, simultáneamente se manejaran los demás sistemas: térmicos, mecánicos, eléctricos y de control que son etapas de nuestro proyecto. Nivel 1 En el primer punto se tratara sobre características especiales del café los cuales proporcionen un correcto diseño de la maquina que cumpla con un buen diseño del equipo sin dañar el producto. Luego se procede hacer un dimensionamiento del cilindro contenedor de café. En el segundo punto para este nivel se manejara flujo, energías, y pérdidas del aire requerido por el sistema

Procesos del Nivel 1:

Primer punto: Parámetros iniciales del café para su secado. Dimensiones del contenedor de café. Segundo punto: flujo de aire para secar el café. perdidas de calor en las superficies del horno por transferencias de calor. energía necesaria para calentar todo el sistema: Materiales del horno aire circulante. energía necesaria para evaporar la humedad del café y obtener la humedad deseada. Análisis del tiempo en el que se desea secar y verificación del flujo de aire. Características Del Café Para Su Secado: Cantidad de café a secar 40@ = 500 Kg Humedad del café mojado 60 % Humedad final café seco 11 % Temperatura ambiente 25 ºC Densidad del café seco 0.357 kg / dm³ Densidad del café húmedo 0.8173 kg / dm³

Nivel 2 En este nivel ya conocida la energía requerida por todo el sistema se analizan los combustibles a ser utilizados, sus poderes caloríficos, su combustión para poder realizar el dimensionamiento del hornillo siguiendo el siguiente esquema:

Procesos del Nivel 2

Análisis Residuos vegetales (biomásicos) características físico químicas vs. La cascarilla de café “Combustible”:

Análisis de diferentes tipos de combustibles de biomasa y su poder caloríficos Análisis del combustible seleccionado a utilizar que es la cascarilla de café.

Diseño del Hornillo:

Masa de combustible para desarrollar la energía requerida por el sistema.

Calculo de necesidad de flujo de aire para la combustión. Dimensiones del hornillo para quemar el combustible. Calculo de intercambiador de calor “radiador” entre los gases de combustión y aire limpio para el secado del café. Calculo del flujo de combustible y aire para combustión

NIVEL 3 Este nivel se elaborará los cálculos estructurales del horno y cálculos estructurales del quemador de combustible “hornillo”.

Procesos del Nivel 3:

Elaboración de los cálculos estructurales de los componentes del contenedor de café, Planos y dibujos de simulación. Elaboración de los cálculos estructurales de los componentes del hornillo de Combustible, Planos y dibujos de simulación. NIVEL 4 En este nivel se desarrolla el análisis final con seguimiento desde el inicio de todos los resultados obtenidos en los niveles anteriores que rigen nuestro sistema y a partir de esto se pueden realizar la estrategia de control e instrumentación el cual nos proporcione un desempeño optimo en la maquina.

Para llevar la cometida se dan una serie de puntos los cuales nos sirven para el desarrollo de este:

Escogencia del equipo: Dependiendo de las características buscadas en nuestro proyecto que sea un equipo robusto, fiable, económico y de las diferentes ofertas dadas por el mercado se procede a escoger el mejor de los equipos. Descripción del equipo: Se hace una descripción detallada del equipo escogido: Características técnicas y funcionales. Explicación de la parte de control y programación: Análisis del funcionamiento, integral del sistema, donde se analizan las diferentes etapas por las cuales atraviesa el proceso de secado en la maquina.

A raíz de esto se explica el flujo de control y del equipo a funcionar.

Manejo del HMI: Una de las características ofrecidas por el equipo, es la interfaz grafica. Con esta se logra un mejor manejo del sistema de control ya que el usuario interactúa con la maquina. Planos de entradas y salidas: Se da la distribución a la conexión de las diferentes entradas y salidas usadas dependiendo del equipo escogido. Planos de distribución eléctrica: Se da la distribución eléctrica de los diferentes motores, que va a manejar el proyecto. Instructivo del equipo: Como sabemos toda maquina debe llevar un manual de usuario, el cual le proporcione de manera clara, sencilla y eficaz, la mejor forma de operar el equipo.

3. CONCLUSIONES

Se diseño una maquina secadora de café rotativa con aprovechamiento de la energía de la biomasa de la cascarilla del café, logrando reducir su tiempo de secado a 18 horas

Se realizo un aprovechamiento de la energía de la biomasa de la cascarilla de café el cual se usa como combustible para el secado del café

Se logró que todos sus componentes a nivel estructural, sean totalmente de consecución y fabricación nacional

Los componentes electrónicos y eléctricos de la máquina, se seleccionaron dependiendo de su funcionalidad, calidad, economía y fácil adquisición nacional

Se diseño un sistema de control que gobierna toda la etapa de instrumentación así como los actuadores y sensores con que contará el sistema.

Se logra tener una mejor visión sobre cuan importante es el sector cafetero, en el que aun siendo el café uno de los productos abanderados de nuestro país, necesita se desarrollen nuevas tecnologías para mejorar la calidad y la cantidad del producto a exportar. Se compacta un buen desarrollo a nivel de diseño ingenieril del equipo, al igual, se complementa o se tiene muy en cuenta el factor ergonómico y económico.

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