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DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO
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DISEÑO DE UN SISTEMA
ROTATIVO DE LLENADO Y
TAPADO ENVASES PET DE 500 ml
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
1. TEMA:
LLENADO Y TAPADO ROTATIVO DE BOTELLAS DE AGUA DE 500 cm3
2. OBJETIVOS:
2.1 Objetivo General
- Diseñar un sistema neumático y mecánico de embase y tapado de botellas de agua de
500 cm3.
2.2 Objetivos Específicos
- Realizar los cálculos respectivos para una correcta selección de componentes mecánicos
y neumáticos para el funcionamiento del sistema propuesto.
- Escoger el mejor y más eficiente diseño, el cual permita una mejor capacidad de
producción.
- Comprender el funcionamiento sistemático del proceso de llenado y tapado en envases
PET.
- Diseñar el sistema bajo los parámetros establecidos.
3. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
La compañía Tesalia Sprig Company tuvo sus orígenes en el periodo de los años 1880 – 1889;
por los beneficios saludables de sus aguas, se toma la decisión de implementar un proceso de
embotellamiento rudimentario y se inicia la comercialización del producto en lugares y ciudades
más cercanos a Machachi (Quito, Ambato, Latacunga). En la década de los años 1961 1970, la
compañía adquirió material adicional de embasado para completar la línea de embotellamiento
con el objetivo de incrementar las ventas en la región.
Hasta un tiempo la compañía utilizaba un sistema de llenado con maquinas de un ciclo por
grupo, es decir llenaba los envases por grupos, debido a esto se propone la implementación de
un sistema totalmente diferente el cual se basa en un sistema rotativo el cual consta de placas
circulares tangentes entre sí, lo cual permite una alimentación continua de dichos envases;
logrando así una mayor producción y reducción de tiempo en su proceso.
4. JUSTIFICACION
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
Debido a la expansión de la empresa y al lanzamiento de nuevos productos (bebidas), tanto en
dimensiones como en variedades, Tesalia se vio en la necesidad de adquirir nuevos sistemas de
producción para así mejorar su eficiencia, tiempos de respuesta y calidad en sus productos.
Es por este motivo que después de haber realizado varios estudios concluyeron que el sistema
más eficiente y apto para este proceso es el sistema ROTATIVO – PUNTOS TANGENTES que a mas
de ser de alimentación continua es versátil, ya que se lo puede modificar en distintos tamaños
de botellas.
4.1 Cuadro Comparativo
- CUADRO DE COMPARACIÓN EN SU FUNCIONAMIENTO
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
LLENADORA LINEAL LLENADORA ROTATIVA
ciclaje 8 botellas por ciclo Alimentación continua
Movimiento del envase Por bandas transportadoras
Placas tangentes
llenado Baja el sistema de llenado Sube el envase por medio de pistones
- CUADRO COMPARATIVO EN SUS CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
CARACTERISTICAS LLENADORA LINEAL
Capacidad de llenado 50 – 520 ml
Numero de tubos 8 juegos
Velocidad de llenado 50 – 60 bbl / min
Potencia 2 KW
Presión de aire 3 – 5 kg/cm2
Dimensiones (L * W * H) 3400 x 850 x 1800 mm
5. ANÁLISIS DEL PROCESO
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
El siguiente diagrama explica de una manera sistemática como funciona nuestra línea de
producción, en esta se detalla los pasos a seguir y su objetivo a lograr el cual es llenar los envases
y luego estos pasan a ser tapados, ambos subprocesos se encuentran automatizados en su
funcionamiento tanto de manera mecánica y neumática.
DIAGRAMA DE FLUJO LLENADO Y TAPADO
No
Si
Recepción
del envase
Ingreso del envase al
tornillo sin fin.
Entrada del envase a la
primera rueda motriz de
Sensor
Ingreso del envase a la
rueda principal
Accionamiento del sistema
de elevación neumático por
medio de sistema de biela
Desalojo del envase de la
rueda principal a otra
secundaria
Accionamiento del sistema
de llenado
Llenado
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
Ingreso del envase a una
banda transportadora
Ingreso del envase a una
rueda tercera rueda
secundaria
Ingreso del envase a la
rueda principal
Accionamiento del sistema
de elevación y traslación
Accionamiento del tambor-
dispensador de tapas
Roscado de la tapa
Evacuación del envase de la
rueda primaria
Desalojo del envase de la
rueda principal a otra
secundaria
Ingreso del envase a una
banda transportadora
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
6. DISEÑO DEL SISTEMA
6.1 Diseño Mecánico
Los parámetros a tomar en cuenta para los cálculos correspondientes son:
Diámetro de la ruedas 1: 80 plg.
Diámetro de la rueda 2= 20 plg.
o GLOSARIO
Diámetro de la rueda 1: Dr1
Diámetro de la rueda 2: Dr2
Diametrito del envase: Db
Diámetro del tornillo sin-fin: dt
Perímetro de la rueda 1: pr1
Perímetro de la rueda 2: pr2
Desplazamiento: L
Pasos: p, Pd
Diámetro gusano: Dw
Diámetro de paso de la rueda: DG
Numero de cuerdas del gusano: Nw
Angulo de desplazamiento: λ
Velocidad de línea de paso: vt
Relación de velocidad: VR
o FÓRMULAS
Cabeza a= 0.318 Px = 1/Pd
Profundidad total ht = 0.686 6Px = 2.157 / Pd
Profundidad de trabajo hk = 2a = 0.636 6Pa = 2 / Pd
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
Raíz b= ht – a = 0.368 3Px = 1.157 / Pd
Diámetro de ría del gusano Drw= Dw – 2b
Diametro externo del gusano Dow = Dw + 2a = Dw + hk
Diámetro de raíz del engrane DrG= DG – 2b
Diámetro de garganta del engrane Dt= DG + 2a
CALCULO DE DIMENSIONES DE GUSANO Y MECANISMO DE TORNILLO SIN FIN:
Tornillo sin fin:
ht= 1,25
ht= 0.6866Px Px= 1,25 / 0.6866 Px= 1,821 plg
ht= 2,157 / Pd Pd= 2,157 / 1,25 Pd= 1,726 plg
Cabeza:
a= 0,3183 Px = 0,3183 (1,821) a= 0,579 plg
Raíz:
b= ht – a
b= 1,25 – 0,579
b= 0,671 plg
Drw = Dw – 2b
Drw= 3 – 2(0,671)
Drw= 1,658 plg
Dow= Dw + 2b
Dow= 3 + 2(0,671)
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
Dow= 4,342 plg
Db = 2, 5 plg
dt = Dw = 3 plg
FG= (Dow2 – Dw2)1/2
FG= (4,3422- 32)1/2
FG= 3,139 plg
Desplazamiento:
L = Nw * Px
L= 1 * 1,821
L = 1,821 plg
Angulo de desplazamiento:
Tan λ = L / π*Dw
Tan λ = 1,821 / π*3
Tan λ = 0,193 λ = 10,936
Velocidad de línea de paso:
nw= 500 rpm
vt = π*Dw*nw / 12
vt = π*3*500 / 12
vt = 392,7 (ft/min) = 1,995 m/s
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
Rueda o mecanismo tornillo sin fin:
DrG= DG – 2b
DrG = 80 – 2(0,671)
DrG= 78,658 plg
Dt= DG + 2a
Dt= 80 + 2(0,579)
Dt= 81,158 plg
Dr1= 80 plg
pr1= Dr1 x π = 251, 32 plg
Dr2 = 20 plg
pr2 = Dr2 * π = 62,832 plg
Pasos:
P = π*Dg / Ng
P = π * 80 plg / 55
P = 4,57 plg
Nw = 1
Relación de velocidad:
VR = NG / NW
VR = 55 / 1
VR = 55
nG = nW / VR
nG = 500 / 55
nG = 9,091 rpm
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
Velocidad de desplazamiento:
Vs = VTW / cos λ
Vs = 392,7 (pies/min) / cos 25,858
Vs = 436,393 pies/min
CÁLCULO DEL PESO:
ENVASE:
V = 500 cm3
δ H2O = 1000 kg/m3
m = δ H2O * V
m= 1000 (kg/m3) * 5 x 10-4 m3
m = 0,5 kg
masa total de botellas = 52 * 0,5 kg
masa total de botellas = 26 kg
Peso de las placas:
Material: Acero inoxidable
e= 0,5 cm = 0,197 plg
D1 = 80 plg * 2 = 160 plg
D2= 20 plg * 4 = 80 plg
V1 = 0,016 m3 * 2 = 0,032 m3
V2 = 0,001 m3 * 2 = 0,002 m3
Vtot1 = V1 + V2 = 0,032 + 0,002 = 0,034 m3
δ ACERO = 7800 kg / m3
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
mtot2 = δ ACERO * Vtot1
mtot2 = 7800 kg / m3* 0,034 m3
mtot2 = 265,2 kg
6.2 Diseño neumático
Circuito de Potencia del cilindro de la llenadora:
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
Diagrama de Estado:
Cálculo de caída de presión y longitudes equivalentes:
Tramo A-B
Presión: 6 bar
A0 A1
4 2
1 3
A+ A-
40%
40%
4 2
1 3
P1 P2
U 1
U 2
2
1 3
A12
1 3
A0
2
1 3O N
0 2 4 6 8 10
mm
20
40
60
80
100
Cilindro doble ef ecto
Denominación del componente Marca
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
Caudal: 137 l/s
Diámetro de la tubería: 50 mm
Resistencia no repetida para codos y accesorios de tuberías. Longitud equivalente (m)
ACCESIRIO CANTIDAD COEFICIENTE LONG. EQUIVALENTE
Curva de 90º 3 0,6 1,8
Válvula de esfera 1 0,6 0,6
1 filtro 1 7 7
1 “T” 1 0,5 0,5
9,9
NOTA: Para la utilización de los coeficientes se recurre a la tabla de resistencia no repetida para
codos y accesorios de tubería del manual de instalaciones de aire comprimido de Atlas Copco
(tabla adjunta en anexos ref-1).
TABLA PARA EL CÁLCULO DE NECESIDAD DE AIRE
HERRAMIENTAS CONSUMO
AIRE L/S CANTIDAD DE
PIEZAS GRADO DE
UTILIZACION NECESIDAD
DE AIRE
Cilindros de doble efecto 10 55 0,25 137,5
Total necesidad de aire 137,5
Correcciones -
Desgaste de las herramientas 5% 6,875
Fugas 10% 13,75
Expansión 30% 41,25
NECESIDAD DE AIRE PARA FINES DE DIMENSIONAMIENTO (L/S) 199,375
NOTA: Para la determinación de la necesidad de aire para las herramientas recurrimos a la tabla
de consumo de aire y grado de utilización para herramientas de aire comprimido del manual de
instalación de aire comprimido de Atlas Copco (tabla adjunta en anexos ref. - 2).
PARTE DE LINEA
Tramo A-B
Presión (bar) 4,5
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
Flujo (l/s) 199,375
Longitud (m) 11
DATOS PRELIMINARES
Dimensión (mm) 50
Caída de presión (bar) 0,015
CORRECCION DE RESISTENCIA REPETIDA
Longitud equivalente (m) 9,9
Corregida (m) 20,9
Dimensión (mm) 50
Caída de presión corregida (bar) 0,02
NOTA: Para realizar el calculo de la caída de presión utilizamos el Diagrama de caída de presión del
manual de aire comprimido de Atlas Copco (tabla adjunta en anexos, ref.3)
- CALCULO DEL PISTON:
-Presión del la línea (P1): 6 bar
- presión de embasado (P2): 4.5 bar
- diámetro de la botella 50 mm
𝑃 = 𝐹
𝐴=
𝐹
𝜋 ∗𝑑2
4
𝐹 = 𝑃 ∗ 𝜋 ∗𝑑2
4
𝐹 = 450000 𝑃𝑎 ∗ 𝜋 ∗0.052
4
F = 883,57 (N)
Diámetro del embolo:
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
𝑃 = 𝐹
𝐴=
𝐹
𝜋 ∗𝑑2
4
𝑑 = √𝐹 ∗ 4
𝑃 ∗ 𝜋
𝑑 = √883,57 𝑁 ∗ 4
600000 𝑃𝑎 ∗ 𝜋
d= 0,043 m = 4,33 cm
- CALCULO DE LA POTENCIA (COMPRESOR):
𝐻𝑃 =𝑄 ∗ 𝐻
75 ∗𝜂%100
η: eficiencia recomendada 60%
𝐻𝑃 =199,375 𝑙/𝑠 ∗ 4,58 𝑚𝐻2𝑂
75 ∗60
100
HP = 2,03306
HP = 2,1
6.3 sistema de control
El sistema de control aplicado a nuestro diseño son dirigidos a:
Sistema de ingreso y transporte del envase:
Sistema de llenado del envase:
start Ingreso
del
envase
Sensor
mecánico
Actuador
lineal
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
Si
No
7. SELECCIÓN DE COMPONENTES
- Pistón: para la selección del pistón, tomamos en cuenta los siguientes parámetros:
o Diámetro del embolo (43,3 mm) – tomamos el diámetro comercial disponible en
este caso de diámetro 50 mm.
o Fuerza
o Recorrido
o Material
Después de lo expuesto usamos el catalogo para cilindros de doble efecto de acero
inoxidable de la compañía FESTO.
Como resultado se decidió escoger el cilindro cuya denominación es: cilindro redondo
CRHD, acero inoxidable
Actuador
lineal
Sensor de
presión
Llenado
No
llenado
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
NOTA: para mayor información recurrimos a las hojas de datos del catalogo de cilindros inoxidables
de la compañía FESTO (tabla adjunta en anexos, ref-2).
- Compresor: para la selección del compresor definimos los siguientes parámetros:
o presión de trabajo
o caudal requerido
o potencia
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
- Tubería: para la selección de la tubería definimos los siguientes parámetros, el material
recomendado es acero inoxidable o cobre:
o diámetro requerido
o caudal
o presión de trabajo
- placas transportadoras (sistema de traslación del envase):
o Debido a que el proceso entra en la rama de procesamiento de alimentos es
estricto el uso de materiales como el acero inoxidable, puesto que este material
nos brinda mayor asepsia en el producto.
8. ANÁLISIS DE RESULTADOS
o El sistema de llenado rotativo nos entrega una mayor eficiencia tanto en el llenado como
en el abastecimiento del liquido (producto).
o Se mejoraron los tiempos
o Se versatilizo el uso del sistema, es decir se lo puede acoplar para nuevos envases de
diferentes tamaños.
o Se paso de alimentación lineal por ciclaje a alimentación continua por medio de rodetes
unidos tangencialmente.
9. ANÁLISIS FINANCIERO
COTIZACION:
A continuación se presenta un listado de precios de los principales accesorios que se van a
utilizar, calculando un valor total tentativo de la instalación.
TABLA DE ACCESORIOS PRINCIPALES
CANTIDAD
ACCESORIO Ф 50 (mm) – 2 (plg)
Válvula de paso 2
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
Tubo en “T” paso 1
Curva 90º 5
Filtro- separador 2
Tubería – (m) 19
TABLA DE COSTO DE ACCESORIOS
Ф 50 (mm) – 2 (plg)
ACCESORIO Cantidad Precio unitario (USD) Precio total (USD)
Válvula de paso 2 30,00 60,00
Tubo en “T” paso 1 28,30 28,30
Curva 90º 5 20,46 102,30
Filtro- separador 2 547,76 1095,52
Tubería – (tubos/6m) 3,5 28,71 100,48
1386,61 TABLA DE COSTOS PARTES PRINCIPALES
PARTES DEL SISTEMA Cantidad Precio unitario (USD) Precio Total (USD)
Cilindros de doble efecto 55 225 12375
compresor 1 10550 10550
Placas de acero inoxidable 4 3550 14200
37125
Costo total tentativo:
CT = tabla 1 + Tabla 2
CT= 1386,61 + 37125
CT = 38511 USD
10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
o Conclusiones
Se logro automatizar el llenado de los envases por medio de un sensor que
funciona a base de diferencia de presiones, el cual si el envase no se encuentra
en la posición correcta la llenadora no efectúa el proceso.
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
Se implemento para la elevación de los pistones un sensor junto con un
temporizador en lugar de un fin de carrera el cual rea activado de manera
mecánica con una leva en la periferia del sistema rotativo.
Se comprobó la mayor eficiencia y una reducción de tiempo notable al
reemplazar un sistema rotativo en lugar de un sistema lineal.
El sistema rotativo es mucho mas versátil que el lineal en el tema de cambio de
envases (tamaño).
11. BIBLIOGRAFIA
- Manual de instalación de Aire comprimido – Atlas Copco
- Catalogo de cilindros de acero inoxidable – FESTO
- Catalogo de compresores – Atlas Copco
- Diseño de elementos mecánicos - Mott 3ra Ed.
ANEXOS:
REF1.
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
REF2.
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml
REF3.
DISEÑO DE UN SISTEMA ROTATIVO DE LLENADO Y TAPADO
ENVASES PET DE 500 ml